新型太陽(yáng)能充電器的研究與設計
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1引言
目前，在各種光伏電站中，普遍采用太陽(yáng)電池來(lái)收集太陽(yáng)能并將它儲存于蓄電池中以便在需要時(shí)再逆變成220v/50hz交流電供給用戶(hù)使用。然而，在利用太陽(yáng)電池對蓄電池充電的過(guò)程中，由于太陽(yáng)電池輸出特性的非線(xiàn)性，太陽(yáng)電池工作點(diǎn)并不是時(shí)刻處于最大功率點(diǎn)附近，從而造成太陽(yáng)電池能量的浪費。本課題所研制的新型太陽(yáng)能充電器根據太陽(yáng)電池的工作特性——輸出最大功率點(diǎn)處的電壓值在不同日照下基本不變，采用恒壓跟蹤（cvt）方式實(shí)現了對太陽(yáng)電池的最大功率跟蹤，有效地提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也改善了整個(gè)系統的工作性能。
2系統主電路
系統的主電路如圖1所示。
由圖1可知，主電路拓撲結構為buck型變換器，利用脈沖寬度控制芯片tl494的輸出脈沖來(lái)控制主電路功率器件（igbt）的占空比，以改變對蓄電池的充電電流，由此實(shí)現太陽(yáng)電池的恒壓跟蹤，使太陽(yáng)電池的輸出功率接近最大功率。同時(shí)，通過(guò)主電路來(lái)完成對蓄電池電壓、充電電流和太陽(yáng)電池電壓的采集，以便控制電路實(shí)現各種跟蹤和保護功能。
3太陽(yáng)電池的工作特性
圖2為太陽(yáng)電池的工作特性曲線(xiàn)圖。由圖可知，太陽(yáng)電池的工作特性為一組非線(xiàn)性曲線(xiàn)，a、b、c、d、e點(diǎn)為不同日照下的最大輸出功率點(diǎn)，并且對應輸出最大功率點(diǎn)處的電壓值在不同日照下基本不變，根據這一特點(diǎn)，采用恒壓跟蹤方式，利用簡(jiǎn)單的硬件電路基本上就可以實(shí)現太陽(yáng)電池的輸出功率為最大；同時(shí)，由圖2又可知，當蓄電池過(guò)充時(shí)只要使太陽(yáng)電池工作于開(kāi)路狀態(tài)就可以實(shí)現過(guò)充保護。
4系統的控制原理
4．1系統控制框圖
系統的控制框圖如圖3所示。
由圖3可知，本系統采用了經(jīng)典控制理論中的雙閉環(huán)控制方式，其中電流環(huán)為內環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定；并且電壓環(huán)又包含了由蓄電池電壓構成的電路和太陽(yáng)電池電壓構成的電路，兩個(gè)電路分別在電路工作的各個(gè)階段起著(zhù)相應的調節作用。
4．2系統的工作過(guò)程分析
在充電階段，蓄電池電壓構成的電路不起作用，電壓環(huán)僅由太陽(yáng)電池電壓構成的電路組成，此時(shí)，電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定，通過(guò)檢測主電路中蓄電池的的充電電流和給定電流相比較來(lái)改變tl494的輸出脈沖寬度，使太陽(yáng)電池電壓緊緊跟蹤給定電壓，具體表現為：當太陽(yáng)電池電壓大于給定電壓時(shí)，偏差信號經(jīng)過(guò)pi調節后改變給定電流使加到tl494的電流輸入端信號變大，tl494輸出脈沖寬度增加，經(jīng)驅動(dòng)電路放大整形以驅動(dòng)功率器件，使其導通占空比增加，蓄電池充電電流變大，由圖2可知，太陽(yáng)電池電壓下降，電路達到穩態(tài)時(shí)，太陽(yáng)電池電壓等于給定電壓，電流環(huán)的給定亦為穩定值，蓄電池的的充電電流等于給定電流；反之，當太陽(yáng)電池電壓小于給定電壓時(shí)，tl494輸出脈沖寬度減小，經(jīng)驅動(dòng)電路放大整形以驅動(dòng)功率器件，使其導通占空比減小，蓄電池充電電流變小，太陽(yáng)電池工作電壓增加，電路達到穩態(tài)時(shí)太陽(yáng)電池電壓等于給定電壓。
在過(guò)充電階段，兩個(gè)電路均起作用，電壓環(huán)由太陽(yáng)電池電壓構成的電路和蓄電池電壓構成的電路組成，此時(shí)，蓄電池電壓和給定太陽(yáng)電池工作電壓之和大于太陽(yáng)電池實(shí)際工作電壓，偏差信號經(jīng)過(guò)pi調節后加到tl494的電流輸入端，使tl494輸出脈沖寬度減小，蓄電池充電電流變小，由圖2可知，太陽(yáng)電池實(shí)際工作電壓漸漸增大，直到穩態(tài)時(shí)，太陽(yáng)電池工作于開(kāi)路狀態(tài)，蓄電池充電電流為零，從而實(shí)現了過(guò)充保護。
5脈沖寬度調制芯片tl494及其應用
5．1脈沖寬度調制芯片tl494的結構
tl494是美國德州儀器公司的產(chǎn)品，其價(jià)格便宜，容易購得，并且在其內部同時(shí)解決了電流調節器、脈寬調制和最大電流限制，芯片內還設置了一些附加監控保護功能，使得芯片具有較強的抗干擾能力和較高的可靠性，用此芯片構成的控制系統外接元器件較少，結構簡(jiǎn)單。圖4為該芯片的內部結構圖。
由圖4可知，tl494由一個(gè)振蕩器、兩個(gè)比較器、兩個(gè)誤差放大器、一個(gè)觸發(fā)器、雙與門(mén)和雙或非門(mén)、一個(gè)＋5v基準電壓源、兩個(gè)npn輸出晶體管等組成。腳6和腳5外接電阻rt和ct確定了振蕩器產(chǎn)生鋸齒波的頻率fosc
fosc=1/(rtct)
輸出調制脈沖的寬度是由電容ct端的正向鋸齒波和腳3、4輸入的兩個(gè)控制信號綜合比較后確定的。腳13用來(lái)控制輸出模式。腳4為死區時(shí)間控制端。腳1、腳16和腳2、腳15分別為兩個(gè)誤差放大器的同相和非同相輸入端，可以分別接至給定信號和反饋信號，用作電壓和電流調節器，完成系統的閉環(huán)控制，或者用作過(guò)流、過(guò)壓、欠壓和過(guò)熱等比較器，實(shí)現保護功能。腳14為基準電壓端，可為上述調節器和比較器提供參考基準。
5．2tl494的外圍電路組成
tl494的外圍電路組成如圖5所示。
6結語(yǔ)
根據上述控制思想研制的充電器，具有過(guò)充、過(guò)流、過(guò)熱等完善的保護功能；經(jīng)過(guò)長(cháng)期運行，系統顯示出了良好的效果，不僅提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也保護了所使用的蓄電池，在利用綠色能源方面，具有較大的社會(huì )效益。
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