在獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，為了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏電池輸出最大功率，又要使蓄電池正確充放電，同時(shí)還要最大限度地利用所發(fā)電能。在目前的光伏系統(tǒng)中，這三者的實(shí)現(xiàn)存在矛盾，通常只能兼顧一個(gè)方面，例如只追蹤光伏電池最大功率點(diǎn)將會(huì)放棄蓄電池的最佳充放電，從而限制了系統(tǒng)的效率和壽命。因此我們?cè)谶x擇充電方法時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素、使用場(chǎng)合等來設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的充電控制器。
1 充電控制器原理
本文所設(shè)計(jì)的充電控制器采用了斬波式PWM原理，分兩個(gè)階段，第一階段為快充階段，第二階段為PWM 階段(慢充階段)。
圖1所示電路采用斬波式PWM 充電原理，檢測(cè)蓄電池的充電端電壓，將檢測(cè)得到的蓄電池端電壓與給定點(diǎn)電壓比較，若小于給定電壓，斬波器全通，迅速給蓄電池充電; 當(dāng)蓄電池的電壓大于給定電壓時(shí)，則根據(jù)比例調(diào)整功率管的占空比，充電進(jìn)入慢充階段，改善充電特性，防止過充。
2 充電電路的設(shè)計(jì)
充電控制的開關(guān)管(斬波管)選用POWER MOFFETIRF4905。此管是P 溝道的MOFFET 管， 具有小導(dǎo)通電阻， RON=20mΩ，最大通態(tài)電流ID=74A (條件溫度25℃， VGS=-10V)，開關(guān)速度快，具有很好的開關(guān)性能。當(dāng)此管柵源電壓VGS<-8.0V 時(shí)，此管作為開關(guān)管就有很好的開關(guān)性能。又因?yàn)榇斯転镻 溝道，很容易把基準(zhǔn)電壓選在一個(gè)點(diǎn)上， 則系統(tǒng)的可靠性會(huì)得到較大提高。
(1)IRF4905 MOFFET 管的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在圖2所示電路原理圖中，MBR2060 是肖特基二極管，其中正向?qū)▔航禐?.3V，最大導(dǎo)通電流為20A， 完全滿足系統(tǒng)要求。此二極管的作用是防反充，也就是當(dāng)蓄電池電壓高于太陽電池電壓時(shí)，二極管截止，防止了蓄電池向太陽電池反充電。
D52 是一個(gè)防止蓄電池正負(fù)極性反接的保護(hù)二極管，即當(dāng)蓄電池反接時(shí)，D52正向?qū)?，電流很大，熔斷絲即可燒斷，電路斷開，從而保護(hù)了控制器和蓄電池，提高了系統(tǒng)的可靠性。
圖2 充電控制電路圖單片機(jī)(P2.0)給出充電的控制信號(hào)，即P2.0=1，NPN 型S9013 的三極管導(dǎo)通，由于此三極管工作于射極輸出狀態(tài)， 其發(fā)射極為高電平，Q54 (2SD667)NPN 三極管導(dǎo)通， 由于穩(wěn)壓管D50的作用， 使得IRF4905管的柵源電壓鉗位在-10V，IRF4905 管導(dǎo)通， 太陽電池向蓄電池充電。反之，前兩極三極管均截止VGS=0V，IRF4905 管斷開，太陽電池不能向蓄電池充電。
3 脈寬調(diào)制充電子程序流程
脈寬調(diào)制子程序完成太陽電池向蓄電池以脈寬調(diào)制的方式充電，控制器根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)來控制白天太陽電池向蓄電池充電，其目的是為了改善充電效果和保護(hù)蓄電池，防止蓄電池過充。
具體方案是，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓小于13.5V時(shí)，開關(guān)管始終接通，即采取全通充電方式，如果檢測(cè)到蓄電池電壓大于13.5V 并小于14.4V 時(shí)采取脈寬調(diào)制方式充電，隨著蓄電池電壓的增加，脈寬不斷的變窄，直到蓄電池端電壓上升為14.4V 時(shí)，脈寬檢校為0，停止充電。脈寬調(diào)制方式由軟件來實(shí)現(xiàn)。
我們?nèi)∶}沖的周期為2ms，MOS管的開關(guān)頻率為500Hz。
當(dāng)蓄電池的電壓Vbat=14.05V時(shí)， 其脈寬波形如圖4所示。
當(dāng)蓄電池的電壓Vbat=14.22V 時(shí)，其脈寬波形如圖5所示。
4 結(jié)論
對(duì)所設(shè)計(jì)的充電電路進(jìn)行了充電實(shí)驗(yàn)， 驗(yàn)證了電路的預(yù)設(shè)功能。系統(tǒng)能夠有效判斷蓄電池的充電狀態(tài)，并采取相應(yīng)的充電方式，達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池使用壽命的目的。