基於單片機的MPPT太陽能鋰電池充電器

2020-12-05 OFweek維科網

　　摘要： 太陽能電池輸出曲線具有非線性的特點， 傳統太陽能充電器對太陽能電池的利用效率低。文章在經過數學模型分析基礎上， 提出採用改變佔空比使充電電流最大的MPPT 跟蹤策略， 大幅提高太陽能電池利用率。同時通過BUCK電路與SPCE061 單片機對充電過程進行監控， 採用三段式算法保證鋰電池性能， 提高其壽命。最後通過實驗數據對比驗證了該方案的實用性和有效性。

 

　　0 引言

 

　　太陽能的綠色與可再生特性， 使其在低碳和能源緊缺的今日備受關注。鋰電池因比能量高、自放電低的特性， 逐漸取代鉛酸電池成為主流。由目前常用的太陽能電池的輸出特性可知， 太陽能電池在一定的光照度和溫度下， 既非恆流源， 亦非恆壓源， 其最大功率受負載影響。而鋰電池可看作一個小負載電壓源。如不加控制直接將二者連接， 則將太陽能電池的工作電壓箝位於鋰電池工作電壓， 無法高效利用能源。

　　本文採用SPCE061 單片機， 利用MPPT 技術使太陽能電池工作於最大功率點， 並且對鋰電池的充電過程進行控制， 延長鋰電池使用壽命， 保證充電安全。

 

　　1 最大功率點跟蹤技術原理（ Maximum Power Point Tracking 簡稱MPPT）

 

　　太陽能電池有著非線性的光伏特性， 所以即使在同一光照強度下， 由於負載的不同也會輸出不同的功率。

　　其電壓、電流與功率在光照度1 kW/ m2 ， T = 25 ℃條件下的輸出曲線如圖1 所示。其短路電流isc 與開路電壓uoc 由生產商給出， Pmpp為該條件下的最大功率點。

　　由於太陽能電池受到光強、光線入射角度、溫度等多種因素的影響， 最大功率相應改變， 對應最大功率點的輸出電壓、輸出電流和內阻也在不停變化。因此， 需要使用基於PWM 的可調DC/ DC 變換器， 使負載相應改變， 才能使太陽能電池工作在最大功率點上。

 

　　

　　圖1 太陽能電池的典型輸出曲線

 

　　2 電路工作原理

 

　　圖2 示出太陽能充電器的原理框圖。其中微控制器採用凌陽公司生產的SPCE061A 單片機， 該單片機含有7 個10 位ADC（ 模-數轉換器） 並內置了PWM 功能， 大大簡化電路複雜程度， 提高穩定性。電壓採樣電路與電流採樣電路通過ADC 將電壓值與電流值送入MCU， MCU 根據MPPT 算法計算PWM 控制BU CK電路完成對充電過程的控制。

 

　　

　　圖2 整體充電器原理框圖

 

　　圖3 為BUCK 變換器電路。由MOSFET 管Q3、電感L1 與繼流二極體D1 構成典型的BUCK 降壓DC/ DC 變換器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管驅動電路， Uout 輸出至鋰電池正極。

 

　　

　　圖3 BUCK 變換器電路

 

　　圖4 為電流採樣電路。Rsense 用一小阻值精密電阻作為採樣電阻， 通過將電阻兩端電壓使用差分放大器輸送到SPCE061 的A/ D 端進行採樣。為使採樣精確， 避免電源線與地線幹擾， 使用線性光耦HCNR200 進行隔離。

 

　　

　　圖4 電流採樣電路

 

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