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[摘 要]设计了能实现跟踪太阳能最大功率点（MPPT），并对蓄电池充放电进行管理的数字化智能光伏控制器。MPPT的硬件由反激式开关电源实现，使得光伏发电系统的效率最高。开关电源电路同时提供蓄电池充电管理。控制器的控制核心是PIC16单片机，MCU的应用使得硬件电路简单、可靠，便于控制器的调试和升级。此外还设计了蓄电池反接保护、过载保护电路。实驗结果表明，该控制器工作稳定可靠，满足系统要求的技术参数。
[关键词]太阳能；蓄电池；PIC单片机；MPPT
中图分类号：TP39；TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0154-02
1 引言
太阳能是取之不尽用之不绝的清洁能源，承担着解决能源危机的重任。随着世界各国政府对太阳能光伏发电技术的大力支持和光伏行业的科研技术人员的不懈努力，光伏发电技术不断走向成熟。光伏电池存在着两个问题：一方面，太阳能电池的转换效率还不够高，进行最大功率跟踪有重要意义；另一方面，光伏电池的输出特性受温度光照的影响而不稳定，需要进行电源变换后才能被人们使用。离网光伏发电系统需蓄电池存储电能，蓄电池的充电速度和使用寿命是由高效可靠的充放电控制器来保证的。本文对小功率光伏发电系统中不可或缺的光伏控制器进行分析，并制作出了样机，最终通过实验证明，该控制器不但使得太阳能电池板输出的功率最大，并且实现了对蓄电池充放电过程的有效管理，提升了蓄电池的充电速度、延长了蓄电池的使用寿命。
2 MPPT与蓄电池充放电
由于太阳能电池输出电压和电流之间是非线性的，最大功率点的轨迹是一条曲线[1]。为了使得太阳能输出功率最大必须设计最大功率跟踪单元，跟随最大功率点的轨迹。MPPT就是这样使得负载阻抗自动跟踪最大功率点的电气单元电路，其工作原理如图1所示。MPPT的基本控制原理是对太阳能电池的输出电压和电流进行精确采样，电压电流相乘得到太阳能电池板的当前输出功率，当前输出功率与MCU记忆功率比较，MCU根据比较的结果改变控制MPPT硬件电路的PWM信号。由于本系统采用PIC单片机作为控制核心，MPPT的算法都是由软件实现的。目前常用的MPPT控制算法有：定电压跟踪法、扰动观察法、功率回授法、增量电导法及模糊控制算法。
蓄电池在光伏发电系统中起着存储电能并稳定输出电压的作用。蓄电池的充放电管理对蓄电池的充电速度、使用寿命均起着至关重要的作用。美国人J.A.Mass于1967年提出了蓄电池快速充电理论，当充电电流与充电时间的关系为时充电速度最快。如果一直以恒定电流充电则充到时刻后，只会电解更多的水，析出气体大量增多，不但不能实现快速充电，还会给蓄电池带来伤害，缩短蓄电池的使用寿命。为了实现快速充电并使蓄电池工作在最佳状态，本文采用先进的4阶段充电法。四阶段充电法的基本思想是：第1阶段蓄电池的放电终了电压较低，为了防止蓄电池充电电流太大损伤蓄电池，先进行一段时间的涓流充电；蓄电池的电压随着充电时间的推移会逐渐上升到门槛电压，此时根据蓄电池的充电特性曲线，施加一个蓄电池能接受的恒定电流进行恒流充电，能达到快速充电的目的；当蓄电池的电压上升到过充电电压时，施加一个略大于过充电电压的电压，使得蓄电池的充电容量达到最大，为独立光伏发电系统提供足够的能量储备；最后，由于蓄电池的自损耗或者带负载放电，此时PIC单片机软件根据采样得到的温度，设定一个带温度补偿功能的充电电压，蓄电池进入浮充阶段。四个阶段充电是重复执行的，当蓄电池的电压值降到某个值时，蓄电池充放电软件设计中让蓄电池进入对应的充电阶段。比如蓄电池电压下降到门槛电压蓄电池将进入恒流充电阶段。
3 硬件设计
本控制器的控制核心是PIC单片机，控制器的功能是由硬件和软件配合来实现的如图2 所示。硬件设计只需要满足最基本的需求，硬件设计得到了极大的简化，并且系统的复杂程度降低，更加稳定可靠。
3.1 MPPT硬件设计
MPPT电路一方面接受单片机给出的PWM脉冲信号的控制，实现阻抗匹配，使得太阳能电池的输出功率最大；另一方面管理蓄电池的充电过程。根据太阳能电池的输出特性，太阳能电池输出的电压变化范围较大。同时，实现MPPT控制既要实现降压又要实现升压变换。通过大量实验表明，采用反激式开关电源电路来实现MPPT功能电路简单可靠、控制精度好、速度快，具体电路如图3所示。MPPT电路工作原理是：PIC16F687单片机对蓄电池电压和电流进行采样，计算出太阳能电池板当前输出功率，与预设的功率进行比较，有单片机内部的PWM波生成电路产生PWM信号输出，再由MOSFET驱动电路将单片机输出的5VPWM信号提升到9V，来驱动MOSFET开通和关断。
3.2 单片机供电电路设计
蓄电池的电压相对稳定，整个电路板上的芯片、三极管、运放的供电都可以从蓄电池取点经过稳压后得到供电电源。下面给出单片机和驱动电路的电源电路，如图4所示。电容上的电压为9V作为驱动电路的偏置电源，此处增设一个三极管，能起到防止蓄电池接反的作用，一旦蓄电池接反，三极管截止，电容上不会有电，后面的电路都不会工作。稳压芯片采用7550-1，该芯片有功耗低、压降小、输入电压范围宽、输出电流大、输出电压精度高等优点。
4 软件设计
MPPT的实现采用常用的扰动观察法，扰动观察法具有控制算法简单、降低采样精度要求的优点。扰动观察法是这样实现的：相邻两个采样周期采样计算得到的功率和电压分别求差，得到功率和电压的增量，判断增量是否大于0，若大于0给PWM波占空比一个正增量，若小于0则给PWM波占空比一个负增量。为了降低CPU的负担，MPPT功能由定时器定时数秒中断子程序来实现。图5给出了MPPT中断服务程序流程图。PWM波占空比增量的步长的选择对控制效果有着显著的影响，步长太小控制的速度跟不上，若步长太大速度快但精读不高，合适的步长可在实际样机调试过程中整定。
蓄电池充电按照四阶段充电规则循环充电。程序首先判断是在白天还是晚上，如果有关光伏电池有电压输出进行充电；如果没有光打开负载照明。有光充电分为几个阶段，如果蓄电池电压过高则停止充电保护蓄电池，然后进行四个阶段循环充电。蓄电池充放电程序流程图如图6所示。若负载要求有半载等功能，可以在软件中升级产品的功能。这为产品的升级调试都带来了很大方便。
根据以上的原理、硬件设计、软件设计的分析，制作了一台样机。表1给出了实测数据。为了验证MPPT跟踪的效果即使是在室内光线不是很强的情况下，连续带150W负载24小时，蓄电池的电量一直很满。
5 结束语
本文根据光伏电池的特性曲线和蓄电池充电的可接受曲线，设计了一款不仅能让光伏电池输出功率最大并能有效管理蓄电池的充放电过程的智能光伏控制器。文中详细论述了控制器的工作原理、硬件设计和软件设计，并通过实验验证了该控制器工作稳定可靠。加快了蓄电池的充电速度，延长了蓄电池的使用寿命。
参考文献
[1] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.
[2] 王坚，刘社章.铅酸蓄电池慢脉冲快速充电研究的突破[J].交流与探讨，2009（2）.
[关键词]太阳能；蓄电池；PIC单片机；MPPT
中图分类号：TP39；TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0154-02
1 引言
太阳能是取之不尽用之不绝的清洁能源，承担着解决能源危机的重任。随着世界各国政府对太阳能光伏发电技术的大力支持和光伏行业的科研技术人员的不懈努力，光伏发电技术不断走向成熟。光伏电池存在着两个问题：一方面，太阳能电池的转换效率还不够高，进行最大功率跟踪有重要意义；另一方面，光伏电池的输出特性受温度光照的影响而不稳定，需要进行电源变换后才能被人们使用。离网光伏发电系统需蓄电池存储电能，蓄电池的充电速度和使用寿命是由高效可靠的充放电控制器来保证的。本文对小功率光伏发电系统中不可或缺的光伏控制器进行分析，并制作出了样机，最终通过实验证明，该控制器不但使得太阳能电池板输出的功率最大，并且实现了对蓄电池充放电过程的有效管理，提升了蓄电池的充电速度、延长了蓄电池的使用寿命。
2 MPPT与蓄电池充放电
由于太阳能电池输出电压和电流之间是非线性的，最大功率点的轨迹是一条曲线[1]。为了使得太阳能输出功率最大必须设计最大功率跟踪单元，跟随最大功率点的轨迹。MPPT就是这样使得负载阻抗自动跟踪最大功率点的电气单元电路，其工作原理如图1所示。MPPT的基本控制原理是对太阳能电池的输出电压和电流进行精确采样，电压电流相乘得到太阳能电池板的当前输出功率，当前输出功率与MCU记忆功率比较，MCU根据比较的结果改变控制MPPT硬件电路的PWM信号。由于本系统采用PIC单片机作为控制核心，MPPT的算法都是由软件实现的。目前常用的MPPT控制算法有：定电压跟踪法、扰动观察法、功率回授法、增量电导法及模糊控制算法。
蓄电池在光伏发电系统中起着存储电能并稳定输出电压的作用。蓄电池的充放电管理对蓄电池的充电速度、使用寿命均起着至关重要的作用。美国人J.A.Mass于1967年提出了蓄电池快速充电理论，当充电电流与充电时间的关系为时充电速度最快。如果一直以恒定电流充电则充到时刻后，只会电解更多的水，析出气体大量增多，不但不能实现快速充电，还会给蓄电池带来伤害，缩短蓄电池的使用寿命。为了实现快速充电并使蓄电池工作在最佳状态，本文采用先进的4阶段充电法。四阶段充电法的基本思想是：第1阶段蓄电池的放电终了电压较低，为了防止蓄电池充电电流太大损伤蓄电池，先进行一段时间的涓流充电；蓄电池的电压随着充电时间的推移会逐渐上升到门槛电压，此时根据蓄电池的充电特性曲线，施加一个蓄电池能接受的恒定电流进行恒流充电，能达到快速充电的目的；当蓄电池的电压上升到过充电电压时，施加一个略大于过充电电压的电压，使得蓄电池的充电容量达到最大，为独立光伏发电系统提供足够的能量储备；最后，由于蓄电池的自损耗或者带负载放电，此时PIC单片机软件根据采样得到的温度，设定一个带温度补偿功能的充电电压，蓄电池进入浮充阶段。四个阶段充电是重复执行的，当蓄电池的电压值降到某个值时，蓄电池充放电软件设计中让蓄电池进入对应的充电阶段。比如蓄电池电压下降到门槛电压蓄电池将进入恒流充电阶段。
3 硬件设计
本控制器的控制核心是PIC单片机，控制器的功能是由硬件和软件配合来实现的如图2 所示。硬件设计只需要满足最基本的需求，硬件设计得到了极大的简化，并且系统的复杂程度降低，更加稳定可靠。
3.1 MPPT硬件设计
MPPT电路一方面接受单片机给出的PWM脉冲信号的控制，实现阻抗匹配，使得太阳能电池的输出功率最大；另一方面管理蓄电池的充电过程。根据太阳能电池的输出特性，太阳能电池输出的电压变化范围较大。同时，实现MPPT控制既要实现降压又要实现升压变换。通过大量实验表明，采用反激式开关电源电路来实现MPPT功能电路简单可靠、控制精度好、速度快，具体电路如图3所示。MPPT电路工作原理是：PIC16F687单片机对蓄电池电压和电流进行采样，计算出太阳能电池板当前输出功率，与预设的功率进行比较，有单片机内部的PWM波生成电路产生PWM信号输出，再由MOSFET驱动电路将单片机输出的5VPWM信号提升到9V，来驱动MOSFET开通和关断。
3.2 单片机供电电路设计
蓄电池的电压相对稳定，整个电路板上的芯片、三极管、运放的供电都可以从蓄电池取点经过稳压后得到供电电源。下面给出单片机和驱动电路的电源电路，如图4所示。电容上的电压为9V作为驱动电路的偏置电源，此处增设一个三极管，能起到防止蓄电池接反的作用，一旦蓄电池接反，三极管截止，电容上不会有电，后面的电路都不会工作。稳压芯片采用7550-1，该芯片有功耗低、压降小、输入电压范围宽、输出电流大、输出电压精度高等优点。
4 软件设计
MPPT的实现采用常用的扰动观察法，扰动观察法具有控制算法简单、降低采样精度要求的优点。扰动观察法是这样实现的：相邻两个采样周期采样计算得到的功率和电压分别求差，得到功率和电压的增量，判断增量是否大于0，若大于0给PWM波占空比一个正增量，若小于0则给PWM波占空比一个负增量。为了降低CPU的负担，MPPT功能由定时器定时数秒中断子程序来实现。图5给出了MPPT中断服务程序流程图。PWM波占空比增量的步长的选择对控制效果有着显著的影响，步长太小控制的速度跟不上，若步长太大速度快但精读不高，合适的步长可在实际样机调试过程中整定。
蓄电池充电按照四阶段充电规则循环充电。程序首先判断是在白天还是晚上，如果有关光伏电池有电压输出进行充电；如果没有光打开负载照明。有光充电分为几个阶段，如果蓄电池电压过高则停止充电保护蓄电池，然后进行四个阶段循环充电。蓄电池充放电程序流程图如图6所示。若负载要求有半载等功能，可以在软件中升级产品的功能。这为产品的升级调试都带来了很大方便。
根据以上的原理、硬件设计、软件设计的分析，制作了一台样机。表1给出了实测数据。为了验证MPPT跟踪的效果即使是在室内光线不是很强的情况下，连续带150W负载24小时，蓄电池的电量一直很满。
5 结束语
本文根据光伏电池的特性曲线和蓄电池充电的可接受曲线，设计了一款不仅能让光伏电池输出功率最大并能有效管理蓄电池的充放电过程的智能光伏控制器。文中详细论述了控制器的工作原理、硬件设计和软件设计，并通过实验验证了该控制器工作稳定可靠。加快了蓄电池的充电速度，延长了蓄电池的使用寿命。
参考文献
[1] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.
[2] 王坚，刘社章.铅酸蓄电池慢脉冲快速充电研究的突破[J].交流与探讨，2009（2）.