基于A(yíng)VR的太陽(yáng)能控制器設計

摘 要：為了控制太陽(yáng)能發(fā)電系統中蓄電池的最優(yōu)充放電，利用低功耗高性能的RISC：?jiǎn)纹瑱CAVR作為控制電路的核心，設計一種可靠性高，性能好的太陽(yáng)能智能控制器，并對控制器的控制原理進(jìn)行詳細分析。測試結果表明，該控制器能正確監控和測量蓄電池的狀態(tài)，充放電效果好，性能可靠，能減少充電損耗，延長(cháng)蓄電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；PWM；控制器；AVR

隨著(zhù)能源危機和環(huán)境污染的加深，太陽(yáng)能的研究和利用受到廣泛的關(guān)注。太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，在太陽(yáng)能的有效利用中，太陽(yáng)能充電是近些年發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項目之一。太陽(yáng)能電池發(fā)電是基于“光生伏打效應”原理，將太陽(yáng)能轉化為電能，利用充電效應將太陽(yáng)輻射直接轉化為電能。它具有永久性、清潔性和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，是其他能源無(wú)法比擬的。

1 太陽(yáng)能控制器的設計
1．1 太陽(yáng)能電池的輸出特性
由它的輸出特性曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1) 可知，太陽(yáng)能電池的伏安特性具有很強的非線(xiàn)性，即當日照強度改變時(shí)，其開(kāi)路電壓不會(huì )有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流會(huì )有相當大的變化，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì )隨之改變。然而當光強度一定時(shí)，電池板輸出的電流一定，可以認為是恒流源。因此，必須研究和設計性能優(yōu)良的太陽(yáng)能發(fā)電控制器，才能更有效地利用太陽(yáng)能。

1．2 系統的硬件結構
太陽(yáng)能控制器硬件結構圖如圖2所示。該控制器以AVR mega 32為控制核心，外圍電路主要由蓄電池電壓及環(huán)境溫度檢測與充放電控制電路、電池板電壓檢測與分組切換電路、負載電流檢測與輸出控制電路、狀態(tài)顯示電路、串口數據上傳和鍵盤(pán)輸入電路構成。

電壓檢測電路用于識別光照的強度和獲取蓄電池端電壓。溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補償。該系統采用PWM方式驅動(dòng)充電電路，控制蓄電池的最優(yōu)充放電。電池板分組切換控制電路用于不同光強度和充電模式下電池板的切換，該系統實(shí)現對3組電池板陣列控制。負載電流檢測電路用于過(guò)流保護及負載功率檢測。狀態(tài)顯示電路用于系統狀態(tài)的顯示，包括電壓、負載狀況及充放電狀態(tài)的顯示。串行口上傳數據電路用于系統運行參數的上傳，實(shí)現遠程監控。鍵盤(pán)輸入電路用于充電模式設定及LCD背光開(kāi)啟。該控制器在有陽(yáng)光時(shí)接通電池板，向蓄電池充電；當夜晚或陰天陽(yáng)光不足時(shí)，蓄電池放電，以保證負載不停電。
1．3 AVR單片機
AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。程序存儲器和數據存儲器可獨立訪(fǎng)問(wèn)的哈佛結構，代碼執行效率高。系統采用的mega 32處理器包含有32 KB片內可編程FLASH程序存儲器；1 KB的E2PROM和2 KBRAM；同時(shí)片內集成了看門(mén)狗；8路10位ADC；3路可編程PWM輸出；具有在線(xiàn)系統編程功能，片內資源豐富，集成度高，使用方便。AVR mega 32可以很方便地實(shí)現外部輸入參數的設置，蓄電池及負載的管理，工作狀態(tài)的指示等。
1．4 蓄電池的充放電控制
閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大，安全和密封性能好，壽命長(cháng)，免維護等優(yōu)點(diǎn)，在光伏系統中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見(jiàn)圖3)可知，蓄電池充電過(guò)程有3個(gè)階段：初期(OA)電壓快速上升；中期(ABC)電壓緩慢上升，延續時(shí)間較長(cháng)；C點(diǎn)開(kāi)始為充電末期，電壓開(kāi)始上升；接近D點(diǎn)時(shí)，蓄電池中的水被電解，應立即停止充電，防止損毀電池。所以對蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長(cháng)期補充電池因自放電而損失的電量。

蓄電池放電過(guò)程主要有三個(gè)階段：開(kāi)始(OE)階段電壓下降較快；中期(EFG)電壓緩慢下降且延續較長(cháng)的時(shí)間；在最后階段G點(diǎn)后，放電電壓急劇下降，應立即停止放電，否則將會(huì )給蓄電池照成不可逆轉的損壞。因此，如果對閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理，不僅充電效率降低，蓄電池的壽命也會(huì )大幅縮短，造成系統運行成本增加。在蓄電池的充放電過(guò)程中，除了設置合適的充放電閾值外，還需要對充放電閾值進(jìn)行適當的溫度補償，并進(jìn)行必要的過(guò)充電和過(guò)放電保護。
根據閥控密封鉛酸蓄電池的特點(diǎn)，控制器利用MCU的PWM功能對蓄電池進(jìn)行充電管理。若太陽(yáng)能電池正常充電時(shí)蓄電池開(kāi)路，控制器將關(guān)斷負載，以保證負載不被損傷；若在夜間或太陽(yáng)能電池不充電時(shí)蓄電池開(kāi)路，由于自身控制器得不到電力，不會(huì )有任何動(dòng)作。當充電電壓高于保護電壓(15 V)時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓(13．2 V)時(shí)，蓄電池進(jìn)人浮充狀態(tài)，當低于維護電壓(13．2 V)后，浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。當蓄電池電壓低于保護電壓(10．8 V)時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負載，以保護蓄電池不受損壞。若出現過(guò)放，應先進(jìn)行提升充電，使蓄電池的電壓恢復到提升電壓后再保持一定時(shí)間，防止蓄電池出現硫化。通過(guò)PWM控制充電電路(智能三階段充電)，可使太陽(yáng)能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統充電效率。