可再生能源 2006.5( 总第 129 期) 实 用 技 术 一 种 新 型 光 伏 发 电 充 放 电 控 制 器 ( 1.合肥工业大学 电气工程及自动化学院, 安徽 合肥 230009; 2.新疆新能源研究所, 新疆 乌鲁木齐 830011) 张艳红 1, 张崇巍 1, 张 兴 1, 林 闽 2, 吕绍勤 2 摘 要: 介绍了一种以单片机 PIC16F716 为核心的新型光伏发电充放电控制器。该控制器通过太阳能电池板 电压、蓄电池电压、充电电流、环境温度等参数的检测判断, 控制开关管的关断, 来实现充放电控制和保护功能。 与以往的控制器相比, 此控制器的成本低, 可靠性高。 关键词: 太阳能; 控制器; 充放电; 单片机 中图分类号: TP302.1 文献标志码: B 文章编号: 1671- 5292( 2006) 05- 0071- 03 New- type photovoltaic char ge and dischar ge contr oller ZHANG Yan- hong1, ZHANG Chong- wei1, ZHANG Xin1, LIN Min2, LU Shao- qin2 ( 1.School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Graduate School of Xinjiang New Energy Sources, Wulumuqi 830011, China) Abstr act: The paper introduced a kind of new photovoltaic generated electricity charge and dis- charge controller which take PIC16F716 as hardcore. By examination and judgment on the param- eters such as solar panel electric voltage,battery voltage,charge hardcore current, environment tem- perature.and etc., controlled the switch tube breaking,in order to realize the control on charge, dis- charge and protection function. Compared with former controller, the cost of this controller was low, the credibility was high. Key wor ds: solar energy; controller; charge and discharge; one- chip computer 目前, 光伏发电装置在边远地区的通讯、交 通、电力及农牧区得到了广泛应用, 但往往因为充 放电控制不合理, 造成控制器故障较多、维修麻 烦, 影响正常使用。为解决这一问题, 我们研制了 一款电路简单、性能稳定可靠、故障率低的新型光 伏发电充放电控制器。 1 光伏发电充放电控制系统 光伏发电充放电控制系统主要由太阳能电池 板、蓄电池和控制器组成, 其系统框图如图 1 所示。 为了提高控制器的可靠性,采用 PIC 系列的 8 位微控制器作为主控芯片, 其中 PIC16F716 是性 价比很高的芯片, 它通过对太阳能电池板电压、蓄 电池电压、充放电流、环境温度等参数的检测判 断 , 控 制 T1、T2 的 开 通 和 关 断 , 达 到 各 种 控 制 和 保护的功能。 图 1 光伏发电充放电控制系统框图 收稿日期: 2005- 12- 02。 作者简介: 张艳红( 1976- ) , 女, 硕士研究生, 研究方向为光伏技术和控制工程。E- mail: zhangyanhong2929816@sina.com 71 

实 用 技 术 2 控制器的设计 2.1 供电电源 PIC 单片机对电源质量要求十分严格, 只有 波形稳定清晰的电源才能使单片机上电复位, 否 则单片机就不工作。电源直接从蓄电池取电, 经过 7805 稳 压 后, 给 PIC16F716 提 供 5 V 的 工 作 电 压, 其电路如图 2 所示。 2.2 充放电控制 图 2 电源电路 根据蓄电池充放电的特性和整个系统实际的 充放电倍率来选择过充、过放点, 用单片机控制其 充、放电过程较为合适。方案采用 PWM 脉冲调制 控制保护技术, 不仅能有效地保护蓄电池, 防止过 充电现象的发生, 还能快速、平稳地为蓄电池充 电。单片机内置了温度补偿的功能, 充电过程完全 符合 I- U 曲线。所谓 PWM 控制就是控制输出波 形的占空比, 周期并不改变, 通过开关管的导通与 闭合来控制充放电。 蓄电池的充电包含 4 个阶段, 如图 3 所示。 图 3 充电过程曲线 每个阶段依赖于电流、电压的设定值 Eb1, Ib1, Eb2, Ib2, 以恒电流或恒电压充电。第一阶段, 以 Ib1 恒流充电, 当电压达到 Eb1 时转入第二阶段。第二 阶段, 以 Eb1 恒压充电, 随着电池开路电压的提 高, 电流会逐渐变小, 当充电电流达到 Ib2 时, 转入 第三阶段。第三阶段, 以 Ib2 恒流充电, 这时电池电 压进一步提高, 当电压达到 Eb2 时转入第四阶段。 第四阶段, 以 Eb2 恒压充电, 这时电流进一步地逐 渐变小, 达到充电安时数后停止。 72 RENEWABLE ENERGY No.5 2006 (129 Issue in All) 理论上, 蓄电池的过放保护点应根据实际的 放电倍率确定, 而放电倍率由所选用的蓄电池的 特性和放电过程中的平均电流决定。考虑到在实 际当中分散式光伏发电系统的工作电流较小, 在 小功率系统中, 采用了 20 h 的放电率来确定过放 点, 大概在 11.1 V 左右。在大功率系统中, 可考虑 采 用 ABM 型 智 能 放 电 管 理 来 动 态 地 控 制 过 放 点: 通过一个霍尔传感器, 检测放电电流, 根据稳 态时的电压、充电电量的积累等参数, 得到初始容 量, 计算并累计放电量, 根据蓄电池实际的放电速 率自动调整过放保护电压值。 2.3 温度补偿 蓄电池的容量是随温度的变化而变化的, 温 度升高, 蓄电池的容量将增大; 温度降低, 蓄电池 的容量将减小。如果充电电流维持不变, 相应的充 电倍率将改变, 不同的充电率对应着不同的过充 点, 因此, 要采用温度补偿对蓄电池进行保护。单 片机 PIC16F716 通过采样温度参数, 实时检测当 前温度, 使用 NTC 热敏电阻进行温度补偿。根据 国家标准, 温度补偿的范围为 - 3～- 7 mV/℃, 我们 取中间值( - 5 mV/℃) 。通过单片机的软件编程, 采 用查表法实现。不同的温度对应不同的过充点, 其 他点位按照电压差值依次与过充点对应。 2.4 工作原理 因肖特基二极管 STPS2045CT 比普通防反二 极管的管压降低, 造成的电路损耗非常小, 我们用 它来防止蓄电池( B) 向光电池( P) 反向充电, 提高 电路的可靠性。单片机 PIC16F716 控制充、放电 驱动 T1、T2( 图 4) 。 当蓄电池电压处于正常情况下, 单片机控制 的充电驱动 T1 ( IRFZ44) 为高电平, 三极 管 T3 ( C9013) 导 通, MOS 管 T1 截 止, PWM 占 空 比 为 零, 此时太阳能电池向蓄电池恒流充电; 当蓄电池 电压达到 13.6 V 时, 单片机控制的 充 电 驱 动 T1 为高电平时,三极管 T3 导通, MOS 管 T1 截止, 通 过控制占空比, 使 T1 实现通断控制, 此时处于恒 压浮充状态; 当电流下降到某值时, 进行恒流充 电; 当蓄电池电压达到设定的过充点 14.4 V 时, 再进行恒压涓流充电; 涓流小到某一值, 单片机控 制的充电驱动 T1 为低电平,三极管 T3 截止, MOS 管 T1 导通, 此时充电回路通过 MOS 管 T1 进行 短路保护; 当蓄电池电压下降到某设定值时, 三 

可再生能源 2006.5( 总第 129 期) 实 用 技 术 图 4 充、放电电路  极管 T3 重新导通,MOS 管截止, 恢复为正常充电 状态。具体的电流控制值则应该根据系统大小不 同而异。 当蓄电池电压处于正常情况下, 单片机控制 的放电驱动 T2 ( IRFZ44) 为低电平, 三极管 T4 ( C9013) 截止,MOS 管 T2 导通, 此时负载输出正 常; 当蓄电池电压低于设定的过放点时,单片机控 制的放电驱动 T2 为高电平,三极管 T4 导通,MOS 管 T2 截止,此时负载无输出; 当蓄电池电压达到 12.6 V 时, 单片机控制的放电驱动 T2 为低电平, 三极管 T4 截止,MOS 管 T2 导通,此时恢复对负载 供电。 2.5 开关管的选择 考虑到太阳能电池的功率和负载的功率不一 致, 可用不同的 MOS 管做充放电的开关管, 用小 功率的 MOS 管要考虑温度因素, 必要时必须加散 热器。为了提高可靠性, 降低成本, 通过大量的试 验、分析、比较得出: 以 3 A 电流工作, 可选用 IRFZ44, IRF540, IRF530, 50N60 等 MOS 管 , 基 本 不需加散热器; 在 5 A 电流工作, 须加小散热器; 在 8 A 电流工作, 用 2807, 3205, 150, 064 等 MOS 管要加小散热器, 其它 MOS 管要加大散热器, 在 10 A 以上电 流 工 作, 都 应 该 加 大 散 热 器, 2807, 3205, 150, 064MOS 管带载能力较强, 价格高。在 元件选用上, 应根据具体情况加以选择。 2.6 显示电路 此 控 制 器 采 用 2 个 双 色 LED 发 光 二 极 管 , LED1 显示充电状态, LED2 显示放电状态。当蓄 电池电压由低到高变化时, 指示灯由红色、橙色、 绿色的渐变来显示电压高低。充电状态: 当蓄电池 电压高于 13.0 V 时, LED1 显示红色; 当蓄电池电 压在 13.0～13.6 V 之间时, LED1 显示橙色; 当蓄 电池电压高于 14.4 V 时, LED1 显示绿色。放电状 态: 当蓄电池电 压 高 于 11.1 V 时, LED2 显 示 红 色; 当蓄电池电 压 在 12.2～12.6 V 之 间 时, LED2 显示橙色; 当蓄电池电压高于 12.6 V 时, LED2 显 示绿色。两个双色 LED 发光二极管显示非 常 直 观, 取代了以往的多个指示灯。 3 结束语 本文介绍的分散式光伏发电充放电控制器的 基本功能完善,可靠性高,成本较低。控制器结构 简单、紧凑, 控制器电路的静态电流小, 损耗很 低。经过在新疆农牧区的大批量应用表明, 使用 效果良好, 适合在市场推广。 参考文献: [1] GB/T19064- 2003, 家用太阳能光伏电源系统技术条件 和试验方法[S] . [2] 邱关源.电路( 第四版) [M].北京: 高等教育出版社, 2002. [3] 罗 翼.PIC 单片机应用系统开发典型实力[M].北京: 中 国电力出版社, 2005. [4] 陈国先.PIC 单片机原理与接口技术[M].北京: 电子工 业出版社, 2004. 73