24V/5A太阳能控制器电路设计[图]

0 引言

   能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。目前的世界能源以煤炭、石油和天然气等化石能源为主体。而化石能源是不可再生的资源，并且在生产和消费过程中产生大量污染物，破坏生态环境。
   通过太阳能电池将资源无限、清洁干净的太阳辐射能转化为电能的太阳能光伏发电，是新能源和可再生能源家族中的重要成员之一。
   1 太阳能电池的基本原理及伏安特性
   当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，这种现象称为光生伏打效应。该效应在液态和固态物质中都会发生。但只有在固体中，尤其是在半导体中，才会有较高的转换效率。
   太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，就会在P-N结两边产生电压，使P-N结短路，从而产生电流。这个电流随着光强度的加大而增大，当接受的光强度达到一定数量时，就可以将太阳能电池看成恒流电源。
   对于太阳能电池方阵而言，应按照用户的要求、负载的用电量及技术条件确定太阳能电池组件的串并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定，应考虑蓄电池的均浮充电压、线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响。蓄电池的容量决定其最大充电电流，该数值再结合负载电流，可决定太阳能电池并联数。
   太阳能电池的输出特性图如图1所示，太阳能电池的输出伏安特性曲线是进行系统分析的最重要的技术数据之一。从图1中可以看出，太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性。
   
图1 太阳能电池输出特性
   在光伏系统中，负载的匹配特性决定了系统的工作特性和太阳电池的有效利用率。要想在太阳电池供电系统中得到最大功率，必须跟踪日照强度和环境温度条件，不断改变其负载阻抗的大小，从而达到阵列与负载的最佳匹配，该方法被称为最大功率点跟踪渊MPPT冤法。
   2 小功率太阳能控制器
   图2为小功率太阳能控制器电路结构图，蓄电池和太阳能电池阵列直接耦合， 当白天有阳光时，太阳能电池阵列向蓄电池充电，当夜晚或阴天阳光不足时，蓄电池放电，保证负载不停电。
   
图2 小功率太阳能控制器电路结构
   对于小功率太阳能控制器而言，为节约成本，常用的控制方式为恒定电压跟踪渊CVT冤法，即通过合理选择太阳电池的串并联数，使阵列在最大功率点附近的运行电压近似于蓄电池的端电压，即可获得蓄电池和太阳电池方阵之间的电压最佳匹配。
   3 24V/5A太阳能控制器电路分析
   图3为24V/5A太阳能控制器主回路电路图。该控制器采用单路旁路型充放电控制器形式，即MOSFET管S1并联在太阳能电池阵列的输出端，当蓄电池端电压充到均充电压值时，S1进入脉宽调制状态，避免蓄电池过充。
   图3中Vin+和Vin-连接太阳能电池阵列的输出，Vout+和Vout-连接直流负载，VB和GND连接铅酸蓄电池的正负两端。
   
图3 太阳能控制器主回路电路图
   D1为“防反充二极管”，只有当太阳能电池方阵输出电压高于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天时不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电，起到“防反向充电保护”作用。
   D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通，使蓄电池通过D2短路放电，产生很大电流，快速使保险丝F1烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。
   MOSFET管S2为蓄电池放电开关，在铅酸蓄电池放电时，从保护蓄电池的角度出发，当蓄电池电压小于“过放电压”时，S2截止，切断蓄电池和负载的回路，进行“过放电保护”，避免电池放空，损坏蓄电池。当太阳能电池阵列重新供电，只有当蓄电池电压重新升到浮充电压时，S2才重新导通，接通负载回路。
   需要指出的是，当控制电路切断负载回路后，控制电路仍然要消耗蓄电池能量，因此控制电路要尽量减少电子元器件以降低功耗。出于此目的，该电路采用PHILIPS公司的单片机P87LPC767作为CPU。该单片机是20引脚封装的单片机，基本结构与51系列兼容，适合于许多要求高密度、低成本的场合。其内含4KB的OTP程序存储器和128B的RAM，并且内置4路8位A/D转换器。尤其是工作在100kHz耀4MHz，电源电压为3.3V时，其功耗电流仅为0.044耀1.7mA，非常适合蓄电池供电的系统。
   受体积和成本的限制，以单片机为核心的控制电路电源直接通过蓄电池端电压变换得来，该电路通过图4中的LM317三端可调稳压器变换出单片机的电源电压，控制电路与主回路共地。
   
图4 单片机电源变换电路
   LM317为三端可调正压稳压器，其输出电压范围为1.25耀37V，只需2个外接电阻即可设置输出电压。LM317的输出端Vout和调整端adj之间提供1.25V的基准电压VREF，输出电压满足式（1）。
   
   由于LM317的输入和输出电压差为40V，而对于24V的太阳能控制器，太阳能电池阵列的开路电压有可能达到50V，为避免瞬间过压，在LM317输入端并接稳压管D13进行保护。
   图5为单片机P87LPC767的管脚连接图。电路中单片机的主要功能就是测量蓄电池端电压，进而控制S1和S2的导通状况，保证电路的稳定运行。由于P87LPC767自带8位AD，单片机又与主回路共地，因此采用直接电阻分压测量即可，即电路图5中的VAD1。
   
图5 P87LPC767管脚连接图
   当该控制器负载为路灯时，应具备光控功能，即有太阳光时，S2截止曰夜晚或阴雨天光线不足时，S2导通，路灯照明。由于光线不足时，太阳能电池阵列的输出电压下降显着，因此可通过对其输出电压进行分压测量（VAD2），判断光线情况，作为S2导通和截止的一个判断依据。
   P87LPC767使用P1.7（Fzs）和P1.6（PWM）作为两个MOSFET的栅极控制信号。以S1的控制为例，当P1.6输出高电平时，MOS管S1导通，S1栅极驱动信号vgs1被拉低，S1截止。如图6所示。由于MOSFET的栅极驱动电压不能超过20V，因此当P1.6输出为低电平时，V5截止，蓄电池电压经R9和R13分压后产生S1的驱动信号。S1和S2在主回路中的连接方法可解决其驱动共地问题。
   
图6 MOSFET的驱动电路
   图6 MOSFET的驱动电路，控制器还配置了蓄电池放电容量指示灯，如图7所示。4个发光二极管分别对应蓄电池容量的100%、75%、50%和25%。P87LPC767测量蓄电池端电压后，根据其数值决定4个发光二极管的亮灭情况。需要指出的是，当蓄电池充电时，其端电压与容量没有直接关系，发光二极管的指示没有实际意义，只有当蓄电池放电时，其端电压可以在一定程度上反映电池容量。
   
图7 蓄电池容量指示驱动电路
   4 结语
   提供了一套24V/5A太阳能控制器电路，其成本低廉且性能稳定，具备广泛推广的价值。