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基于PWM的太陽能充電控制系統

鉅大LARGE  |  點擊量:2419次  |  2019年11月12日  

在獨立太陽能發電系統中,為了降低成本、提高效率和可靠性,既要使光伏電池輸出最大功率,又要使蓄電池正確充放電,同時還要最大限度地利用所發電能。在目前的光伏系統中,這三者的實現存在矛盾,通常只能兼顧一個方面,例如只追蹤光伏電池最大功率點將會放棄蓄電池的最佳充放電,從而限制了系統的效率和壽命。因此我們在選擇充電方法時應綜合考慮各種因素、使用場合等來設計性能優良的充電控制器。


1充電控制器原理


本文所設計的充電控制器采用了斬波式pWM原理,分兩個階段,第一階段為快充階段,第二階段為pWM階段(慢充階段)。


圖1所示電路采用斬波式pWM充電原理,檢測蓄電池的充電端電壓,將檢測得到的蓄電池端電壓與給定點電壓比較,若小于給定電壓,斬波器全通,迅速給蓄電池充電;當蓄電池的電壓大于給定電壓時,則根據比例調整功率管的占空比,充電進入慢充階段,改善充電特性,防止過充。


2充電電路的設計


充電控制的開關管(斬波管)選用pOWERMOFFETIRF4905。此管是p溝道的MOFFET管,具有小導通電阻,RON=20mΩ,最大通態電流ID=74A(條件溫度25℃,VGS=-10V),開關速度快,具有很好的開關性能。當此管柵源電壓VGS<-8.0V時,此管作為開關管就有很好的開關性能。又因為此管為p溝道,很容易把基準電壓選在一個點上,則系統的可靠性會得到較大提高。


(1)IRF4905MOFFET管的驅動電路的設計在圖2所示電路原理圖中,Mbr2060是肖特基二極管,其中正向導通壓降為0.3V,最大導通電流為20A,完全滿足系統要求。此二極管的作用是防反充,也就是當蓄電池電壓高于太陽電池電壓時,二極管截止,防止了蓄電池向太陽電池反充電。


D52是一個防止蓄電池正負極性反接的保護二極管,即當蓄電池反接時,D52正向導通,電流很大,熔斷絲即可燒斷,電路斷開,從而保護了控制器和蓄電池,提高了系統的可靠性。


圖2充電控制電路圖單片機(p2.0)給出充電的控制信號,即p2.0=1,NpN型S9013的三極管導通,由于此三極管工作于射極輸出狀態,其發射極為高電平,Q54(2SD667)NpN三極管導通,由于穩壓管D50的作用,使得IRF4905管的柵源電壓鉗位在-10V,IRF4905管導通,太陽電池向蓄電池充電。反之,前兩極三極管均截止VGS=0V,IRF4905管斷開,太陽電池不能向蓄電池充電。


3脈寬調制充電子程序流程


脈寬調制子程序完成太陽電池向蓄電池以脈寬調制的方式充電,控制器根據蓄電池的荷電狀態來控制白天太陽電池向蓄電池充電,其目的是為了改善充電效果和保護蓄電池,防止蓄電池過充。


具體方案是,當檢測到蓄電池的電壓小于13.5V時,開關管始終接通,即采取全通充電方式,如果檢測到蓄電池電壓大于13.5V并小于14.4V時采取脈寬調制方式充電,隨著蓄電池電壓的增加,脈寬不斷的變窄,直到蓄電池端電壓上升為14.4V時,脈寬檢校為0,停止充電。脈寬調制方式由軟件來實現。


我們取脈沖的周期為2ms,MOS管的開關頻率為500Hz。


當蓄電池的電壓Vbat=14.05V時,其脈寬波形如圖4所示。


當蓄電池的電壓Vbat=14.22V時,其脈寬波形如圖5所示。


4結論


對所設計的充電電路進行了充電實驗,驗證了電路的預設功能。系統能夠有效判斷蓄電池的充電狀態,并采取相應的充電方式,達到延長蓄電池使用壽命的目的。


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