趙 希

（國網徐州供電公司）

基于ARM的獨立型光伏充電系統(tǒng)研究

趙 希

（國網徐州供電公司）

光伏系統(tǒng)目前的主要問題是電池的轉換效率低且價格昂貴，因此如何在現(xiàn)有的光電轉換技術的基礎上，進一步提高太陽能電池的轉換效率，充分利用光伏陣列所轉換的能量，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。本文從太陽能電池的特性出發(fā)，對于如何提高太陽能電池的能量轉換效率，進行了有益的探討，設計了基于ARM的儲能型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的軟硬件部分。主要包括電源模塊、信號采集模塊、A/D模塊、PWM驅動模塊。在總結分析已有的蓄電池充電方法的前提下，針對光伏系統(tǒng)提出了一種結合MPPT和蓄電池充電的優(yōu)化控制策略，并對實驗數據進行了分析。

ARM；優(yōu)化充電；獨立光伏系統(tǒng)

0 引言

由于光伏電池呈現(xiàn)非線性特性，輸出容易受到太陽光輻射和環(huán)境溫度的影響。通過常規(guī)的充電方法如恒壓、恒流和脈沖充電等都不能滿足系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的目標不僅在充電過程中最大限度地利用光伏陣列的輸出功率，而且要合理充電以減少充電損耗并延長蓄電池的壽命。

對儲能型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)進行較為深入的研究，以移植了VxWorks操作系統(tǒng)內核的S3C44B0x嵌入式微處理器進行控制。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點，目前主要的嵌入式處理器類型有ARM、MIPS、Power PC、6800、386EX、SC-400系列等，其中ARM應用范圍最廣泛?；贏RM內核的處理器以其諸多優(yōu)異性能而成為各類產品中選用最多的處理器之一，以32位處理器作為高性能嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心已經是嵌入式技術發(fā)展的必然趨勢。

本文對儲能型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的軟硬件部分進行了設計。在研究蓄電池各類充電方法的基礎上，提出了一種結合蓄電池充電和MPPT功能的優(yōu)化充電方法。在Tornado集成開發(fā)環(huán)境中編寫應用程序并進行調試。

1 系統(tǒng)軟硬件設計

本節(jié)的主要內容是設計儲能型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充電回路，并進行軟硬件部分的設計。其中DC-DC電路選用Cuk電路，這里就不在贅述。系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。硬件設計主要包括如下模塊：電源模塊、信號采集模塊、LCD顯示模塊、A/D模塊及其PWM驅動模塊?？刂撇糠植捎肧3C44B0x內核芯片。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

外圍電路主要包括電源模塊、信號采集模塊、MOS管驅動模塊和TL494穩(wěn)壓模塊。

1.1 電源模塊

電源模塊的作用是為外圍電路的芯片器件提供電源。由于在外圍電路中需要用到傳感器和74系列元件，所以在電源模塊中包含了MC7805、7815和7915穩(wěn)壓模塊，如圖2所示。這里要注意濾波電解電容的極性連接問題。220V的電壓經過變壓器后接至J1插座，然后經過整流橋接到穩(wěn)壓模塊的輸入端。

圖2 電源模塊

1.2 信號采集模塊

信號采集模塊的作用為測量光伏電池側的電壓和電流、蓄電池側的電壓和電流信號。然后將采集的信號送到S3C44B0x的A/D模塊而后進行處理。電壓信號可以采用簡單的電阻分壓來采集。但是對于蓄電池側而言，由于參考地的問題蓄電池側的電壓為一浮動電壓，所以不能采用電阻分壓進行采集。為了解決這個問題，需用到電壓傳感器。電流信號的采集主要依靠電流傳感器。因為A/D采集信號的范圍為0～2.5V。光伏電池的開路電壓為21.6V，為了滿足A/D采樣的范圍要求，光伏電池電壓需要通過10kΩ和1kΩ電阻進行分壓。

接于蓄電池側的電壓傳感器的連線方式如圖3所示。

圖3 電壓傳感器的連接方式

1.3 PWM生成和MOS管驅動模塊

PWM波通過S3C44B0x的PWM定時器編程產生。兩片TL494需要2路控制信號，其控制信號從S3C44B0x的I/O端口輸出。兩片TL494的輸出信號通過或門74HC32進行或運算，相比于或門74LS32，采用74HC32或門的優(yōu)點在于其是CMOS器件并且兼容TTL電平，或運算的輸出與PWM波又進行一次或運算。然后或運算輸出信號接到驅動模塊IR2110的輸入端。下面對MOS管驅動芯片IR2110[1-2]進行介紹。

IR2110的具體應用電路如圖4所示。

圖4 IR2110的具體應用

1.4 TL494脈寬調制電路

TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于半橋式、全橋式開關電源。TL494用在充電回路中作用是控制第二階段和第三階段的恒壓充電過程。

由于第二階段蓄電池恒壓充電電壓范圍為14.4～15V，本文取為15V。為了將其轉換成A/D采樣范圍內的電壓值，需要經過圖5所示的電路進行轉換。

圖5 蓄電池電壓采集與轉換電路

電壓傳感器HNV025A輸出二次電壓Ui連到TL494的1腳。假設蓄電池電壓為U，一次外接電阻和內阻之和為1.3+0.2=1.5kΩ。一次電流和二次電流比為2500：1000，二次電阻值為200Ω。所以從3端輸出的電壓值為：U／1.5×103×2.5×200 = U／3，LM324的作用是將 U／3的電壓1/2分壓后然后送到A/D采樣端，目的是為了滿足A/D轉換器0～2.5V輸入電壓范圍。

2 蓄電池充電

下面介紹蓄電池充電的普通常規(guī)充電方法，在此基礎上提出一種全新的結合MPPT和蓄電池充電的控制策略。

2.1 恒流充電

恒流充電[3]是用分段恒流的方法進行充電。一般是通過充電裝置自身調整來實現(xiàn)的?？梢匀我膺x擇和調整充電電流，適應性較強，特別適用于小電流長時間充電，也有利于容量恢復較慢的蓄電池充電。缺點是初始充電電流過小，充電后期充電電流又過大，充電時間長、析出氣體多、對極板的沖擊較大、能耗較高、效率較低。

2.2 恒壓充電

恒壓充電是指每只單格蓄電池均以一恒定電壓進行充電。特點是：初始充電電流相當大，蓄電池電動勢和電解液體相對密度上升較快，隨著充電的延續(xù)，充電電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過；充電時間短、能耗低，一般充電4～5h蓄電池即可獲得本身容量的90%～95%。主要缺點為由于初始充電初電流過大，對放電深度過大的蓄電池充電時，會引起初始充電電流急驟上升，易造成被充蓄電池過流或充電設備損壞。

除了上述兩種傳統(tǒng)的方法外，為了縮短充電時間和提高充電的效率，提出了一些新穎的充電方法[4]。包括脈沖快速充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法等。

2.3 優(yōu)化充電方法

由于光伏電池呈現(xiàn)非線性特性，輸出容易受到太陽光輻射和環(huán)境溫度的影響。通過常規(guī)的充電方法如恒壓、恒流和脈沖充電等都不能滿足系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的目標不僅在充電過程中最大限度地利用光伏陣列的輸出功率，而且要合理充電以減少充電損耗并延長蓄電池的壽命。下面介紹在光伏系統(tǒng)中結合MPPT控制和蓄電池充電的一類優(yōu)化充電方法[5－6]，此充電策略分為三個階段。

1）第一階段，剛放電后的蓄電池可接受電能能力強，此時采用MPPT控制算法。換言之也就是在Cuk充電回路中最大程度地利用光伏陣列的輸出功率。在此階段，蓄電池有很強的電流接受能力并且不容易被充壞。這里要注意充電電流要小于0.1C，即0.1×1.2=0.12A。過電流將使電解液溫度升高、極板彎曲變形、活性物質脫落和正極板的腐蝕速度加快。這樣會縮短蓄電池的使用壽命。這一階段需要充到蓄電池額定容量的80%～90%。

2）第二階段采用PI恒壓控制調節(jié)。在這一階段中，隨著蓄電池電動勢的升高電流值在下降。這樣會使電解液溫度降低、溢出的酸霧減少。能提高蓄電池充電過程中的性能、改善電池充電效率。此階段蓄電池需要充到其額定容量的97%以上。

3）第三階段當蓄電池接近充滿時，進入浮沖階段。此階段采用PI恒壓控制調節(jié)，小電流對蓄電池充電以補充自放電造成的電能損耗。

針對上文選定的蓄電池，循環(huán)使用時充電電壓范圍為14.4～15V；作為備用使用時（如應急燈）充電電壓范圍為13.5～13.8V。第二階段恒壓電壓值設為15V，第三階段恒壓電壓值設為13.5V。

主程序的主要功能是控制蓄電池充電過程。第一階段，通過2個I/O端口控制TL494的死區(qū)控制端（4腳）使TL494無脈沖輸出。此時PWM波通過PWM定時器產生。初始占空比設為50%，周期為50μs 。然后通過采集光伏電池的電壓和電流信號進行MPPT控制，MPPT控制算法選用爬山法。第二階段需要利用一片TL494進行恒壓控制，此時S3C44B0x的PWM定時器端口需定義成普通的I/O口并賦0值，另一片TL494控制其無脈沖輸出（I/O口賦1值）。第三階段和第二階段相類似。

充電各階段的轉換可以用充電容量作為判據。對于新蓄電池而言，首先需對其進行放電實驗。本實驗采用12V的直流風扇作為負載，放電截至電壓設定為10.5V。通過電流傳感器對放電電流進行采樣并送至A/D轉換器端口，電流對時間的積分即為放電容量。充電容量的計算與放電容量的計算如出一轍。充電容量可以進行如下近似計算：

由于用到了4路ADC通道，進行一次A/D轉換的時間為10.2 μs，ADC轉換通道時需要的等待時間設為15 μs。所以總的時間為4×（10.2+15）=100.8μs。此時間乘以蓄電池充電電流值，并進行自加運算，這樣可以近似求得蓄電池的充電電量。主程序流程圖如圖6所示。

3 實驗數據分析

最初實驗選取的電流傳感器型號為HNC-03SY，其額定測量電流為3A，二次為電壓信號輸出，由于光伏電池輸出的電流很小，相比于3A的額定測量電流，數值偏差很大。并且二次輸出的電壓信號含有部分的噪聲。MPPT以兩個時刻的功率值進行比較然后進行控制，如果電流傳感器采集出來的信號不能如實反映光伏電池的輸出電流，MPPT控制功能有可能失效。為了解決這一問題，選取型號為QBC0.3A05的電流傳感器，額定測量電流為300mA，二次為電流信號輸出。通過兩次實驗的對比發(fā)現(xiàn)更換電流傳感器之后，光伏電池電流測量的準確度得到了提高。蓄電池放電至10.5V后，其電壓自恢復至11.84V。每隔兩分鐘記錄MPPT充電階段蓄電池電壓和充電電流數據。繪出蓄電池充電特性曲線，如圖7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 蓄電池充電特性曲線

通過第一階段MPPT充電的實驗數據可以得出如下結論：初始充電時，蓄電池接收電流能力較強，所以電壓上升速度比較快。充電中期隨著充電時間的增加，電壓緩慢地增加。充電后期電壓不是穩(wěn)步地上升，存在一個波動的過程。從t=22∶54到t=22∶56時，蓄電池電壓從13.37V突增至14.03V，產生這一問題的原因可能由DC-DC電路的特性所決定。通過實驗數據可以發(fā)現(xiàn)第一階段充電過程中，光伏電池會隨著蓄電池充電電壓的上升不斷調整工作點，使其向最大功率點的方向運動，DC-DC電路能夠最大程度地利用光伏電池的輸出功率。通過第二階段近5h的實測數據可以得到：蓄電池電壓從14.74V開始上升并穩(wěn)定在14.87V。但是充電電流一直處于下降的過程，從51.5mA逐漸下降至31.2mA，這與蓄電池恒壓充電的特性相吻合。從而很好地驗證了TL494恒壓電路設計的正確性。

4 結束語

本文對基于ARM的儲能型獨立光伏充電系統(tǒng)進行研究，首先對儲能型獨立光伏系統(tǒng)外圍電路硬件部分進行設計，主要包括電源模塊、信號采集模塊等模塊。然后對系統(tǒng)的軟件部分進行了設計。

在對比分析既有蓄電池充電方法的優(yōu)劣前提下，針對光伏系統(tǒng)提出了一種結合MPPT和蓄電池充電的全新優(yōu)化控制策略，并對實驗數據進行了分析，實驗數據表明該策略能夠實現(xiàn)對電池儲能裝置的最優(yōu)控制并大幅提升電池充電使用效率。

[1]陶海敏，何湘寧. IR2110在驅動大中功率IGBT模塊中的應用[J].電工技術雜志，2002（9）:1-2.

[2]李宏，張翌. 高性能大功率MOSFET和IGBT驅動IC-IR2110及應用[J].集成電路應用，1991（6）:1-3.

[3]王金勇. 蓄電池幾種充電方法的優(yōu)劣[J]. 設備管理與維修，2003（4）:14.

[4]李俄收，吳文民. 鉛酸蓄電池的充電方法與充電工藝[J]. 電源技術，2004（5）:328-329.

[5]Liu Jianzheng，Wang Jian，Wu Libo. Optimal Control of Solar Energy Combined with MPPT and Battery Charging[C]. ICEMS 2003: 287-288.

[6]AliAl-Mohamad.Efficiency improvements of photovoltaic panels using a Sun-tracking system [J]. Applied Energy，2004（79）: 345-346.