MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计 - 新能源

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毕 业 论 文

论文题目 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计 系（部） 电力工程系 学科专业 新能源应用技术 班 级 错误！未指定书签。 姓 名 阿卜杜热伊木 学 号 2011232560 指导教师 刘 华

二〇一四年四月二十八日

新疆工程学院毕业论文任务书

学 生 姓 名 论 文 题 目 接受任务日期 指 导 教 师 阿卜杜热伊木 专 业 班 级 新能源11-1班 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计 2014年3月5日 刘华 完成任务日期 指导教师单位 2014年4月28日 新疆工程学院 设计任务或主要技术指标： 1.设计任务 （1）设计基于MPPT控制算法的太阳能光伏系统； 论文要求 （2）控制方案的选择； （3）方案的细化设计； （4）通过方案比较，确定合理的控制方法及系统框图； （5）选定系统的主要芯片及元器件； （6）计算系统组件配置参数； 设计进度与要求： 1、第一周，收集有关资料作为设计参考。 2、第二周，自学太阳能系统及其组件的相关知识；

教师指导过程记录3、第三周，控制方法，电路结构方案的选择。 4、第四周，方案的分析对比。 5、第五周，确定系统设计方案。 6、第六周，画出系统控制框图及主要电路图。 7、第七周，对设计初稿进行修改， 8、第八周，答辩。 主要参考书及参考资料： [1]王长贵．新能源和可再生能源的现状和展望[J]．太阳能光伏产业发展论坛论文集．2003(9)． [2]赵玉文．太阳能光伏技术的发展概况．第五届全国光伏技术学术研讨会论文集． [3]王长贵，王斯成主编．太阳能光伏发电实用技术[M]．北京：化学工业出版社，2009.9． 参考资料[4]吴财福，张键轩，陈裕恺主编．太阳能光伏并网发电机照明系统．北京：科学出版社，2009． [5]奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭编著．TMS320F2812原理与开发[M]，北京：电子工业出版社，2005． [6]尹勇，欧光军，关荣锋著．DSP集成开发环境CCS开发指南[M]，北京航天航空大学出版社，北京，2004． [7]赵庚申，王庆章．最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用[J]．光电子．激光，2003，14(8)． 2

MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计

新疆工程学院毕业论文成绩表

学 生 姓 名 论 文 题 目 考 核 项 目 1、工作态度与纪律 一、 指导教师评分 2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平 3、独立工作能力、分析和解决问题能力 4、完成任务的情况与水平（论文质量） 指导教师签字： 年 月 日 二、 评阅教1、论文质量（正确性、条理性、创造性和实用性） 2、成果技术水平（理论分析、计算、实验和实物性能） 15 15 阿卜杜热伊木 专 业 班 级 新能源11-1班 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计 考 核 内 容 满 分 10 10 10 10 评 分 师评分 评阅教师签字： 年 月 日 1、完成任务书所规定的内容和要求 三、 答辩小组评分 2、论文的质量 3、课题论文内容的讲述 4、回答问题的正确性 5 5 10 10 答辩组长签字： 年 月 日 四、答辩小组成绩评定： 负责人签字： 年 月 日 五、答辩委员会意见： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 3

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目 录

摘要·······························································6 Abstract···························································7 第一章 引 言 ............................................ 10 1．1本课题的选题背景和来源 .......................... 10 1. 2太阳能光伏发电简介 .............................. 11

1．2．1太阳能光伏发电系统 .................................. 11

1．2．2独立太阳能系统的构成 ................................ 11

1．3国内外太阳能发电的现状 .......................... 11 1．4光伏太阳能控制器国内外现状 ...................... 12 1．5论文意义 ........................................ 12 1．6论文的主要研究内容 .............................. 13 第二章 光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用 ............. 14 2．1太阳能电池的结构及工作原理 ...................... 14

2．1．1太阳能电池的结构 .................................... 14 2．1．2太阳能电池的工作原理 ................................ 14

2．2太阳能电池的特性及应用 .......................... 14 2．3本章小结 ........................................ 15 第三章 蓄电池 ........................................... 16 3．1蓄电池的简介 .................................... 16

3．1．1蓄电池的介绍 ........................................ 16 3．1．2蓄电池技术参数 ...................................... 16

3. 1. 3蓄电池特性22222222222222222222222222222222222222222217 3．2蓄电池的工作原理 ................................ 19

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3．3蓄电池的充电技术 ................................ 20 3．4本章小结 ........................................ 22 第四章 光伏太阳能发电系统中MPPT技术的实现 .............. 23 4．1光伏太阳能发电系统中的最大功率点跟踪 ............ 23

4. 1. 1什么是MPPT22222222222222222222222222222222222222222224 4. 2充电算法及实现222222222222222222222222222222222225 4. 2. 1 充电控制算法22222222222222222222222222222222222222225 4. 2. 2 MPPT充电算法实现2222222222222222222222222222222222227 4．3最大功率跟踪控制的常用方法 ...................... 28

4．3．1恒压跟踪法 .......................................... 28

4．3．2扰动观察法 .......................................... 28 4．3．3增量电导法 .......................................... 28 4. 3．4模糊逻辑控制法 ...................................... 29

4. 4充电控制器的控制略222222222222222222222222222222229

4．5控制算法的分析和选择222222222222222222222222222230 4. 6太阳能发电系统效率分析2222222222222222222222222231

4. 6. 1系统整体结构设计22222222222222222222222222222222222232

4. 6. 2太阳能控制器结构22222222222222222222222222222222222232

4．7本章小结 ........................................ 33 第五章 小型太阳能光伏控制器硬件和软件的设计 ............. 34 5．1控制器系统的简介 ................................ 34 5．2硬件电路设计 .................................... 34

5．2．1太阳能光伏充电控制器 ................................ 34

5．2．2系统供电电源 ........................................ 36 5．2．3太阳能电板输入电流采样电路 .......................... 37 5．2．4蓄电池放电控制电路 .................................. 39 5．2．5蓄电池过充过放检测电路 .............................. 39 5．2．6控制系统显示电路 .................................... 40

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5．3软件设计 ........................................ 40

5. 3. 1 A/D转换程序设计 .................................... 41

5．3．2最大功率点跟踪控制程序设计 .......................... 42 5．3．3充电控制程序 ........................................ 42

5．4系统的可靠性分析及设计 .......................... 43

5．4．1硬件的可靠性设计 .................................... 43 5．4．2软件的可靠性设计 .................................... 44

5．5本章小结 ........................................ 44 第六章系统数据分析 ...................................... 45 6．1系统结果分析 .................................... 45 6．2本章小结 ........................................ 46 总结 .................................................... 48 致 谢 ................................................... 49参考文献 ................................................ 50

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MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计

摘要：太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面，其核心部分就是充电控制器。

本设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不够充分，使得蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方案。在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的高效率管理。 设计一种太阳能LED照明系统充电控制器，既能实现太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)又能满足蓄电池电压限制条件和浮充特性。构建实验系统，测试表明，控制器可以根据蓄电池状态准确地在MPPT、恒压、浮充算法之间切换，MPPT充电效率较恒压充电提高约16%。该充电控制器既实现了太阳能的有效利用，又延长了蓄电池的使用寿命。 在总体方案的指导下，本设计使用STMSS系列8位微控制器是STM8系列的主流微控制器产品，采用意法半导体的130纳米工艺技术和先进的内核架构，主频达到16MHz(105系列)，处理能力高达20MIPS。内置EEPROM、阻容(RC)振荡器以及完整的标准外设，性价比高。STMSS指令格式和意法半导体早期的ST7系列基本类似，甚至兼容，内嵌单线仿真接口模块，支持SIWM仿真，降低了开发成本；拥有多种外设，而且外设的内部结构、配置方式与意法半导体的同样是Cortex-M3内核的32位嵌入式微处理器STM32系列的MCU基本相同或者相似。另外系列芯片功耗低、功能完善、性价比高，可广泛应用在家用电器、电源控制和管理、电机控制等领域，是8位机为控制器控制系统较为理想的升级替代控制芯片‘26l。软件部分依据PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制控制策略，编制程序使单片机输出PWM控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制MOSFET管开启和关闭，达到控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要求实现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。实验表明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。

关键词： 充电控制器； 太阳能光伏发电； PWM脉宽调制；MPPT 最大功率点跟踪法；蓄电池；STMSS系列8位微控制器

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MPPT solar charge controller control algorithm design

Abstract：Solar photovoltaic power generation has become an important part of new energy and renewable energy, it is considered the current world's most promising new energy technologies. At present solar photovoltaic device has been widely used in communications, transport, electricity and other aspects, the core part is the charge controller.

The conventional charge controller on the market today on the battery charge and discharge control is unreasonable, and its protection is also inadequate,whichs makes the battery life to shorten. To solve this problem, the design identifies a solar charge controller based on single chip solution. In the solar energy to battery charge and discharge means, the controller of the functional requirements and the practical application aspects ,making some analysis,completed the hardware circuit design and software development, to achieve the high efficiency of the battery management.

Under the guidance of the overall program, the design uses low-power, high performance, super anti-jamming STC89C52 microcontroller as a core device to control the entire circuit. Hardware circuit consists of a solar battery charging and discharging circuit, voltage acquisition and display circuit, the MCU control circuit and RS232 serial communication circuit, the main achievement of the acquisition and display battery voltage. Software is based in part on PWM (Pulse Width Modulation) pulse width modulation control strategy, programming the microcontroller output PWM control signal, by controlling the photocoupler on-off the control MOSFET opening and closing, to control battery charging and discharging purposes, and in accordance with the functional requirements implemented the battery over charge, over discharge protection and short circuit protection. Experiments show that the controller performance, high reliability, can always monitor the state of solar panels and batteries to achieve optimal control of battery charge and discharge, to prolong battery life.

Key words: charge controller; solar photovoltaic; PWM pulse width modulation; MPPT；Battery.

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第一章 引 言

1．1本课题的选题背景和来源

太阳能是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到大气层的能量仅为总辐射量(约为3．75x1026W)的22亿分之一，但其能量高达173000TW(功率单位ITW=1012 KW=1015 W)，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤所产生的能量。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射量约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837 kJ／(cm2/)，中值为586 kJ／(cm2/) 。

我国的太阳能辐射量相当充足，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优势，就拿我们所在的广州地区太阳辐射量在国内也是中等水平。另外太阳能作为一种新型的能源，它与常规的能源相比有三大优点：

(1)太阳能是人类可以利用的最为丰富的能源之一，据估算，自太阳形成到现在，太阳辐射出的能量只占自身能量的2％，因此可以算是取之不尽，用之不竭。 (2)太阳对地球的辐射是全方位的，在全球的任何一个地方都有机会接受到太阳的辐射，因此可以直接就地开发利用，这样就没有了运输的问题，尤其对于交通不发达的地区更有利用的价值。

(3)太阳能使用后不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态，是一种比较洁净的能源。

而且太阳辐射能与煤炭、石油等常规能源相比较，更有如下的优点： （1）普遍性。

地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。 （2）无害性。

利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害，清洁干净。 （3）长久性。

只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。 （4）巨大性。

面对如此巨大的能源，对太阳能开发利用的研究已经成为一个新兴的重大课题。这项集多学科为一体的高新技术，在科技进步、能源战略和环境的保护领域中都会发挥重要的作用，对该技术的深入研究将会为探索广阔的光伏发电市场和掌握相关领域提供一定的理论依据。本文就是借助对庭院式小功率太阳能光伏发电系统的研究来探索太阳能光伏发电。

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1.2太阳能光伏发电简介

1．2．1太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。 一般将光伏发电系统分为独立系统、并网系统和混合系统。根据其应用形式、应用规模和负载类型，光伏发电系统大致可以分为以下七种类型：小型太阳能供电系统(SmallDC)，简单直流系统(Simple DC)，大型太阳能发电系统(Large DC)，交流、直流供电系统(AC／DC)，并网发电系统(UtilityGrid Connect)，混合供电系统(Hybrid)，以及并网混合供电系统。其中小型太阳能供电系统(Small DC)根据应用场合的不同又分为庭院式太阳能供电系统、通信太阳能供电系统等。 1．2．2独立太阳能系统的构成

光伏发电系统的规模跨度巨大，从 0.3~2W的太阳能小系统，大到兆瓦级别的太阳能光伏电站，其应用也各有不同，在家庭、交通、通信、航天等众多领域都有涉及。其基本框架图如图1．1所示。独立的太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏组件阵列、储能蓄电池、控制器、DC/AC或者DC/DC变换器、以及输出设备构成。

图1．1太阳能光伏发电系统的组成图

1．3国内外太阳能发电的现状

1839年，法国科学家贝克雷尔(Becquerel)就发现，光照能使半导体材料的不同位

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置之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应一，简称“光伏效应一。

1 954年，美国贝尔实验室研究人员D．M．Chapin，C．S．Fuller和G．L．Pearson首次制成了光电转换效率为4．5％的单晶硅太阳能电池，至此之后太阳能发电进入了飞速发展的时代。在新型能源产业中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一，最近十年更是飞速发展。

1．4光伏太阳能控制器国内外现状

目前市场中独立的太阳能光伏充电控制器主要有五种类型：并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器、智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。

1．并联型控制器

当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流道内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。并联型控制系统一般用于小型、低功率系统。

2．串联型控制器：

利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。

3．脉宽调制型控制器：

它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。

4．智能型控制器：

基于MCU对光伏电源系统的运行参数进行高速的实时采集，并按照一定的规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离和接通控制。对于中、大型光伏电源系统，还可以通过串口，或者别的一些通讯方式实现远距离控制。

5．最大功率跟踪型控制器：

根据太阳能电池的输出功率判断是否工作在最大功率点，若不是则做出相应的调节使得输出功率靠近最大功率点，从而实现对太阳能发电能量的有效利用。现在的市场的庭院式小功率太阳能光伏控制器多是并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器，也有少量的智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。常见的智能型基本都是基于微处理器的控制，例如基于传统的51，DSP等。

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1．5论文意义

本文所研究的小功率太阳能光伏发电系统是针对当今社会的发展趋势和需求提出的。

本研究综合分析现有的太阳能光伏发电系统的发展和技术要求，对比已有的光伏发电系统，以此为基础，选取高性能意法半导体的新型8位控制芯片STMSS作为主控芯片，凭借STMSS微控制器强大的运算能力和丰富的外围资源，优化系统的电流采样电路设计，提升系统的性能，设计出一款小功率太阳能光伏发电系统。

本系统的设计改进了传统小功率太阳能光伏发电系统的信号采集电路，降低了电路的损耗。

1．6论文的主要研究内容

1．本论文需要研究的内容主要有以下几个方面：

(1)在分析现有的太阳能光伏发电系统的发展概况的基础上，简单介绍了当前太阳能光伏发电系统的结构；

(2)根据常规太阳能光伏发电系统功能的要求分析太阳能光伏电池和蓄电池的需求及特性，最终根据需求选择本系统的设备；

(3)系统软件设计，包括系统主程序模块底层设计、MPPT技术控制程序设计、充电方式的控制以及输出、输入安全控制等；

(4)系统硬件设计，具体的系统硬件设计包括：控制系统电路设计、太阳能光伏发电充电电路设计、芯片供电电源电路设计、蓄电池防过放电路设计、蓄电池防过充电路设计等；

(5)系统的可靠性分析及设计，主要是基于系统硬件可靠性和软件可靠性的研究与实现；

2．根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，采取以下研究步骤来实现： (1)针对系统整体功能进行具体分析与研究，合理地将整个系统划分成各个不同功能模块。

(2)针对各个模块的功能对其进行相应的电路设计、芯片选型与特性测试。 (3)各个功能模块的软硬件调试、各个功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。

(4)在整个系统中按照软件和硬件两个方向严格的执行可靠性设计。

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第二章 光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用

2．1太阳能电池的结构及工作原理

太阳能电池又称为“太阳能晶片\或光电池，通常由半导体硅材料制成，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照射，瞬间就可输出电压。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic，photo光，voltaic伏特，缩写PV)，简称光伏。 2．1．1太阳能电池的结构

太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电器件，基本构造是由P型与N型半导体集合而成，最基本的材料是半导体硅，单纯的硅是不导电的绝缘体，但是在掺入不同杂质时就可以做成P型和N型半导体。下图就是一种常见的太阳能电池的结构图，它的基本材料是P型单晶硅。上表层是N型半导体层，是受光层，在和基体的接触面形成一个P．N结。为了进一步增加对太阳能的利用率，在太阳能电池的受光面会覆盖一层减少反射的薄膜，它可以增加太阳能电池对入射光的吸收率。

2.1太阳能电池结构图

2．1．2太阳能电池的工作原理

太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓的光生伏特效应就是当物体受到太阳光的照射时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

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2．2太阳能电池的特性及应用

当光照强度改变时根据太阳能电池的输出功率和电压的关系可以得到下图。从图2.3中可以看出在不同光照时最大的输出功率点是唯一的，只有太阳能工作在这个位置才能合理的利用太阳产生的能量。为了合理利用太阳能电池，在后续的设计中选择实现MPPT的控制。

2.2太阳能电池等效电路

2.3太阳能电池的I-U曲线

2．3本章小结

本章首先介绍了太阳能电池的结构和原理；然后介绍了不同太阳能电池材料的优劣，为选择太阳能电池提供依据；接着是介绍太阳能电池的IU特性根据其特性引出太阳能电池的选用：最后介绍了本太阳能电池的设计需求和安装要求。

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第三章 蓄电池

在太阳能光伏发电系统中由于太阳能光伏阵列产生的能量受外部光照的影响，而光照又是一个随机的变量，这样就造成太阳能光伏阵列的输出能量极不稳定，因此需要配置蓄电池才能使负载正常工作。

在太阳能电池板充电时，蓄电池将电能转化为化学能存储起来；在负载需要供电时，蓄电池把化学能转换成电能输出给负载。蓄电池的性能直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。作为太阳能光伏发电系统中的储能器件，蓄电池的选择在注重性价比的同时还要做到能合理的利用太阳光光照，并持续地对负载供电。

3．1蓄电池的简介

3．1．1蓄电池的介绍

蓄电池作为一个储能的器件，能够反复使用，另外蓄电池还具有电压稳定、供电可靠、使用方便等优势，广泛的应用于汽车、航空、通信等众多行业。

在目前市场上的蓄电池主要有四类蓄电池：铅酸蓄电池、镉镍(NiCd)蓄电池、氢镍(NMH)蓄电池和锂离子蓄电池。镉镍(NiCd)蓄电池、氢镍(NiMH)蓄电池和锂离子蓄电池。蓄电池作为太阳能LED照明系统的储能元件，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜晚时，控制器启动LED驱动电路，LED光源开始照明，蓄电池释放电能。全天中，控制器的电源一直由蓄电池供给。目前光伏系统多采用阀控密封式铅酸（Valve Regulated Lead Acid Battery，简称VRLA）蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。

3．1．2蓄电池技术参数 1．蓄电池容量

蓄电池的容量是指在一定的放电条件下所能给出的电量，通常用C表示，但是蓄电池作为电源时，其端电压是一个变量，选用安时(Ah)表示蓄电池的电源容量更为准确。当蓄电池放电时，它的容量等于放电电流对时间的积分。

公式上看t的取值可以从0取到无穷，但实际上为了防止蓄电池因过放而导致损坏，因此对t的取值是有限制的。当蓄电池的电压低于终止电压时，此时为t的最大值，所谓终止电压就是蓄电池的最低正常工作电压。通常蓄电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论

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值；实际容量是指蓄电池在一定的条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量；额定容量，又称为标称容量，是按照国家标准，保证蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。固定型蓄电池一般采用10h所放出的容量为蓄电池的额定容量，并用来标定蓄电池的型号。额定容量也用字母C表示。例如：额定容量为100Ah的蓄电池，C=100Ah；

在恒定的电流放电时，蓄电池的容量为：

Q=Ixt

2．蓄电池的电压

(1)开路电压 开路电压是指蓄电池在开路状态下的端电压。蓄电池的开路电压等于蓄电池在开路时，蓄电池的正极电位与负极电位之差。蓄电池的开路电压表示，即

Vk=E—Ef

其中：E表示是正极电位，Ef为负极电位。

(2)工作电压工作电压是指在蓄电池接通负载后放电过程中显示的电压，通 常用V表示：

V=VK(Ro+Rf)

其中：I为蓄电池放电电流：R0为蓄电池的内部电阻；Rf为蓄电池的极化电阻。

(3)充电电压充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。 (4)浮充电压 浮充电压是指充电器对蓄电池进行浮充充电时设定的电压值。蓄电池需要一个精确而且稳定的浮充电压值，浮充电压的高低和储能的大小成正比，质量差的蓄电池浮充电压小，人为的提高浮充电压的大小对蓄电池是一种损害。

(5)终止电压终止电压指的是蓄电池放电终止时的电压，也就是蓄电池正常 使用的最小允许电压。 3．1．3蓄电池特性

太阳能电池无需外加电压，可以直接将太阳能转换成电能，并驱动负载工作，太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据太阳能电池的工作原理，以及影响太阳能电池工作效能的因素，我们可以用下式所示的数学方程来表示太阳能电池的输出电流与输出电压的关系:

??q(V?RsI)??V?RsI I?Iph?I0?exp???1??RnKT????sh

式中，I：太阳能电池板的输出电流(A)；V：太阳能电池板的输出电压(V)；q：一

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个电子所含的电荷量(l.6x10-19C)；K：波尔兹曼常数(l.38310－23J/K)；T：太阳能电池板表面温度(K)；n：太阳能电池板的理想因数(n=1-5)；I0：表示太阳能电池板的逆向饱和电流。

在Matlab中建立太阳能电池数学模型[1]，写成嵌入函数的形式，并根据数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的I-V如图1所示，P-V曲线如图2所示。其中图(a)标注为辐照度，单位为W/m2；图(b)标注为阵列表面温度，单位为℃。

图3.1 太阳能电池I-V特性曲线

Fig.1 I-V characteristic curve of Solar cells

图3.2 太阳能电池P-V特性曲线

Fig.2 P-V characteristic curve of Solar cells

由图3.1和图3.2特性曲线可以看出辐照度主要影响太阳能电池的短路电流，温度主要影响太阳能电池的开路电压，特定光照和温度条件下太阳能电池供电系统存在单峰

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值最大功率点，这为我们进行最大功率点跟踪找到了理论依据。

2.太阳能电池的输出特性

对于太阳能电池方阵而言,应按照用户的要求和负载的用电量及技术条件确定太阳能电池组件的串并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定,应考虑蓄电池的均浮充电压,线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响。蓄电池的容量决定其最大充电电流,该数值再结合负载电流,可决定太阳能电池并联数。

图3.3太阳能电池输出特性

太阳能电池的输出特性如图1所示, 太阳能电池的输出伏安特性曲线 是进行系统分析的最重要的技术数据之一。从图中可以看出,太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性。在光伏系统中,负载的匹配特性决定了系统的工作特性和太阳电池的有效利用率。要想在太阳电池供电系统中得到最大功率,必须跟踪日照强度和环境温度条件,不断改变其负载阻抗的大小,从而达到阵列与负载的最佳匹配,以提高系统的效率,该方法称为MPPT(最大功率点跟踪法)。

3．2蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池的工作原理：

充电时：2 PbS04+2 H20=Pb02+Pb+2 H2S04(电解液) 放电时：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbS04+2H20(原电池) 以上是蓄电池正常充放电理想化的化学方程式。

在充电时，正极由硫酸铅转化为二氧化铅后将电能转换为化学能储存在正极板中；

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负极由硫酸铅转换海绵状铅后将电能转化为化学能储存在负极板中。

在放电时，正极由二氧化铅变成硫酸铅，而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅变成硫酸铅，也是化学能转化成电能向负载供电。蓄电池容量计算式为

Bc?A?Q1?N1?T0/Cc

式中：Bc为蓄电池容量；A为安全系数，一般为1.1~1.4；Q1为日耗电量，即工作电流乘以日工作小时数；T0为温度系数，一般0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；Cc为放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。此处蓄电池额定电压为12V，设计容量当连续5天阴雨仍可工作，考虑到上一次放电后夜间未能充电，所以N1=6，计算如式（4）所示，结果为295.68 AH，取300AH。

Bc?1.4?(36?12?8)?6?1.1/0.75?295.68AH

3．3蓄电池的充电技术

铅酸蓄电池具有可以重复使用、电压特性平稳、使用寿命比较长、适用范围广等特点，但是在使用不当的时候，将会导致其寿命急剧降低。影响铅酸蓄电池的因素有很多，研究发现，电池充电过程对电池寿命的影响最大，放电过程较少。由此可见，正确的充电方式可以有效的延长蓄电池的使用寿命。蓄电池的常用充电模式有一下几种。 1．恒流充电

恒流充电就是在充电过程中一直以恒定的电流进行充电的一种方式。这种方式适合用在多个串联的蓄电池组。缺点是：开始充电电流对于蓄电池来说较低，在后期电流值偏大(相对蓄电池的需求)，在充电过程中析出的气体多，充电时间长，对极板有较大的冲击，耗能高。一般的免维护蓄电池不采用本方法。 2．恒压充电

类似恒流充电，恒压充电在充电过程中电压保持不变的一种充电方式。优点是：充电电流随着蓄电池电压的上升而逐渐减小，充电时间短，能耗低，析气少等。缺点是：开始时充电电流过大，后期充电电流又过小，不适合串联过多的蓄电池，对低压的蓄电池不能实现完全充电。 3．分阶段充电

这种充电的方式是为了克服恒流和恒压充电的缺点而设计的一种方式。分阶段充电在一开始时对蓄电池采用恒流方式充电，蓄电池充电到了一定容量后换为恒压充电。这样就避免了在充电的开始阶段出现较高的大电流，以及在充电的而后期出现高电压的现象，避免了对蓄电池的损坏。

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4．快速充电

一般的充电都需要较长的时间，快速充电是为了缩短充电时间而设计的。快速充电电流以脉冲的方式对蓄电池进行充电，每一次脉冲之后蓄电池都有一定的停充时间。在充电过程中脉冲使蓄电池充满电荷，停充过程中蓄电池内部化学反应产生的气体被重新吸收，在减少析气的同时也消除了极化现象，从而减小蓄电池的内压。 5．智能充电

智能充电的基础依据是美国人J.A.MAS(马斯)提出的蓄电池快速充电的基本规律。智能充电以析气率最低为前提根据蓄电池接受的充电电流和最大电流为参考，在充电过程中不停的调整适合的电流进行充电。

以上就是常见的充电方式。在本文太阳能光伏发电系统中，结合实际的控帛Ⅱ电路、为了合理有效的利用太阳能光伏电池和蓄电池，选择在蓄电池深度放电时，利用MPPT技术和控制系统对蓄电池进行充电，当蓄电池在正常的放电范围内时，用分阶段的充电方式充电。

3.3蓄电池产生光伏效应

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3．4本章小结

本章详细介绍了蓄电池的种类和工作原理，分析了对蓄电池的影响因素以及充电方式。根据对上述的理解和分析在最后选择了本文所需的蓄电池以及相应的充电方式。

图3.4光伏发电实物图

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第四章光伏太阳能发电系统中MPPT技术的实现

MPPT(MaximumPowerP0疏Tracking)就是最大功率点跟踪，是指控制器能够实时侦测太阳能电板的输出电压，并追踪最高的输出功率，使系统以最高的效率对蓄电池充电。在太阳能光伏发电系统分析中，由太阳能电池的特性，可得出光照强度、温度以及外界环境等都会影响光伏太阳能电池的输出功率。光照强度和温度变换的随机性，造成输出功率也具有随机性，进而影响太阳能光伏发电的效率。对最大功率点跟踪技术的研究，可以提高太阳的利用率，增加系统的实用性。

4．1光伏太阳能发电系统中的最大功率点跟踪

在太阳能供电系统中，太阳能电池的输出是非线性的，只有当输出功率最大时太阳能电池的利用效率才是最大。光伏太阳能发电系统最大功率跟踪工作的模式就是调节输出电流和输出电压，使输出功率在光伏阵列的最大功率点附近。如图所示的太阳能电池的特性曲线最大功率点的跟踪的目标就是实现太阳能电池输出在如图4.1所示的最大功率点。

4.1太阳能电池的特性曲线

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4. 1. 1什么是MPPT

MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（Maximum Power

Point Tracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。

所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。

要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，（有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊）在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V!

现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。 理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高 20%-30%。

从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器。

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4.2 MPPT接线图

4.2充电算法及实现

4. 2. 1 充电控制算法

对于一个蓄电池,选择适当的充电方法,不仅可提高充电效率,而且能够延长蓄电池的使用寿命。其中最理想的充电方式为三段式充电法，即恒流，恒压，浮充三个阶段充电[3]。

第一阶段恒流充电:在此阶段，充电电路的输出等效于电流源。蓄电池的充电电流通常由蓄电池的总容量确定，为蓄电池最大可接受电流Imax。充电过程中，通过实时监控蓄电池电压，当蓄电池荷电状态到达相应状态后，充电进程进入恒压充电阶段。第二阶段恒压充电:在恒压阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测充电电流，该电压对应于蓄电池充满时对应的端电压值。当充电电流降到低于阈值电流IC时，可以认为蓄电池电量已充满，充电状态进入下一阶段。第三阶段浮充:在浮充阶段，电

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路给蓄电池提供一个精确的、带温度补偿功能的浮充电压，以补偿蓄电池自放电的损失。浮充电压VF计算如式2所示。式VF0，T0分别为基准点的电压和温度值，C为电压温度系数。

VF=VF0+（T-T0）C

三段式充电法与蓄电池本身特性最为匹配，更有利于延长蓄电池使用寿命，所以成为以市电充电中应用最广泛的方法。若将三段式充电法直接应用于太阳能照明系统，最大的问题在于无法实现最大效率利用太阳能电池板的输出；蓄电池的最大可接收电流Imax一般很大，第一阶段的恒流充电亦无法实现。蓄电池智能充电策略必须最大限度提升太阳能电池板功率输出，同时最大程度延长蓄电池使用寿命。论文借鉴上述三段法充电法，同时结合光伏系统实际情况，给出一种有效的充电方法[4]。

对于太阳能LED照明系统来说，晚上蓄电池对照明灯供电,并且控制电路始终由蓄电池供电，因而当检测到太阳电池满足供电条件，DC-DC转换电路开始工作时,蓄电池总为非满状态，此时蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限UM（UIC,则对蓄电池进行恒压充电（CV）；若I

图4.2 蓄电池充电控制流程图

Fig.4 Battery charging control flow chart

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4.2.2 MPPT充电算法实现

光伏系统MPPT算法主要有固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、神经网络法等。固定电压简单但跟踪效果较差，所以现在已较少使用；模糊控制法和神经网络法跟踪效果较好，但实现困难。扰动观察法和电导增量法均属于自寻优算法，扰动观察法虽性能稍差于电导增量法，但其简单、容易实现、对硬件要求低，且太阳能LED系统对MPPT性能要求不高。综合以上因素选择扰动观察法作为太阳能LED照明系统MPPT算法。

扰动观察法(Perturbation and Observation)原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，这一过程称为“干扰”，并观测之后其输出功率变化方向，若ΔP>0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰”；若ΔP<0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。其跟踪流程如图4.3所示

图4.3 扰动观察法流程图

Fig.5 Perturbation & Observation Algorithm flow chart

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恒压、浮充实现

分析可知恒压充电和浮充充电均向蓄电池提供一个固定电压值，有两种实现方法，一是，如果系统精度要求不高，只要向Cuk电路提供一个固定的占空比即可，二是，如果系统精度要求很高，可以采用反馈方式来实现，即检测实际输出电压值与给定值进比较，再通过程序调整占空比使输出电压稳定为某一具体数值。为降低系统的复杂度，提高可靠性，本系统选择第一种实现方法。最大功率跟踪控制有很多常用的控制算法，如恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法、增量电导法和模糊控制法等。

4.3最大功率跟踪控制的常用方法

4．3．1恒压跟踪法

由于太阳能电池在一定的温度下，最大功率点在一个恒定的电压附近。恒压跟踪法就是根据控制太阳能的输出电压位于这个恒定的电压值附近来实现的最大功率跟踪，这样大大简化了MPPT的控制设计。

优点是：控制方式简单、容易实现等；

缺点是：控制的精度不高、尤其是在四季光照变化巨大的地方、无法应对恶劣天气造成的光照突变等。 4．3．2扰动观察法

扰动观察法的具体原理是一开始让光伏电池按照某一电压值输出，根据测得的电流值来计算电池的输出功率，然后在一定的时间间隔后去改变电压，并根据观测功率的变化来，决定下一步的调节方向，最终达到输出功率最大的位置。

优点是结构简单，被测参数少，普遍使用于光伏发电系统的发电中。

缺点比较明显，那就是在到达最大功率点的时候扰动仍会继续，这样会损失一定的功率，并且初始电压和调节比例的选择对跟踪速度和精度也有较大的影响。 4．3．3增量电导法

增量电导法是在针对扰动观察法在工作电压的调整过程中有一定的盲目性而改进的一种方法，其具体的原理推导如下。在图4-1可知，在P．U曲线的最大功率点处斜率为零。太阳能电池的输出功率P=UI，在最大功率点由于斜率等于零，则dP/dU=0，即：

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dP=/dU+UdI=0

由公式(4．1)整理得

由上式推导可得到最大功率点的条件如上所示，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，太阳能电池阵列输出功率达到最大功率点。

其优点是：控制精确，响应速度比较快，适合日照条件变化较大的场合； 缺点是：对处理器和传感器的精度要求都比较高。 4．3．4模糊逻辑控制法

模糊逻辑控制法主要是基于模糊控制理论通过在过程中执行三种控制行为而实现的一种控制方式。这三种控制行为分别为：模糊化、模糊推理和解模糊化。

(1)模糊化的作用是将输入的精确量，通过模糊化方法转换，最终生成模糊化量。 (2)模糊推理是模糊控制器的核心，它以一定的推理规则和经过模糊化处理后的模糊化量为依据，经过模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则等，得到模糊系统的输出。 (3)解模糊化的作用是将模糊推理的输出量转换为实际用于控制的清晰量。模糊逻辑控制算法的优点是：有较高的精确度、可以更为直接的调节单步的电压变换量和更有效的利用太阳能电池的能量。缺点是：需要更高性能的处理器、要 有大量的规则库和数据库等，不适合低成本的系统。

4. 4充电控制器的控制策略

作为光伏发电系统中的关键部件，蓄电池的寿命短是阻碍整个光伏发电系统性能和推广的主要原因之一。根据蓄电池的工作原理，结合实际应用情况，在光伏发电系统中，影响铅酸蓄电池寿命的主要因素有：充电电压的设置、过放控制点的设置、温度、运行环境等。依据这些影响因素，分析蓄电池常见充放电方式局限性，对充放电方式进行了一定的改进。

（1）蓄电池常规充放电方式

目前，控制器常规的蓄电池充电法包括三种：恒流充电法、阶段充电法和恒压充电法。

恒流充电法是通过保持充电电流强度不变进行充电的方法。这种充电控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过多，影响蓄电池的使用寿命。

第二种是阶段充电法。这种充电方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法是先用恒定电流充电至预定的电压值，然后改为恒定电压完成剩余的充电，一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压；三阶段充电法是指在充电开始和结束时采

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用恒定的电流充电，中间用恒定的电压进行充电。阶段充电法这种方法虽然可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，实际应用中受到一定的限制。

恒压充电时要严格掌握充电电压，电压在全部充电时间里保持恒定的数值，充电电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少。这种充电方法在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，将会影响蓄电池的使用。

（2）改进的充放电方式

针对目前市场上控制器的主要问题是由于对于蓄电池的保护不够充分，不合适的充电方式容易导致蓄电池的损坏，同时通过对蓄电池的工作原理和对影响蓄电池使用寿命因素的分析，本论文提出了PWM (Pulse Width Modulation)脉宽调制充电方法。 PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，这也是蓄电池充电理论的进一步发展。

PWM脉冲调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后让电池停止充电一段时间，如此循环往复。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。PWM调制充电方式使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电效率。脉宽调制方式是指在固定时钟频率下，通过调节开关的通断时间来控制信号的占空比，从而实现对输出电压的调整。实际也就是以一直流电压经过以一定频率打开与闭合开关的控制来改变电压。输出电压波形如图4.4所示。

电压U0tT图4.4输出电压波形

时间

针对目前市场上的太阳能充电控制器当蓄电池给负载供电时，没有时刻检测蓄电池的电压，很容易导致蓄电池的深度放电这个问题，本论文提出时刻在线检测蓄电池电压来避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池，提高其使用寿命。

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4．5控制算法的分析和选择

最大功率跟踪算法通常采用的方法如上所示。其中恒压跟踪法控制是最为简单的一种，但需要提前测得太阳能光伏电池所需要的开路电压，增加了成本，而且不具有普遍的适用性，采样期间和控制期间也容易受到外部环境的影响，也导致恒压跟踪法的控制精度不高、转换效率低，比较适用于较小的功率场合。扰动观察法和增量电导法是目前使用的最多的两种方法，这两种控制方法的转换效率比较高。扰动观察法的调节相对比较盲目，其达到最大功率点后还会有波动，另外其电压的调节量是固定值。增量电导法和扰动观察法相比可以稳定在最大功率点，能识别调节的方向。模糊控制算法精确度高，转换效率高，能更好的利用太阳能电池产生的能量。但是模糊算法使用的数据库和规则库较大，成本也相对较高，因此不适用小成本的小功率庭院太阳能光伏发电系统中。 综合上文的分析，结合本文的设计目标是小功率的太阳能光伏控制系统，考虑成本的性价比，本文选择的是基于增量电导法作为MPPT控制的算法。

4. 6太阳能发电系统效率分析

根据物理学可知,发电能力与负载无关,而发电设备的输出能力则是由负载所决定的,就是说,电能输出设备的输出最大能力取决于外部能量的输入和转换效率,而这些电能量能否完全被利用,则取决于负载备。 1) 电能系统分析

描述发电设备能力和电能利用关系可以用下式表示:

Eg = f ( e) (2)

其中Eg 是负载情况下的输出电能, f ( e) 是在输入能量条件下所能转换的能量。 式(2) 指出,任何时刻发电设备发出的能量都与负载设备所消耗的能量相等。

对于一个发电设备来说,其最大输出能量fmax( e) 是一个固定的数值,而f ( e) 则是由负载决定的能量。在工程实际中, fmax ( e) > f ( e) 叫做欠负荷,fmax ( e) = f ( e) 叫做满负荷。还有一种情况就是所需要的Eg > fmax ( e) ,这种情况下仍然有式(1) 成立,但此时并不能完全满足负载所需要的电能,因此,在这时负载系统所得到的电能小于实际需要,而发电设备输出的电能等于fmax ( e) 。 2) 太阳能充电系统效率分析

在太阳能充电系统中,为了尽量提供充电能力和效率,必须把充电系统划分为两个部分,一个是充电电路,一个是控制电路,这两个电路都会消耗电能。对于充电电路,这部分消耗的能量是电池充电中所经过电路的损耗,对于控制电路,这部分是完成所需要的充电控制所需要消耗的能量。由此可知,太阳能充电系统中,为了尽量提高充电效率,应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗。设充电电路的功率损耗为Pcp ,控制电路的功率损耗为Pctr ,电池吸收的功率为Pb 则根据能量守恒,得到

Pl = Pcp + Pctr + Pb (3)

其中Pl =dEg/dt是充电系统的输入功率。由此

Pl =dEg/dt=df ( e)/dt=Pcp +Pctr +Pb (4) 根据式(3) 可得到充电系统的效率为

η( e) =Pb/Pl=（Pl - Pcp – Pctr）/Pl=（Pl -Pcp – Pctr）/（dEg/Pdt） (5)

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把式(2) 带入式(5) ,

η( e) =（Pl - Pcp – Pctr）/（dEg/Pdt）=(Pl - Pcp – Pctr)/(Pf ( e)/dt) 如果考虑满负荷工作,

η( e) =(Pl - Pcp – Pctr)/(dEg/dt)=(Pl -Pcp – Pctr)/(dfmax ( e)/dt) (6)

式(6) 指出,充电效率与以下因素有关: ? 充电电路和控制电路损耗; ? 太阳电池的输出功率 3）最大效率设计原则

由以上分析可知,为了保证充电效率,太阳能充电系统必须满足: ? 充电电池必须保证功率吸收能力; ? 尽量减少充电电路和控制电路的损耗; ? 选择合理的太阳能电池转换输出能量

4. 6. 1系统整体结构设计

针对太阳能电池板输出电压、功率的变化性以及提高铅酸蓄电池充电效率的方法的分析,我们选择了DC-DC 转换模块与充电管理模块相配合为蓄电池充电的方式。系统整体结构如图4.5所示。

太阳能电池板

图4.5 系统整体结构

太阳能电池板受其接受太阳光的影响,输出为呈显著变化的直流电压,经DC-DC 转换模块将其转换为蓄电池充电所需要的稳定电压,再经过电路的合理调整,使其输出为合适的电脉冲,并经充电管理模块的可靠保护对蓄电池进行充电。

4. 6. 2太阳能控制器结构

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DC-DC转换模块 充电管理模块 蓄电池

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图4为简易太阳能控制器电路结构图,蓄电池和太阳能电池阵列直接耦合,当白天有阳光时,太阳能电池阵列向蓄电池充电,控制电路测量蓄电池端电压,通过调整DC/DC中功率管的占空比,使得太阳能电池阵列的输出电压高于铅酸蓄电池的端电压,同时蓄电池通过负载放电。当夜晚或阴天阳光不足时,蓄电池放电,保证负载不停电。在充电过程中,蓄电池两端电压Vb从高到低或从低到高地不断变化,其伏安特性可表示为:

V=Vb+I Rb （7）

V为蓄电池的电动势;Rb为蓄电池的内阻,通常Rb的值很小,可忽略不计,则蓄电池模型可处理为:

V=Vb=常数

若设定蓄电池在充放电过程中其端电压Vb的最大值和最小值分别为Vmax和Vmin,则在蓄电池工作期间,其端电压应在Vmax和Vmin之间变化。

图4.6 太阳能控制器电路结构

图4.6中,蓄电池的输入特性曲线接近太阳电池方阵的最大功率线,两者本质上具有良好的匹配特性。因此,若是在小型的户用系统中要合理选择太阳电池的串并联数,使阵列在最大功率点附近的运行电压近似于蓄电池的端电压,就可以获得蓄电池和太阳电池方阵之间的电压最佳匹配,从而省去MPPT和CVT控制器,降低系统成本,提高系统的可靠性,有利于小型户用系统的推广应用。

4．7本章小结

本章对最大功率点跟踪的常用算法做了一些介绍，对比了不同方式的优缺点，结合自身的需求选择了适合自己方案的方法。

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第五章 小型太阳能光伏控制器硬件和软件的设计

经过前面几章节对太阳能光伏发电系统的介绍、分析，以及针对传统的小型太阳能光伏充电控制器多是基于纯硬件电路和低端微处理器的现状，提出本文基于STM8S主控芯片和高精度、低损耗信号采集电路的庭院式小型太阳能光伏控制器的设计方案。本章主要介绍控制器的软件和硬件部分。

5．1控制器系统的简介

控制器主要由太阳能电池阵列、BUCK电路、信号采集电路，最大功率跟踪控 制电路和蓄电池等组成。如图5.1所示。

5.1系统结构图

其具体的工作流程为：BUCK变换器实现从太阳能电池到蓄电池的充电转换；信号采集电路采集充放电时的电路的电流电压信号；采集到的信号直接送入MCU的A/D管脚；在MCU中根据相应的控制算法和需求通过调节输出，实现对变换器中开关管的控制，最终实现对蓄电池的合理充放电。

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5．2硬件电路设计

5．2．1太阳能光伏充电控制器

论文选择的微处理器是意法半导体公司推出的基于STM8内核架构的8位微处理器系列。选择该芯片的理由首先是STM8相比于ARM和DSP的低端处理器有较高的性价比；其次STM8功耗低、集成的外设种类多、可靠性高等。本文选择的是STM8中的S105K．X系列的控制器。

1．STM8S105KX微控制器简介

STMSS系列8位微控制器是STM8系列的主流微控制器产品，采用意法半导体的130纳米工艺技术和先进的内核架构，主频达到16MHz(105系列)，处理能力高达20MIPS。内置EEPROM、阻容(RC)振荡器以及完整的标准外设，性价比高。STMSS指令格式和意法半导体早期的ST7系列基本类似，甚至兼容，内嵌单线仿真接口模块，支持SIWM仿真，降低了开发成本；拥有多种外设，而且外设的内部结构、配置方式与意法半导体的同样是Cortex-M3内核的32位嵌入式微处理器STM32系列的MCU基本相同或者相似。另外系列芯片功耗低、功能完善、性价比高，可广泛应用在家用电器、电源控制和管理、电机控制等领域，是8位机为控制器控制系统较为理想的升级替代控制芯片‘26l。STM8S105KX的主要特性有：

(1)内核

先进的STM8内核，具有3级流水线的哈佛结构； (2)存储器

16K-32K字节闪存存储器(STM8S105K4具有16K内存，STM8S105K6具有32K内存)；1024字节EEPROM；2K字节RAM。

(3)时钟、复位和供电管理

3．0-5．5V供电；内嵌4个主时钟源；带有时钟监控的时钟安全保障系统；拥有低功耗模式的电源管理：

(4)中断管理

带有32个中断的嵌套中断控制器，6个外部中断向量，最多37个外部中断。 (5)定时器

2个16位通用定时器带有2+3个CAPCOM通道(IC、OC或PWM)；一个16位高级控制定时器，4个CAPCOM通道，3个互补输出，死区输入和灵活的同步；已经常用的8位预分频的8位基本定时器；自动唤醒定时器以及2个看门狗定时器。

(6)模数转换器(ADC)

10位，±ILSB的ADC，最多有lO路通道，扫描模式和模拟看门狗功能。

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(7)I/O端口

非常强健的I/O设计，对倒灌电流有非常强的承受能力。 (8)开发支持

单线接口模块(SWIM)和调试模块(DM)可以方便地进行在线编程和非入侵式调试。 2．控制系统电路

控制系统电路如图5．2所示，主要包括STM8S105K4芯片，主时钟电路，复位电路，内部RTC(实时时钟)时钟电路和后备电源电路以及SWIM调试接口电路。

5.2控制系统电路

电容C10、C1l和晶体振荡器Yl与芯片内部的反相放大器构成了电容三点式振荡器。在设计PCB板时，晶体振荡电路都尽量靠近处理器，其目的是为了防止走线的寄生电感影响谐振频率。本系统选择的外部8MHz的外部晶体振荡器。D2、R8、Y2和C12组成外部复位电路。开关按键Y2用来实现外部的复位控制。 5．2．2系统供电电源

在整个系统供电电源中设计中考虑到驱动和芯片控制电压的分配选择了双电源设计。考虑了工作电压需求、电路排版面积、芯片功耗等因素，结合自身熟悉电路和已有

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芯片选择了美国国家半导体的LM2842ADJ系列的芯片做电源芯片。LM2842系列芯片是具有PWM调节功能，DC/DC降压BUCK型稳压芯片。其具体特点：具有从4．5V-42V的宽输入范围；内部开关具有较低的导通电阻Rdson(典型值为0.9Q)；较高的效率(85％典型值)；工作频率在550KHz(X版本)和1．25MHz(Y版本)；具有软启动和热关机的功能：反馈电压为0．765V；小封装(TSOT-6L)。其具体电路如图5．3所示。

5.3LM2842ADJ供电电路

其主要的参数R101，R102和L101分别由公式求得。

其中Vfb=0.765V，输入滤波电容一般选取ESR低的电容，推荐使用2．2uF-10uF的X5R或者X7R的电容。

5．2．3太阳能电板输入电流采样电路

在许多电子系统中，电流检测是常见功能。常用的电流检测是通过放大其在采样电阻两端产生的电压来测量。对于那些需要较宽测量范围的系统，必须增大检测电阻或者改善放大器的精度：增大检测电阻值会使功耗增加，因此最好的办法是提高检测放大器的精度。放大器的精度很大程度上取决于放大器的输入失调电压。市面上常见的电流检测放大器所提供的输入失调电压大约为几百uV甚至几千uV。当采用此类的器件时，实现一个8至10位的实际动态范围是可能需要IW的功耗(在满电流条件下)。

传统常用的电流采样电路如图所示，图中a、b、c三图是现在最常用的电流检测电路。图(a)是一种利用分压采样的电流检测电路，；图(b)是一种串在电路对地端的电流采样电路，通过采样Rl上的电压来计算得到电路中的电流值；图(c)是另外一种串入电路输入端的电流采样电路，通过对比流入流出RI的电压差来计算电路中的电流： 以上的电流采样方式都是直接通过检测采样电阻上的电压值来计算流过的电流，取样电阻的取值范围一般为几百毫欧，当通过放大电路处理时，取样电阻的取值一般为几

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十毫欧，具体电路见下文的输出控制电路。

5.4常用的电流检测电路

另外根据前面文章的概述可以知道在MPPT中电流、电压采样的精确度会直接影响到对最大功率点的运算，因此本系统中考虑到控制精确度、实现对太阳能的高利用率(MPPT中)以及降低系统的损耗，改进传统的用采样电阻进行采样的电流采样电路，引入了凌力尔特公司(LINEAR TECHNOLoGY)的超精准电流检测放大器LTC6102。 LTC6102的连接比较方便，具体电路如图5．5所示。对电流的检测一般是利用电流采样检测电阻转换成输入电压，放大器的电压增益由输入和输出电阻器来设定。换算公式如下所示：

小负载电流条件下的精确度主要由输入失调电压Vos来设定。由Vos引起的电流测量误差k则由下式得出：

可见，当电流失调准确度设定为恒定值时，要实现Vos较小，可以相应的减小电流取样电阻R401。

在大多数的应用中，应选择适当的电路增益，以使Vos在模数转换(ADC)采集系统中约为1LSB(量化分辨率)。变化范围则由ADC所处理的最大信号幅度以及取样电阻的允许功耗来决定。

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5.5电流检测电路

5．2．4蓄电池放电控制电路

为了满足系统设计的目的，在蓄电池的放电控制电路选择了传统的运算放大做处理。具体电路如图5.6所示。R204是放电取样电阻，在本系统中选择的是开关电源中常见的锰铜电阻做采样电阻R204。具体工作原理是：通过把电流流过R204形成的采样电压，引入到运放电路中，通过一定的放大倍数把低电压放大为可以便于采集的电压范围，利用单片机的AD采样从而获取蓄电池放电电流的检测以及实现控制放电电流的控制：然后在通过运放电路做的比较器产生一个辅助的过流信号反馈给单片机，从而实现一个二次的过流控制。

5.6蓄电池放电控制电路

5．2．5蓄电池过充过放检测电路

由蓄电池的特性可以得知，在蓄电池的使用过程中是严禁过充过放使用的，因此本系统设置了过充过放检测。通过检测电路检测到一定的信号，然后把信号反馈给MCU，最后在MCU中做出相应的分析和响应，从而实现设计要求。具体电路如图5.7所示。

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5.7蓄电池使用检测电路

5．2．6控制系统显示电路

显示电路主要包括利用高亮数码管的显示和4个LED指示两个部分。数码管主要是用于蓄电池容量的实时显示。在数码管显示电路中为了节约引脚引入了移位寄存芯片74HC595，用STMSSl05KX系列单片机模拟SPI的数据传输来驱动该芯片。具体电路如图5.8所示。

5.8数码管和LED显示电路

图(a)为蓄电池容量显示；图(b)为RGB三基色显示灯，图(c)为太阳能电板反接指示灯：

在蓄电池充放电的过程中都会对蓄电池的容量进行控制检测，从而直观的实现蓄电池容量的显示。另外在系统的控制过程中出现的故障状态也通过电路进行显示，以使达到警示作用。

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5．3软件设计

太阳能光伏发电系统中充电控制器的目的就是利用太阳能电池产生的电能为蓄电池进行充电。在充电过程中根据蓄电池剩余电量智能选择充电的方式，合理利用太阳能光伏电池产生的能量。

根据整个系统的实现的目的和需求，将系统分为五大块，分为初始化模块、充电控制模块、放电模块、放电完毕等待模块和充电完毕等待模块。这里面又包含了A／D转换模块、PWM产生模块、系统时钟控制模块和显示模块等。根据对蓄电池端电压的采样结果来判断充电的阶段，进而选择充电的控制方式。主函数的控制流程图如图5.9所示。

5.9控制系统程序流程图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ahf6.html