智能太阳能充电控制器研究

李 楠，陈 恒，李 森，王 驰，田怀谷

（西京学院 理学院，陕西 西安 710123）

1 总体结构框架

太阳能光伏发电技术，因其转换效率高、无污染、不受地域限制、维护方便、使用寿命长等诸多优点，近年来在世界范围内得到了迅速的应用和发展[1]。随着应用领域的扩展及用户性能需求的不断演变，光伏发电技术的重点也慢慢集中在如何提高光伏电池转换的高效性、可靠性和安全性等方面，所以，光伏系统中关于充电控制器的研究逐渐成为行业研究的重点。目前，光伏充电控制器研究主要集中在充电控制算法的改进和产品功能多样化的拓展方面[2]。

该智能太阳能充电控制器系统由太阳能光伏电池、蓄电池组、STM32单片机、DC-DC变换电路和辅助电路等组成，系统框架如图1所示。

2 系统硬件设计

该项目硬件电路主要由主控电路、蓄电池充电电路、信号采集电路和充电保护电路等部分组成。（1）主控电路设计：选择STM32单片机作为整个充电控制器控制系统的控制芯片，具有性能高效、设计简单且成本低的特点，有较高的稳定性和广泛的实用性。（2）蓄电池充电电路设计：充电电路即为连接光伏电池与蓄电池之间的电路，多用DC电路进行连接，本项目将拟在Buck电路上进行线路拓展。（3）信号采集电路设计：主要包括太阳能电池板电压电流采集电路、蓄电池电压电流采集电路、温度采集电路等，采集的微信号通过模拟电路的转换后传输到单片机中，单片机进行信号处理后通过WiFi模块、云平台将数据实时显示到手机客户端，从而让用户及时获取充电信息。（4）保护电路设计：为了保证充电器的安全性和可靠性[3]，单片机和外围电路进行了过压、过载、反接和短路保护电路设计，相比于传统的模拟电路设计方式，该设计通过单片机进行电压、电流等参数大小的检测和开关器件的控制，具有采样精度高、灵活方便、可靠性高等优点。

3 系统软件设计

3.1 软件算法设计

该项目在软件设计上采用最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法和蓄电池充放电算法来提高蓄电池的充电效率。

3.1.1 MPPT算法设计

太阳能电池板在阳光照度及负载大小等因素的影响下，输出电压和功率值是动态变化的，为了使其控制器从太阳能电池板中获取最大可用功率，该项目在软件设计上引入了MPPT算法，通过改变PWM波的占空比，来实现控制过程中最大功率点的实时追踪。MPPT算法流程如图2所示，其中，V(K)表示太阳能电池板输出电压，V(K－1)表示前一时刻输出电压，I(K)表示输出电流，P(K)表示输出功率，P(K－1)表示前一时刻的输出功率。

图1 系统框架

图2 MPPT算法流程

3.1.2 蓄电池充放电算法设计

由于MPPT作为充电的一个阶段并不能单独使用，通常需要结合浮充充电、均衡充电等充电方式共同完成对蓄电池的充电，因而该项目将MPPT算法与蓄电池充电进行综合，采用阶段性充电的方式进行了充电方法的改进[4]。

阶段性充电过程主要分为：（1）快速充电阶段。由于初始充电阶段，蓄电池电压未达到充满电压的设定值，采用MPPT充电能够以最大的太阳能能量给蓄电池充电，当蓄电池电压达到设定值后，进行恒压充电。（2）维持充电阶段。当蓄电池电压达到维持电压的设定值后，进行恒压方式充电，不再进行MPPT充电，充电电流逐渐下降。（3）浮充充电阶段：蓄电池电量已经充足，因而采用小电流充电的方式进行浮充充电，从而补充电池自放电造成的能量损失，保持电量充足。（4）均衡充电阶段。由于蓄电池在使用过程中会产生电压不均匀现象，通过均衡充电的方式，搅动电解质，以平衡蓄电池电压，从而提高蓄电池的使用寿命。

3.2 手机APP设计

综合考虑开发难度、开发成本、开发周期等因素，本项目手机上位机拟采用易安卓语言进行开发，其中，手机APP上位机主要显示参数包括：电池板电压电流、蓄电池电压电流、负载电压电流、实时功率、充电功率、负载功率等。

4 结语

本文设计了一种智能太阳能充电控制器，采用模块化设计，整个系统由下位机硬件系统和上位机软件系统组成。硬件方面，通过保护电路、采集电路等电路的设计，保障了设备的安全性、可靠性和稳定性[5]；软件方面，通过软件算法的优化，提高了该设备的高效性。该设备契合当下流行的物联网功能，上位机手机APP的搭建拓展了产品功能的多样性，具有很高的实际应用价值与广阔的市场前景。