太阳能供电铅酸电池充电器设计

太阳能电池的特点

不稳定电压 最大功率点主要受环境温度和太阳光强的影响。在太阳光强不变的情况下,随着温度的升高,光伏电池的开路电压降低,最大输出功率随之降低。当温度不变,太阳光强增加时,光伏电池的开路电压基本不变．短路电流大幅增加,最大输出功率大幅增加。   由于太阳光强和环境温度的变化是一个缓慢的过程,故参数采样无须高实时性,每隔几秒钟采样一次即可满足要求

方案

恒压方案，降压升压稳定到一定电压 三阶段方案（在太阳能电池应用中似乎不需要） MPPT方案 最大功率点，是电压电流乘积最大的点  MPPT需要及时准确地采样电压和电流参数，应该是太阳能电池输出的还是蓄电池的？两者相乘得到当前的充电功率,与前一时刻的充电功率相比较,调节PWM的占空比,从而使光伏电池始终工作在最大功率 点 恒定电压法，CVT  Constant Voltage Tracking ， 在光伏电 池温度一定时， 光伏电池的输出 P-U曲线上最大功 率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。 因此， CVT控制法思路即是将光伏电池输出电压控制在 该电压处， 此时光伏电池在整个工作过程中将近似 工作在最大功率点处 （ 2） 优缺点分析 采用 CVT控制的优点是控制 简单且易实现；系统工作电压具有良好的稳定性。 但其缺点是， MPPT精度差， 系统工作电压的设置对 系统工作效率影响大； 控制的适应性差， 即当系统外 界环境条件改变时， 对最大功率点变化适应性差。 扰动观测法（ Perturbation and Observation method，简称 P&O） （ 1） 原理 P&O法的原理是扰动光伏系统的输 出电压， 判断扰动前后系统输出功率的变化情况， 并 按照使输出功率增加的原则来对系统进行控制。 （ 2） 优缺点分析 采用 P&O法的优点是控制思 路简单，实现较为方便，可实现对最大功率点的跟 踪， 提高系统的利用效率。 但其缺点是， 稳态时， 只能 在最大功率点附近振荡运行；存在着因功率跟踪过 程中非单调性造成的误差； 存在着因 P&O法自身算 法的不严谨， 而在日照强度变化时产生跟踪错误。 导纳增量法 （ Incremental conductance method， 简称 IncCond）  导纳增量法( IncCond) （ 1） 原理 由光伏电池的P-U曲线可以看出，在 最大功率点处有 dP/dU=0，通过简单的数学推导可 以得出在最大功率点处有下式成立： dI/dU = I/U （ 2） 因此， 将式（ 2） 作为判定光伏电池是否工作在最 大功率点的依据， 并对系统进行相应的控制， 即可以 实现对最大功率点的跟踪。 （ 2） 优缺点分析 采用IncCond法的优点是控制 效果好， 控制稳定度高， 不受功率时间曲线的影响。 但其缺点是控制算法较复杂， 对控制系统要求较高。  ④基于梯度变 步长的导纳增量法 （ 2） 优缺点分析 基于梯度变步长的IncCond法 的优点是控制效果好， 且控制稳定度高， 当外部环境 参数变化时， 系统能快速追踪其变化， 不受功率时间 曲线的影响； 在系统启动过程中可实现快速跟踪。 但 其缺点是，在外界环境条件发生改变时， 由于控制作 用较强， 因此输出功率有所波动， 控制算法较复杂。   CVT控制法在外界环境改变时会产生 较大的误差， 甚至跟踪失败， 而其他几种法均能跟踪 最大功率点的漂移。 进一步实验可以看出， 扰动观测 法以及导纳增量法在相同的处理周期下对环境条件 变化的追踪速度较慢，因此不适用于移动式的光伏 发电系统， 如光伏电动车。 而基于梯度变步长的导纳 增量法则能够在外界环境快速变化时迅速跟踪光伏 系统的最大功率点，能够满足移动式光伏发电系统 的需要   MPPT控制的原理实质上是一个动态自寻优过程，通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测，得到当前电池输出功 率，将其与前一时刻功率相比较，然后根据功率与占空比的关系，改变占空比，使其向最大功率点不断靠近，如此反复， 直至达到最大点附近的一个极小区域内。当外界光照强度与温度发生明显改变时，系统会进行再次寻优。     从图2可知，改变脉宽调制信号(Pulse Width Modulation，PWM)的占空比D，实质上是改变了光伏电池的负载。也即使 光伏电池的输出功率点发生改变，从而达到寻找最大功率点的目的。 MPPT控制器通过调整PWwM信号的占空比D，来改变光伏电池的负载，从而实现阻抗匹配的功能。因而，占空比D的大小 决定了光伏电池输出功率P的大小     国内外的一些光伏发电系统对光伏电池的最大功率跟踪控制，一般提出过多种方法，如定电压跟踪法、扰动观察 法、功率回授法和增量电导法等，这些算法的不足在于：未说清从一个最大功率点怎样跟踪到下一个最大功率点；计算量 很大，实现较困难；控制精度差，受外在影响大。本文提出的设计方案进行最大功率点跟踪，可弥补以上不足之处。

太阳能电池板和铅酸电池参数的匹配

的

太阳能电池

光伏组件 买太阳能电池板 光电转换器件,分为非晶硅,强光单晶硅和强光多晶硅,弱光单晶硅和弱光多晶硅,强光多晶硅的光电转换效率达15%, 几十块 开路电压   4.2（V）  工作电压  2.4（V） 太阳能电池充电器 太阳能草坪灯 太阳能小收音机 光电池 光照出电流 PN结的半导体特性 照明 太阳电池将光能转化为直流电能，且太阳电池组件可以通过串并联方式组合得到实际需要的电压。这些特点恰好与LED相匹配，两者结合将获得很高的能源利用率、较高的安全性能和可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明系统，实现十分完美的结合

电池参数

AH，是电流和时间小时的乘积，比如7AH，表示0.7A的电流可以放电10小时 比如 5号碱性电池容量一般为600～700毫安时 7号碱性电池容量一般为300～400毫安时

电池种类

镍镉 优点：长周期寿命 卓越的负载性能 价格经济实惠 缺点：能量密度相对较低 环境不友好 如果不合理运用，会有容量“记忆” 镍氢 优点：比镍镉高30-40%的容量 不易于导致容量“记忆” 环境友好 缺点：有限的周期寿命 有限的负载性能 高自放电 锂离子 优点：高能量密度 自放电相对较低 低维护——不会产生容量“记忆” 缺点：需要保护电路 即使不用，也会老化 原始成本高 锂离子电池的过充电保护点是4.2V，过放电保护点是2.75V，标称电压为3.7V。锂电充满电，大概会是4.2V或者4.3V. 锂电放完电，大概会是3.0V。锂电放电图，是呈抛物线的，4.3V降到3.7V和3.7V降到3.0V，都是变化很快的。惟有3.7V左右的放电时间是最长的，几乎占到了3/4的时间。为什么是3.7V而不是其他？不同的金属电池都有自己的放电电压，与选用的正负电极及电解质溶液的溶质有关，锂电的是3.7V；锌锰电池是1.5V；镍氢电池是1.2V 一次性电池（原电池） 锌-空气电池 碳锌电池 水银电池 锂电池 碱性电池 二次电池（蓄电池） 镍镉电池 镍氢电池 锂离子 铅酸电池 可充电式碱性 电池 镍氢和镍镉电池和区别：  镍氢和镍镉电池的工作电压都是1.2V。但是镍氢的体积比能量比镍镉电池高。根据制作电池的工艺不同的因素，镍镉电池有很强的记忆效应，镍氢的记忆效应很小。同时镍镉电池中含有重金属镉，目前已经禁止使用。但是由于镍镉电池优异的大倍率放电性能，在很多电动工具方面，镍氢电池还不能代替镍镉电池。所以在ROSH标准中就暂时允许镍镉电池用于电动工具领域。 锂电池__和__镍氢电池的区别： 在同样体积下，锂电池比镍氢电池容量大，故其通话、待机时间都比镍氢电池长，售价也比镍氢电池高些。还有，在一般情况下，镍氢电池无法做到随用随充，方便性大大减弱。 锂离子电池的发展是先有锂电池，再发展到锂离子电池的。早期的锂电池负极是用纯锂片。这种锂电很容易起火，造成危险。在此基础之上发展了锂离子电池。锂离子电池负极是石墨。离子传导的是锂离子，而不是金属锂。安全性大大提高。    锂离子电池工作电压为3.7V。体积比能量比镍氢更高。目前锂离子电池有铝壳，钢壳和软包装。在各自不同的领域占有市场。有些市场是共同的，如手机锂电。     但是由于之前一次性电池和镍氢电池的工作电压为1.2～1.5V，两只串连为2.4V～3.0V。大多用电器已经定下了这个工作电压标准。如随身听，收音机等。所以在民用电池这一块，锂电还不能取代镍氢电池。但在后期发展的新用电器，如MP3,MP4，等都采用锂电作为移动电源。     所以镍氢，镍镉，锂离子电池在目前各自的领域是无法被其他电池取代的。

充电器方案

专用IC  MCP73826等 单片机控制 所需：AD转换 采集电压 电流 温度；PWM 单片机通过电压反馈和电流反馈信号，直接利用PWM输出将数字电压信号并转化成模拟电压信号，能够保证控制精度。  利用PWM脉宽调制产生可用软件控制的充电电源稳压器，以适应不同阶段的充电电流的要求 温度传感器对电池温度进行监测，并通过AD转换和相关计算检测电池充电电压和电流，以判断电池到达哪个阶段。使电池具有更长的使用寿命，更有效的充电方法。

充电的阶段

涓流预充—————————————>快充————————————–>恒压 恒流 有助保护电池                 电压上升 直到Vreg            电流递减 低于预设电压门限比如2.4v时        电流上升                    电流占43%

PWM器件

MCP1631/MCP1631V 是一款可用来开发智能电源的高速模拟脉宽调制器（Pulse Width Modulator ，PWM）。当与单片机一起使用时，MCP1631/MCP1631V 控制电源系统的占空比，以提供稳定的输出电压或电流。单片机用来调整输出电压或电流、开关频率和最大占空比，以使得电源系统更智能化，灵活而适用于不同应用需求。 MCP1631/MCP1631V 的典型应用包括可编程开关模式电池充电器，可以对多种特性的电池进行充电，包括配置成单节或多节的锂离子、NiMH、NiCd 和铅酸电池。通过与单片机配合，可用于开发智能 LED 照明驱动、可编程的SEPIC 拓扑电压和电流源。 =============

是什么

最大功率点跟踪，一个DCDC处理

如果是常规供电

直接按三阶段算法， 恒流 恒压和浮冲

畸形适应

前端恒压处理恒压处理，可buck boost或buck-boost

不标准的MPPT

电压反馈法 测量跟踪最大功率点的电压 voltage feedback 将PV输出调节到最大功率点电压上，如何？简单，不精确

MPPT如何实现的

功率跟踪法 Maximum Power Point Tracking, frequently referred to as MPPT, is an electronic system that operates the Photovoltaic (PV) modules in a manner that allows the modules to produce al the power they are capable of. MPPT is not a mechanical tracking system that “physically move the modules to make them point more directly at the sun. MPPT is a fully electronic system that varies the electrical operating point of the modules so that the modules are able to deliver maximum available power. Additional power harvested from the modules is then made available increased battery charge current. MPPT can be used in conjunction with a mechanical tracking system, but the two systems are completely different. 问题：测量电压电流，然后调节什么？选择boost 还是buck 要跟踪最大功率点是不断变化电压电流？ Perturbation and Observation Method (P&O) 干扰观测法（P&O）。该算法的实质是要引入一个小的变化，然后进行观察，并与前 一个状态进行比较，根据比较的结果调节光伏电池的工作点。通过改变光伏电池的输出电压，并实 时地采集光伏电池的输出电压和电流，计算出功率，然后于上一次计算的功率进行比较，如果小于 上一次的值，则说明本次控制使功率输出降低了，应控制使光伏电池的电压按原来相反的方向变化， 如果大于则维持原来增多或减小的方向。如此反复的扰动、观察与比较，使得光伏电池板达到其最 大的功率点。图1 是该算法控制流程图。 由图 1 可以看出，功率值的变化决定下一步变化的方向。如果功率增加，在搜索方向不变如果功率减小，在搜索方向相反，而搜索方向由V（k)是否大于 V（k – 1）决定。在此中引入一 参考电压 Vref，在得到比较结果后，调节参考电压，使它逐渐接近最大功率点电压。 原则是电压 的变化是始终让太阳能 输出功率朝大的方向改 变。即首先让太阳能电 池以某个电压输出 ,测得 其输出功率 ,然后在这个电压基础上增加或减少一定幅值 ,再测量输出功率 ,比较测得的两个功 率值 ,按照以上原则决定下次输出电压是增加或是减少。 而设计的实验电源要能改变内阻 ,并能在负载上反映出最大输出功率 MPPT的电压转换器采用Buck DC／DC转换器，以场效应管作为电子开关器件；采用PWM控制方式，工作频率为20kHz。在场效应管开关的一个周期内，电感的电流是连续的，则Buck DC／DC转换器的降压比等于PWM控制信号的占空比。所 以MPPT的控制策略是通过调整PWM的占空比D来调整Buck DC／DC转换器的降压比，以达到调整发电设备工作电压为最大功率点(MPP)电压的目的。 U2为PIC16C716，自带PWM功能，在20M的主频下，可以产生20KHZ的调制脉冲，并具有A/D功能；U1为IR2110，是国际整流公司的半桥驱动器件，用来悬浮驱动MOS管；U3为双运算放大器。 MPPT采用三个单相桥B1、B2、B3来对发电设备的输出交流电进行整流（如不考虑成本，可以选用三相整流桥），经C5滤波变成直流电压，当系统检测正常后，主回路RL1继电器吸合，单片机的9脚产生的PWM脉冲驱动由Q4、D4、L1、C6、C7组成的Buck DC/DC转换器，进行降压处理。 MPPT在检测到电池充电完成后，由U2的8脚输出一个高电平，来驱动Q3，让设备处于卸荷状态，防止“飞车”等情况出现。 当发电设备的输出电压太高或电瓶严重亏电时，可能会出现大电流充电现象。如使用MPPT后，电池充电电流经R7取样、R13、R14、R15和LM358组成的信号放大器放大后，送至U2的18脚，经A/D转换后，经过逻辑处理可以调小PWM的脉冲宽度，从而达到限流的目的。 为了防止用户在未关闭MPPT情况下，强行拆发电设备的输入线，在Q4全导通情况下再强行接入发电设备的输出线，引起烧毁Q4情况的发生，设计了由R17、R18、R19、R20、LM358组成的比较器电路，如上述情况发生，则强制关闭主回路，从而保护了Q4。 D1、D2、R1、C1组成电源供电回路，经Q1稳压后变成直流12V电源，供给继电器和U1使用；Q2对12V电源进行降压，变成5V电源，供给U2、U3使用。 变换器通过调节控制信号占空比来调节风机和太 阳能板的负载阻抗，同时调节输出功率，所以也称 作负载阻抗调节器或功率调节器。

综合起来：

将第一阶段换成MPPT

现状

理论较多，实践较少 刚开始做MPPT时候的很迷茫，其中大家谈理论比较多，实现方案比较少。