基于PWM的太阳能充电控制系统

2019-11-12      2390 次浏览

在独立太阳能发电系统中,为了降低成本、提高效率和可靠性,既要使光伏电池输出最大功率,又要使蓄电池正确充放电,同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中,这三者的实现存在矛盾,通常只能兼顾一个方面,例如只追踪光伏电池最大功率点将会放弃蓄电池的最佳充放电,从而限制了系统的效率和寿命。因此我们在选择充电方法时应综合考虑各种因素、使用场合等来设计性能优良的充电控制器。


1充电控制器原理


本文所设计的充电控制器采用了斩波式pWM原理,分两个阶段,第一阶段为快充阶段,第二阶段为pWM阶段(慢充阶段)。


图1所示电路采用斩波式pWM充电原理,检测蓄电池的充电端电压,将检测得到的蓄电池端电压与给定点电压比较,若小于给定电压,斩波器全通,迅速给蓄电池充电;当蓄电池的电压大于给定电压时,则根据比例调整功率管的占空比,充电进入慢充阶段,改善充电特性,防止过充。


2充电电路的设计


充电控制的开关管(斩波管)选用pOWERMOFFETIRF4905。此管是p沟道的MOFFET管,具有小导通电阻,RON=20mΩ,最大通态电流ID=74A(条件温度25℃,VGS=-10V),开关速度快,具有很好的开关性能。当此管栅源电压VGS<-8.0V时,此管作为开关管就有很好的开关性能。又因为此管为p沟道,很容易把基准电压选在一个点上,则系统的可靠性会得到较大提高。


(1)IRF4905MOFFET管的驱动电路的设计在图2所示电路原理图中,Mbr2060是肖特基二极管,其中正向导通压降为0.3V,最大导通电流为20A,完全满足系统要求。此二极管的作用是防反充,也就是当蓄电池电压高于太阳电池电压时,二极管截止,防止了蓄电池向太阳电池反充电。


D52是一个防止蓄电池正负极性反接的保护二极管,即当蓄电池反接时,D52正向导通,电流很大,熔断丝即可烧断,电路断开,从而保护了控制器和蓄电池,提高了系统的可靠性。


图2充电控制电路图单片机(p2.0)给出充电的控制信号,即p2.0=1,NpN型S9013的三极管导通,由于此三极管工作于射极输出状态,其发射极为高电平,Q54(2SD667)NpN三极管导通,由于稳压管D50的作用,使得IRF4905管的栅源电压钳位在-10V,IRF4905管导通,太阳电池向蓄电池充电。反之,前两极三极管均截止VGS=0V,IRF4905管断开,太阳电池不能向蓄电池充电。


3脉宽调制充电子程序流程


脉宽调制子程序完成太阳电池向蓄电池以脉宽调制的方式充电,控制器根据蓄电池的荷电状态来控制白天太阳电池向蓄电池充电,其目的是为了改善充电效果和保护蓄电池,防止蓄电池过充。


具体方案是,当检测到蓄电池的电压小于13.5V时,开关管始终接通,即采取全通充电方式,如果检测到蓄电池电压大于13.5V并小于14.4V时采取脉宽调制方式充电,随着蓄电池电压的增加,脉宽不断的变窄,直到蓄电池端电压上升为14.4V时,脉宽检校为0,停止充电。脉宽调制方式由软件来实现。


我们取脉冲的周期为2ms,MOS管的开关频率为500Hz。


当蓄电池的电压Vbat=14.05V时,其脉宽波形如图4所示。


当蓄电池的电压Vbat=14.22V时,其脉宽波形如图5所示。


4结论


对所设计的充电电路进行了充电实验,验证了电路的预设功能。系统能够有效判断蓄电池的充电状态,并采取相应的充电方式,达到延长蓄电池使用寿命的目的。


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