高效光伏充电器的研制

高效光伏充电器的研制

引言
　　在许多太阳能光伏利用系统中均采用蓄电池作为贮能元件，但太阳电池的输出特性与当时日照、太阳电池表面温度以及负载有关，且具有非线性特性，故蓄电池在充电过程中其端电压也在不断的变化。常规太阳电池充电电路如图1所示。图1(a）为目前常用的充电电路，当太阳电池的开路电压高于蓄电池端电压时即对蓄电池充电，这种充电方式简单可靠，但存在如下问题：太阳电池和蓄电池的电压必须严格匹配，例如采用最大功率点电压为16.5V的太阳电池，则只能对12V规格的蓄电池充电，若对6V的蓄电池充电，则由于太阳电池的工作点已远离最佳工作点，尽管其充电电流有所增大，但充电的功率损失很大。如图2所示，对蓄电池充电时太阳电池的输出功率相当于图中apco矩形的面积；当蓄电池的端电压低于12V时(假设为9V)，太阳电池的输出功率为bQdo矩形面积。显然，后者面积小于前者，即太阳电池未能输出最大功率。
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图1（b）所示电路采用斩波式恒压充电原理^［1］，将检测得到的蓄电池端电压，与给定的电压比较，若有误差则调整功率管的占空比，以稳定蓄电池两端的电压。这种充电方式虽然有了改进，但太阳电池的最大功率点受多种因素的影响，也难以保证太阳电池工作在最佳状态

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1　控制策略
　　本文提出一种新型的充电控制器设计，其电路如图3所示。工作原理：将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点。同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，缩短充电时间。

2　硬件实现
　　采用上述控制策略，关键在于乘法运算和寻优过程，采用微处理器可实现上述功能，其硬件结构如图4所示。

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68HC05B6是专门用于工业检测、控制的微处理器，具有8位模数转换和脉宽调制输出功能，可十分方便地计算功率^［3］，电压工作范围很宽，功耗很低。采用霍尔传感器检测太阳电池的电压、电流及蓄电池电压，响应速度为微秒级。主电路斩波功率管采用大功率场效应管IRFP150，为提高充电效率，采用多只功率管并联运行，每只管子的额定参数为100V、41A。续流二极管采用肖特基二极管MBR20100，该管具有通态压降低、开关速度高等特点。功率管的驱动电路采用TLP250，它集光电隔离和快速驱动为一体，可简化电路设计.

3　算法及软件编制
　　当太阳电池所受的日照和环境温度不变时，电池的电流和输出功率的函数关系如图5所示，在太阳电池电流I等于I_Ｍ时阵列的输出功率最大，若能得知P随I变化的确切函数关系，则可利用目标函数的一阶或二阶偏导数进行迭代，求出功率P的最大值，但由于太阳电池的功率受多种因素的影响，在实际的控制系统中不可能得到确切的目标函数表达式，因此必须寻

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求一种直接的算法，本文采用黄金分割法^［2］。设阵列的短路电流为I_SC，最大功率点P_Ｍ处的电流为I_Ｍ，则函数P(I)是区间［0，I_SC］上的单峰函数。在实际的寻优过程中，I受占空比D的制约，图6所示为函数P(D)随占空比D的变化关系。当D＝0时，太阳电池开路，输出功率为零；当D＝1时，斩波功率管直通(类似于图1(a）的情形)。在寻优过程中我们并不知道P随D变化的确切的数学表达式，设［a，b］为迭代区间，对应于占空比D，其最大区间为［0，1］，即取区间的初值为［0，1］，设D_ａ和D_ｂ为迭代区间，ε为误差值，x、y为迭代变量，根据黄金分割法得

x＝D_ａ＋0．382（D_ｂ－D_ａ）

（1）

y＝D_ａ＋0．618（D_ｂ－D_ａ）

（2

将上述x、y的值即占空比作为脉宽调制信号，驱动斩波管，通过电压、电流互感器检测后得到功率P_ｘ和P_ｙ，根据P_ｘ和P_ｙ的值作出如下判断：
　　（a）若P_ｘ＞P_ｙ，则说明最大功率点所对应的占空比D在区间［D_ａ，y］内，令

D_ｂ＝y，y＝x，x＝D_ａ＋D_ｂ－y，P_ｙ＝P_ｘ

　　（b）若P_ｘ＜P_ｙ，则说明最大功率点所对应的占空比D在区间［x，D_ｂ］内，令

D_ａ＝x，x＝y，y＝D_ａ＋D_ｂ－x，P_ｘ＝P_ｙ

　　(c）若P_ｘ＝P_ｙ，则说明最大功率点所对应的占空比D在区间［x，y］内，令

D_ａ＝x　　D_ｂ＝y

再用黄金分割式(1)、(2)计算x、y并计算P_ｘ和P_ｙ，重复上述过程，直至误差值ε＞D_ｂ－D_ａ，则最大功率点所对应的占空比为

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采用0.618方法，每迭代一次，其占空比寻优范围将缩小到原来的0.618倍，因此具有较快的收敛速度，实际运行时则将某一占空比下太阳电池阵列输出功率(由A／D转换得到的电压和电流的乘积得到)与前次功率比较，再作出判断，寻优程序框图略。

4　实验结果
　　采用上述控制策略研制的样机，其性能稳定、可靠，为验证其高效性，采用图7所示电路对两种充电器进行性能比较。设定太阳电池阵列模拟器的输出功率为150W，开路电压41V，填充因子0.75，两个12V、38AH蓄电池串联，在不同辐照度下分别对蓄电池充电，充电时间均为6h

表1

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两种充电方式的充电电量列于表1，可见采用寻优方式的充电器比普通充电器性能优越。另外，采用寻优方式充电，太阳电池阵列和蓄电池之间的匹配变得简单，只要阵列的开路电压大于蓄电池端电压，即能实现充电，并能消除阵列受温度影响而引起的最大功率点的漂移。