基于脉冲宽度调制技术的太阳能充电控制系统

    蓄电池的充电方法很多，例如恒流、恒压、最大功率跟踪充电等。根据蓄电池的不同应用场合，可选择相应的充电方式。

    在光伏利用系统中，太阳电池的输出特性与当时日照、太阳电池表面温度以及负载有关，且具有非线性特性，蓄电池在充电过程中其端电压也在不断发生变化。

    在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏电池输出最大功率，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，通常只能兼顾一个方面，例如只追踪光伏电池最大功率点将会放弃蓄电池的最佳充放电，从而限制了系统的效率和寿命。因此我们在选择充电方法时应综合考虑各种因素、使用场合等来设计性能优良的充电控制器。

    1 充电控制器原理

    本文所设计的充电控制器采用了斩波式PWM原理，分两个阶段，第一阶段为快充阶段，第二阶段为PWM 阶段（慢充阶段）。

    图1所示电路采用斩波式PWM 充电原理，检测蓄电池的充电端电压，将检测得到的蓄电池端电压与给定点电压比较，若小于给定电压，斩波器全通，迅速给蓄电池充电； 当蓄电池的电压大于给定电压时，则根据比例调整功率管的占空比，充电进入慢充阶段，改善充电特性，防止过充。

    2 充电电路的设计

    充电控制的开关管（斩波管）选用POWER MOFFETIRF4905。此管是P 沟道的MOFFET 管， 具有小导通电阻， RON=20mΩ，最大通态电流ID＝74A （条件温度25℃， VGS＝－10V），开关速度快，具有很好的开关性能。当此管栅源电压VGS
    （1）IRF4905 MOFFET 管的驱动电路的设计

    在图2所示电路原理图中，MBR2060 是肖特基二极管，其中正向导通压降为0.3V，最大导通电流为20A， 完全满足系统要求。此二极管的作用是防反充，也就是当蓄电池电压高于太阳电池电压时，二极管截止，防止了蓄电池向太阳电池反充电。

 

    D52 是一个防止蓄电池正负极性反接的保护二极管，即当蓄电池反接时，D52正向导通，电流很大，熔断丝即可烧断，电路断开，从而保护了控制器和蓄电池，提高了系统的可靠性。

    （2）充电过程
单片机（P2.0）给出充电的控制信号，即P2.0=1，NPN 型S9013 的三极管导通，由于此三极管工作于射极输出状态， 其发射极为高电平，Q54 （2SD667）NPN 三极管导通， 由于稳压管D50的作用， 使得IRF4905管的栅源电压钳位在-10V，IRF4905 管导通， 太阳电池向蓄电池充电。反之，前两极三极管均截止VGS=0V，IRF4905 管断开，太阳电池不能向蓄电池充电。

    3 脉宽调制充电子程序流程

    脉宽调制子程序完成太阳电池向蓄电池以脉宽调制的方式充电，控制器根据蓄电池的荷电状态来控制白天太阳电池向蓄电池充电，其目的是为了改善充电效果和保护蓄电池，防止蓄电池过充。

    具体方案是，当检测到蓄电池的电压小于13.5V时，开关管始终接通，即采取全通充电方式，如果检测到蓄电池电压大于13.5V 并小于14.4V 时采取脉宽调制方式充电，随着蓄电池电压的增加，脉宽不断的变窄，直到蓄电池端电压上升为14.4V 时，脉宽检校为0，停止充电。脉宽调制方式由软件来实现。

    我们取脉冲的周期为2ms，MOS管的开关频率为500Hz。

    当蓄电池的电压Vbat=14.05V时， 其脉宽波形如图4所示。

    当蓄电池的电压Vbat=14.22V 时，其脉宽波形如图5所示。

    4 结论

    对所设计的充电电路进行了充电实验， 验证了电路的预设功能。系统能够有效判断蓄电池的充电状态，并采取相应的充电方式，达到延长蓄电池使用寿命的目的。