24V/5A太陽能控制器電路設(shè)計(jì)
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需要指出的是,當(dāng)控制電路切斷負(fù)載回路后,控制電路仍然要消耗蓄電池能量,因此控制電路要盡量減少電子元器件以降低功耗。出于此目的,該電路采用PHILIPS 公司的單片機(jī)P87LPC767作為CPU。該單片機(jī)是20 引腳封裝的單片機(jī),基本結(jié)構(gòu)與51 系列兼容,適合于許多要求高密度、低成本的場合。其內(nèi)含4KB的OTP程序存儲(chǔ)器和128B 的RAM,并且內(nèi)置4 路8 位A/D轉(zhuǎn)換器。尤其是工作在100 kHz耀4 MHz,電源電壓為3.3 V時(shí),其功耗電流僅為0.044耀1.7 mA,非常適合蓄電池供電的系統(tǒng)。 受體積和成本的限制,以單片機(jī)為核心的控制電路電源直接通過蓄電池端電壓變換得來,該電路通過圖4 中的LM317 三端可調(diào)穩(wěn)壓器變換出單片機(jī)的電源電壓,控制電路與主回路共地。
圖4 單片機(jī)電源變換電路 LM317 為三端可調(diào)正壓穩(wěn)壓器,其輸出電壓范圍為1.25耀37 V,只需2 個(gè)外接電阻即可設(shè)置輸出電壓。LM317 的輸出端Vout和調(diào)整端adj之間提供1.25 V的基準(zhǔn)電壓VREF,輸出電壓滿足式(1)。
由于LM317 的輸入和輸出電壓差為40 V,而對(duì)于24 V 的太陽能控制器,太陽能電池陣列的開路電壓有可能達(dá)到50 V,為避免瞬間過壓,在LM317 輸入端并接穩(wěn)壓管D13進(jìn)行保護(hù)。 圖5為單片機(jī)P87LPC767的管腳連接圖。電路中單片機(jī)的主要功能就是測量蓄電池端電壓,進(jìn)而控制S1和S2 的導(dǎo)通狀況,保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行。由于P87LPC767 自帶8 位AD,單片機(jī)又與主回路共地,因此采用直接電阻分壓測量即可,即電路圖5 中的VAD1。 圖5 P87LPC767 管腳連接圖 當(dāng)該控制器負(fù)載為路燈時(shí),應(yīng)具備光控功能,即有太陽光時(shí),S2截止曰夜晚或陰雨天光線不足時(shí),S2導(dǎo)通,路燈照明。由于光線不足時(shí),太陽能電池陣列的輸出電壓下降顯著,因此可通過對(duì)其輸出電壓進(jìn)行分壓測量(VAD2),判斷光線情況,作為S2導(dǎo)通和截止的一個(gè)判斷依據(jù)。[!--empirenews.page--] P87LPC767 使用P1.7(Fzs)和P1.6(PWM)作為兩個(gè)MOSFET 的柵極控制信號(hào)。以S1 的控制為例,當(dāng)P1.6 輸出高電平時(shí),MOS 管S1 導(dǎo)通,S1 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)vgs1被拉低,S1截止。如圖6 所示。由于MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓不能超過20 V,因此當(dāng)P1.6 輸出為低電平時(shí),V5 截止,蓄電池電壓經(jīng)R9和R13分壓后產(chǎn)生S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。S1 和S2 在主回路中的連接方法可解決其驅(qū)動(dòng)共地問題。
圖6 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路 圖6 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路,控制器還配置了蓄電池放電容量指示燈,如圖7所示。4 個(gè)發(fā)光二極管分別對(duì)應(yīng)蓄電池容量的100%、75%、50%和25%。P87LPC767 測量蓄電池端電壓后,根據(jù)其數(shù)值決定4 個(gè)發(fā)光二極管的亮滅情況。需要指出的是,當(dāng)蓄電池充電時(shí),其端電壓與容量沒有直接關(guān)系,發(fā)光二極管的指示沒有實(shí)際意義,只有當(dāng)蓄電池放電時(shí),其端電壓可以在一定程度上反映電池容量。
圖7 蓄電池容量指示驅(qū)動(dòng)電路 4 結(jié)語 提供了一套24 V/5 A 太陽能控制器電路,其成本低廉且性能穩(wěn)定,具備廣泛推廣的價(jià)值。
摘要:介紹了太陽能電池的基本原理和伏安特性,提供了一套24V/5 A太陽能控制器的電路。該電路將太陽能電池陣列與蓄電池直接耦合,采用低功耗的單片機(jī)P87LPC767 作為控制電路的核心,實(shí)時(shí)測量蓄電池的端電壓,通過脈寬調(diào)制控制太陽能電池陣列的充電電壓,并通過功率管控制蓄電池與負(fù)載的通斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的放電保護(hù)。
0 引言
能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前的世界能源以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主體。而化石能源是不可再生的資源,并且在生產(chǎn)和消費(fèi)過程中產(chǎn)生大量污染物,破壞生態(tài)環(huán)境。
通過太陽能電池將資源無限、清潔干凈的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的太陽能光伏發(fā)電,是新能源和可再生能源家族中的重要成員之一。
1 太陽能電池的基本原理及伏安特性
當(dāng)物體受到光照時(shí),物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流,這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。該效應(yīng)在液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都會(huì)發(fā)生。但只有在固體中,尤其是在半導(dǎo)體中,才會(huì)有較高的轉(zhuǎn)換效率。
太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件,當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時(shí),就會(huì)在P-N 結(jié)兩邊產(chǎn)生電壓,使P-N 結(jié)短路,從而產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)度的加大而增大,當(dāng)接受的光強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)量時(shí),就可以將太陽能電池看成恒流電源。
對(duì)于太陽能電池方陣而言,應(yīng)按照用戶的要求、負(fù)載的用電量及技術(shù)條件確定太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)由太陽能電池方陣的工作電壓決定,應(yīng)考慮蓄電池的均浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對(duì)太陽能電池的影響。蓄電池的容量決定其最大充電電流,該數(shù)值再結(jié)合負(fù)載電流,可決定太陽能電池并聯(lián)數(shù)。
太陽能電池的輸出特性圖如圖1所示,太陽能電池的輸出伏安特性曲線是進(jìn)行系統(tǒng)分析的最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)之一。從圖1 中可以看出,太陽能電池的伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性。
圖1 太陽能電池輸出特性
在光伏系統(tǒng)中,負(fù)載的匹配特性決定了系統(tǒng)的工作特性和太陽電池的有效利用率。要想在太陽電池供電系統(tǒng)中得到最大功率,必須跟蹤日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件,不斷改變其負(fù)載阻抗的大小,從而達(dá)到陣列與負(fù)載的最佳匹配,該方法被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤淵MPPT冤法。
2 小功率太陽能控制器
圖2 為小功率太陽能控制器電路結(jié)構(gòu)圖,蓄電池和太陽能電池陣列直接耦合, 當(dāng)白天有陽光時(shí),太陽能電池陣列向蓄電池充電,當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時(shí),蓄電池放電,保證負(fù)載不停電。
圖2 小功率太陽能控制器電路結(jié)構(gòu)
對(duì)于小功率太陽能控制器而言,為節(jié)約成本,常用的控制方式為恒定電壓跟蹤淵CVT冤法,即通過合理選擇太陽電池的串并聯(lián)數(shù),使陣列在最大功率點(diǎn)附近的運(yùn)行電壓近似于蓄電池的端電壓,即可獲得蓄電池和太陽電池方陣之間的電壓最佳匹配。[!--empirenews.page--]
3 24V/5A太陽能控制器電路分析
圖3為24 V/5 A 太陽能控制器主回路電路圖。該控制器采用單路旁路型充放電控制器形式,即MOSFET管S1 并聯(lián)在太陽能電池陣列的輸出端,當(dāng)蓄電池端電壓充到均充電壓值時(shí),S1進(jìn)入脈寬調(diào)制狀態(tài),避免蓄電池過充。
圖3 中Vin+和Vin-連接太陽能電池陣列的輸出,Vout+和Vout-連接直流負(fù)載,VB和GND 連接鉛酸蓄電池的正負(fù)兩端。
圖3 太陽能控制器主回路電路圖
D1 為“防反充二極管”,只有當(dāng)太陽能電池方陣輸出電壓高于蓄電池電壓時(shí),D1才能導(dǎo)通,反之D1截止,從而保證夜晚或陰雨天時(shí)不會(huì)出現(xiàn)蓄電池向太陽能電池方陣反向充電,起到“防反向充電保護(hù)”作用。
D2為“防反接二極管”,當(dāng)蓄電池極性接反時(shí),D2 導(dǎo)通,使蓄電池通過D2 短路放電,產(chǎn)生很大電流,快速使保險(xiǎn)絲F1 燒斷,起到“防蓄電池反接保護(hù)”作用。
MOSFET管S2為蓄電池放電開關(guān),在鉛酸蓄電池放電時(shí),從保護(hù)蓄電池的角度出發(fā),當(dāng)蓄電池電壓小于“過放電壓”時(shí),S2截止,切斷蓄電池和負(fù)載的回路,進(jìn)行“過放電保護(hù)”,避免電池放空,損壞蓄電池。當(dāng)太陽能電池陣列重新供電,只有當(dāng)蓄電池電壓重新升到浮充電壓時(shí),S2才重新導(dǎo)通,接通負(fù)載回路。
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