毕业设计（论文）-蓄电池光伏充放电控制器的设计.docx

1、南阳理工学院本科生毕业设计（论文）蓄电池光伏充放电控制器的设计Design of Photovoltaic Charging and Discharging Controller for Storage Battery总计：毕业设计（论文） 25 页表格：1个插图：19幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）蓄电池光伏充放电控制器的设计Design of Photovoltaic Charging and DischargingController for Storage Battery学 院（系）： 电子与电气工程系 专业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 田润 学号：

2、 097409068 指 导 教 师（职称）： 李鉴 （ 讲师 ） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology蓄电池光伏充放电控制器的设计蓄电池光伏充放电控制器的设计电气工程及其自动化专业 田润摘要能源危机的加剧使得光伏电能的应用越来越受到人们的重视，成为新能源利用的主流之一。本文首先讨论了光伏充放电系统的特点和结构，针对光伏电池电压波动对充电系统带来的影响，进行深入分析，提出了解决办法。其次对光伏充放电系统的硬件结构也进行了深入讨论，完成了主要元器件的选型和参数整定，设计了降压型 BUCK 功率变换回路、MOSFET 驱动电

3、路、PWM 调制电路、电压电流反馈电路以及电压、电流调节器等主要硬件功能模块。采用 PIC16F877A 单片机对系统的工作状态进行综合管理。关键词光伏发电；蓄电池充放电；工程设计法；中断子程序Design of Photovoltaic Charging and Discharging Controller for Storage BatteryElectrical Engineering and Automation Specialty TIAN RunAbstract： Because of the energy crisis, Photovoltaic (PV) power is mo

4、re and more important for people, and it has become one of the mainstream new energy. In this topic, the characteristics of PV charging/discharging system have first been analyzed. The perturbation influence of photovoltaic cell has been analyzed. And then some solutions have been put forward. Then

5、the hardware structure of PV charging/discharging controller has also been deeply discussed in this paper. The main components selection and parameter setting have been finished. The sep-down DC/DC-BUCK circuit, the MOSFET drive circuit, PWM modulator circuit, voltage and current feedback circuit, c

6、urrent and voltage regulator circuit have been designed. This paper adopts PIC16F877A to manage the working state of the system.Key words： PV power generation；battery charging/discharging；engineering design method；interrupt subroutinesII目录1 引言11.1 课题研究的背景及意义11.2 光伏产业与光伏技术国内外现状11.3 本论文主要研究内容22 光伏充放电系

7、统分析32.1 光伏电池阵列特性分析32.2 蓄电池充放电特性分析52.3 光伏充放电控制器的必要性分析62.4 基于 DC/DC 变换的光伏充放电控制器分析73 光伏充电控制系统分析84 光伏充放电控制器硬件设计94.1 预期技术指标与系统容量设计94.2 电路总体设计方案104.3 功率主回路设计124.4 MOSFET 驱动电路设计134.5 电压和电流反馈电路设计144.6 调节器电路设计154.6.1 电流调节器实现164.6.2 电压调节器实现175 光伏充放电控制器软件设计175.1 总体软件流程图185.2 白天状态处理子程序185.3 夜晚状态处理子程序195.4 定时中断处

8、理子程序205.5 程序优化及抗干扰设计21结束语23参考文献24致谢251 引言1.1 课题研究的背景及意义随着能源危机问题的日益凸显，美国、日本以及西欧的许多发达国家政府都纷纷出台了很多有利于太阳能产业发展的针对性政策和法规，并且投入大量的人力、物力和财力以支持光伏能源的利用开发和研究。光伏能源取之不尽、用之不竭，作为一种可再生利用的新能源，得到了广泛的应用。光伏发电与常规发电如煤炭，石油，核能相比有如下的优点：(1) 普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要寻找、运输。(2) 无害性。没有废渣、废料、废气、废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害。(3) 长久性。只要有太阳，就有太阳能，

9、因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。(4) 巨大性。一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。由于光伏能源存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展很快。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源；从近期看， 光伏发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号等的野外电源， 和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。1.2 光伏产业与光伏技术国内外现状太阳能光伏发电产业自 20 世纪 80 年代以来持续高速发展，每年以 30%-40%的速度递增。光伏发电技术的应用在当今世界，特别是在非

10、洲、南美、澳洲及亚洲等各国， 普遍受到重视。尽管利用太阳能光伏发电具有许多优点，但是其发电的价格比常规电力价格高出许多，在电力市场上无法与常规能源进行竞争。20 世纪 90 年代以前，太阳能光伏发电主要应用在边远的农村无电地区以及远距离通讯、光伏水泵等产业领域。为了鼓励光伏能源的开发和利用，各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美日德等西方发达国家为主。美国计划到 2010 年要求发电成本降到 7.7 美分/千瓦时；日本计划到 2010 年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能光伏发电系统；德国政府颁布的“可再生能源法”于 2000 年 4 月 1 日正式生效。此外，

11、意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资进 行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规 模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域。大功率应用如光伏集中发电并网、屋顶光伏电池建筑等发展迅速；中小功率应用如光伏路灯，景观灯，广告等己逐渐成26为市场主力。我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。在 2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。2008 年北京奥运会，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的

12、具体体现。但与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验。光伏技术方面，随着硅工艺技术的提升，光伏电池本身的的成本和发电效率不断的提升。目前光伏电池的发电成本可以达到 24 元/WP，转换效率可达 20%.大规模中长期应用较传统的发电方式优势越发明显。并且近几年来，伴随低功耗、高光通量 LED 技术日趋成熟，各有关部门都纷纷出台了以 LED 灯取代传统的高功耗，低光通量照明设备的政策。对照明功耗要求的降低， 使得装配容量较小蓄电池的光伏系统就可以满足 LED 作为照明

13、负载对能耗的需求，无形中为中小功率光伏系统的应用提供了一个广阔的平台。深圳市不久前就正式发布LED 产业发展规划(2009-2015 年)，争取到 2010 年，深圳市 LED 相关产业年产值达到 280 亿元以上；到 2015 年，深圳市 LED 相关产业年产值达到 1300 亿元以上。如果这些这块市场中适合于光伏充放电系统供电的场合如光伏路灯，景观灯，广告灯等能部分或全部采用光伏系统供电，那么带给光伏市场的经济推动力和价值是非常可观的1。目前，光伏充放电控技术主要的趋势是在光伏电池与蓄电池之间通过 DC/DC 电力变换设备，对光伏电池的输出能量进行电力变换，控制其输送到蓄电池的充电电压、充

14、电电流符合蓄电池的需求，从而保护蓄电池，延长系统的使用寿命。蓄电池光伏充放电控制器国内外均有产品问世。例如德国 STECA 太阳能路灯控制器，北京汇能精电科技有限公司太阳能路灯控制器，哈尔滨格瑞太阳能公司太阳能路灯控制器等。大多数光伏充放电控制器产品是采用脉冲式电压的充电方式对蓄电池进行充电，控制器对功率主回路输出的电压、电流控制性能指标分析与设计稍显不足。国外的控制器多采用专门设计的集成芯片控制，价格昂贵，在性价比上也有欠缺。1.3 本论文主要研究内容介于现有相关资料对光伏充放电控制器的探讨多是以实现某些具体功能为切入点， 并没有对光伏充电系统进行建模分析与计算，忽略了光伏充放电控制器性能指

15、标的优 化设计问题，可能会造成光伏充放电控制器实际运行状况并不理想。针对这一不足， 本文从光伏充放电系统的特点出发，在建立光伏充电系统数学模型的基础上，采用连 续时间系统的工程设计方法，对充电回路进行设计，使得光伏充放电系统的性能指标得到改善。在改善光伏充放电系统性能的基础上，再展开各种功能上的开发。力求完成一种性能良好、功能完善的中小功率光伏充放电系统的软硬件设计。本文对光伏充放电系统的硬件结构也进行了深入讨论，完成了主要元器件的选型和参数整定，设计了降压型 BUCK 功率变换回路、MOSFET 驱动电路、PWM 调制电路、电压电流反馈电路以及电压、电流调节器等主要硬件功能模块。本课题采用

16、PIC16F877A 单片机对系统的工作状态进行综合管理。文中阐述了软件总体设计构架和主要软件功能模块的设计思想。完成了蓄电池充电过充保护、蓄电池过放保护、自动调整充电状态给定、光控负载通断以及设定主要充放电参数等功能的设计。2 光伏充放电系统分析早期的蓄电池光伏充放电系统是不带充放电控制器的，光伏电池通过一个防止反充二极管直接接向蓄电池，当光伏电池电压高于蓄电池电压时，对蓄电池进行充电； 当光伏电池电压低于蓄电池电压时，不充电。通过手动开关的通断对负载进行放电。系统的结构如图 1 所示。图 1 早期蓄电池光伏充放电系统这样一个不带控制器的系统存在着许多的缺点和不足，最主要的有：光伏电池直 接

17、对蓄电池供电，使得蓄电池的充电状态基本上无法得知，对蓄电池的维护极为不利； 负载只能手动控制，实用性非常低。因此，根据光伏充放电系统中固有组成部分光伏 电池，蓄电池自身特性设计光伏充放电控制器是非常必要的。2.1 光伏电池阵列特性分析对光伏电池基本特性的了解是展开光伏充放电控制器设计的前提。由于日照强度、电池温度等都会影响太阳电池的特性，因此需要定义标准测试条件(STC)用于地面测试太阳电池性能。即日照强度为 l000W/m2，光伏电池温度为 250C，太阳辐射光谱为 AM1.5。图 2 是某一光伏电池在上述标准和定义下的 I-U 特性曲线。短路电流 Isc：给定温度、日照强度下所能输出的最大

18、电流；开路电压 Uoc：给定温度、日照强度下所能输出的最大电压。图 2 光伏电池 I-U 曲线在理想情况下，由若干个光伏电池组件按 M 个串联及 N 个并联而构成一个阵列时， 其阵列的电压和单个电池相比提高了 M 倍，而其电流则较单个电池(或单个组件)则增大了 N 倍，其效率仍保持不变，其特性曲线亦仅作相应的增长，单个电池或组件的特性仍保持不变。光伏阵列 I-U 特性曲线如图 3 所示。图 3 光伏阵列 I-U 特性曲线从图 2，图 3 中能够很直观的看出光伏电池的输出电流和电压的一一对应关系。同时也表明光伏电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率；它是一种非线性直流电源，输

19、出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零；输出电流即使在短路状态下不会无穷大而是一个有限值。光伏电池在使用中可以开路，也可以短路。2.2 蓄电池充放电特性分析蓄电池是整个光伏系统能量的存储设备，通过合理的充电控制尽可能延长其使用寿命是光伏充放电控制器最主要的目的之一。研究资料表明：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。所以充电系统的设计是整个光伏充放电控制器设计的重点；放电回路的设计根据不同的负载要求综合考虑，相对宽松。蓄电池的电化学原理不是本论文所要研究的主要内容，掌握蓄电池充电电压

20、、电流外部特性，就可展开对光伏充放电控制器的设计。(1) 传统的蓄电池充电方法恒压充电法：使用恒压源直接为电池充电，它是利用开口蓄电池在充满电时，充电电压突然跃升的现象设计的，因此它只是适用于开口蓄电池，而不能用这种方法为密封蓄电池充电。这种充电方法只考虑电池电压这一单一状态的变化，不能有效的反映电池的整体充电状况。它的起始充电电流过大，往往造成蓄电池的损坏。恒流充电法：使用恒定的电流源为电池充电，充电速率相对来讲都比较低，在恒流充电方式充电后期的充电电流过大，也将对蓄电池是不利的。(2) 本文采用三段充电法以上两种充电方式会在充电的开始或结束阶段对蓄电池产生不利影响。因此本论文采用另一种得到

21、较为广泛认可的三段充电法.对于额定电压 12V 容量为 C 的蓄电池三个阶段充电电压、电流曲线如图 4 所示： 1）恒流充电：当蓄电池端电压低于 14.5V 时，采用恒流充电。该阶段充电电流值为 I，因蓄电池容量而异，一般为 I 为 0.1C 左右，C 为蓄电池组的容量，在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压 14.5V，恒流充电状态终止。蓄电池进入恒压充电阶段。2） 恒压充电：当蓄电池端电压高于 13.8V 时，低于 14.5V 时，采用恒压充电。该阶段充电电压值为 14.5。在恒压充电过程中，随着蓄电池内部的电化学反应，充电电流逐渐减小，即恒压充电时，保持充电电压不变

22、，充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的 1/10 约 0.01C 时，终止恒压充电。蓄电池进入浮充阶段。3） 浮充电：以一个小于恒压充电的电压 13.8V 对蓄电池进行浮充电，该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此时标志着充电过程结束。三段充电方式优点是，充电电流较为理想的逼近理想的充电电流曲线，充电器只需要三种状态的切换，软硬件设计相对简单。图 4 充电曲线原理图2.3 光伏充放电控制器的必要性分析对光伏电池和蓄电池各自特性的分析可知：早期光伏充放电系统结构，对充电来说，只要光伏电池的电压高于蓄电池的端电压，光伏电池就能向蓄电池充电，但蓄电池可能长期处于过冲状态，充

23、电的电压和电流也不稳定，这样对蓄电池的寿命是非常的不利，甚至可能由于蓄电池升温过快带来安全的隐患；对于放电来说，早期不带控制器的光伏系统需要通过手动的通断开关来给负载供电，实用性大大降低。所以，在光伏电池与蓄电池充电回路之间加入蓄电池光伏充放电控制器是非常必要的2。光伏充放电控制器应具备以下的基本功能要求：(1) 防电池过充的功能；(2) 防电池过放的功能；(3) 提供负载防短路与控制的功能；(4) 提供系统工作状态信息给使用者的功能；(5) 控制器本身自耗电要低；(6) 回路压降要低；(7) 防光伏组件或蓄电池反接保护；(8) 防反充保护；(9) 防雷击保护。图 5 所示是一个最基本的充放电

24、控制器原理图。在该电路原理图中，由太阳电池组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。开关 K1，K2 分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分。K1 , K2 的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：当蓄电池充满时断开充电开关 K1，否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关及，否则闭合。开关 K1 ,K2 是广义上的开关，它包括各种开关元件，如各种电子开关、机械式开关等。图 5 基本充放电控制器原理图基本充放电控制器较早期充放电电路而言实现了防蓄电池过充和过放，负载放电自动控制和保护，回路压降低等要求，性能上有了较大的提高。但是它仍然没有解决控制蓄电池充电电压、电

25、流与蓄电池实时需求的匹配问题，不能真正有效的保护蓄电池。2.4 基于 DC/DC 变换的光伏充放电控制器分析为了克服早期充放电电路与基本充放电控制器的缺点，弥补其不足，现在得到普遍认可的技术是借助电力电子器件构成的电力变换电路将光伏电池发出的电能进行电力变换，将光伏电池发出的不稳定的电压，电流转换为适合供蓄电池充电使用需求的电压，电流。基于 DC/DC 变换电路的光伏充放电控制器结构如图 6 所示。图中反馈采样电路省略未示出。基于 DC/DC 变换电路的光伏充放电控制器的工作过程为：光伏电池输出的能量送入 DC/DC 变换电路，电路控制电路根据对蓄电池充电的设计需求控制 DC/DC 变换输出一

26、定的电压或电流，对蓄电池充电。以上控制电路的实现方式可借助单片机监控整个 系统运行状态，结合内部程序的控制算法，通过软硬件协作完成，从而保护了蓄电池， 实现对光伏电池电能的优化控制输出。图 6 基于 DC/DC 变换的光伏充放电控制器结构通过合理设计外围辅助电路，一个完备的 DC/DC 光伏充放电控制器可以具备光伏充放电控制器要求的所有功能要求。虽然增加了电路设计的复杂度，但就目前的技术来说，此方案较早期充放电电路与基本充放电控制器对蓄电池的保护上具有十分明显的优势。因此本文决定采用基于 DC/DC 变换电路方式，展开对光伏充放电控制器的设计。3 光伏充电控制系统分析通过之前的分析，蓄电池充电

27、回路的设计是整个充放电控制系统的重点。本论文采用 DC/DC 变换电路作为光伏充放电控制器的充电功率主回路。对 DC/DC 变换电路的电压、电流控制是一个典型的双环反馈控制系统。由两个环构成，内环是电流环，外环是电压环。其设计思路是：按照连续系统的工程设计方法，首先设计电流环中的电流调节器，然后将电流环简化成电压环中的一个环节，和其他环节一起构成外环电压调节器的控制对象，电压环的输出作为电流环的给定，用电压控制电流3。这种逐环设计的优点是：(1) 每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性；(2) 电压环对象参数变化或受到扰动时，电流反馈起到及时的抑制作用，从而对电压环的工作影响小；(

28、3) 每个环都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。其基本原理如图 7 所示。图 7 基于 DC/DC 变换充电回路控制系统框图DC/DC 变换电路有升压(BOOST)型、降压(BUCK)型、升降压(BUCK-BOOST 或 CUCK)型， 具体选择哪一种要根据光伏组件电压、蓄电池电压和负载工作电压来确定。光伏系统中小功率蓄电池充放电用 DC/DC 变换器一般采用结构较为简单的 BUCK 型或 BOOST 型电路，其具有较高的转换效率。本论文选择采用 BUCK 结构。因为考虑到在 BUCK 变换器输入侧电压高，电流较小， 可以相应地降低开关管导通时的电流，减少开关管的导通损耗和因此而产生的热量

29、，对系统的稳定运行有利。BUCK 变换器属于串联型开关变换器，又称为降压变换器，由电压源、串联开关、电感器、电容器和续流二极管构成，其结构如图 8 所示。图 8 BUCK 变换器结构图以一定占空比 PWM 信号控制开关管 T(MOSFET)的通断。当 T 接通时，电容 C 通过 L 电感被充电，电感也吸收了能量。当 T 断开时，电感 L 特性决定其要保持电流不能跳变，从而导致电流流过二极管 DZ、电感 L，电容 C，负载 R,这是一个 BUCK 变换器的工作周期。如果减少占空比，开通时间减少，断开时间增加，则输出电压也将下降。反之输出电压增加。在占空比为 50%时，BUCK 变换器的效率最高。

30、BUCK 变换器的缺点是电源的电流输出的断续的，为了克服这个不足，光伏电池两端并上电容 C，稳定光伏电池的工作点。BUCK 变换器在电感电流连续时，输出表达式为：V0 = DVIN = tON VINTS(1)公式（1）中，Ts 为开关控制周期；tON 为开关管 T 导通时间；D 为开关管 T 的通断占空比；VIN 为光伏电池送入到 BUCK 变换器电压；VO 为 BUCK 变换器输出电压。由此可知，BUCK 变换器是一个可控系统。控制改变 PWM 信号的占空比，就可以控制改变开关管 T 的通断，进而就可以控制改变输出电压或电流。引入负反馈后控制 PWM 信号的占空比就可以实现控制 BUCK

31、变换器输出电压或电流到给定值。4 光伏充放电控制器硬件设计本章依据光伏充放电控制器的性能指标与电路功能的要求，展开对光伏充放电控制器硬件设计。4.1 预期技术指标与系统容量设计本论文光伏充放电控制器预期的技术指标如表 1 所示。表 1 光伏充放电控制器的技术指标太阳能电池一路蓄电池一组 12V蓄电池过充电压DC14.5V0.2VPWM 启动电压DC15V蓄电池过放电压DC10.80.2V蓄电池过放恢复电压DC13.3V输出电压范围DC10.8-14.5V最大输出电流5A充电回路控制方式PWM 脉宽调制放电回路控制方式电子开关以本论文光伏充放电控制器控制高效 LED 负载组成 60W 中小功率光伏系统为例， 说明光伏系统容量匹配设计方法。考虑到光伏系统的特殊性