基于微控制器的光伏充放电控制器设计

基于微控制器的光伏充放电控制器设计

本文介绍了以ne555芯片为核心的新型光束放电控制器的设计，并使用少量外部电路和电压比较器进行充电和放电管理。避免电压和电压损失，有效保护电池。同时,在Multisim环境下搭建充电状态、放电状态、过充电保护状态和过放电保护状态的仿真模型,实现对蓄电池的充放电保护功能。1.光伏充放电控制器硬件电路设计太阳能是地球上最直接、最普遍、最清洁的可再生能源。随着全球能源形势的日益严峻,促使人们改变能源结构,依托高新科技,大规模开发和利用太阳能,实现可持续发展。目前一般通过太阳能电池组件和其他辅助设备将太阳光能直接转化为电能。其中太阳能充放电控制器是整个辅助装置的核心部分,通过反馈信号对蓄电池进行过冲、过放保护,从而延长蓄电池的寿命,提高能源的利用率(胡雨亭,徐文城,基于微控制器的光伏充放电控制器的设计:电气自动化,2013)。目前普遍使用的太阳能光伏充放电控制器一般以降压型BUCK功率变换回路、BOOST电路、MOSFET驱动电路、PWM调制电路为核心,在MATLAB/SIMULINK仿真平台下搭建硬件电路并进行研究(刘星,基于模糊控制的光伏蓄电池充放电控制器的研究与设计:湖北工业大学,2012)。除此之外,利用分立元件与微控制器相结合的设计办法也较为普遍。文献(赵启纯,试议基于微控制器的光伏充放电控制器的设计:电子制作,2014)采用以单片机为控制核心的光伏充放电控制器,通过设置电压上限阈值及下限阈值,在单片机中用程序控制蓄电池的充放电,也可较好地实现对蓄电池充放电的管理。而文献(刘超然,康建军,邬海强,等.海洋型光伏充放电控制器的设计研究:海洋技术学报,2015)以STM32微控制器为核心设计了一台光伏充放电控制器样机,通过改进的变步长的充放电控制算法实现了蓄电池的充放电保护。此外,目前针对光伏充放电控制器的研究中,绝大部分太阳能光伏板位置都是固定的,导致太阳光的吸收效率不高。因此,文献(刘玉敏,高松岩,于镝,等.具有自动跟踪功能的太阳能充放电控制系统:化工自动化及仪表,2017)在PWM调制电路的硬件基础上,设计了一种具有自动跟踪功能的太阳能充放电控制系统,采用单轴跟踪的方式,以光敏电阻代替传感器,在一定时间内,步进电机转动一个角度后,采集此时的光强,将转动一周后采集的数据通过比较来寻找光强最大的位置。这种跟踪方式非常适合小型的太阳能装置,且大大提高了能源利用率。由以上研究可知,现阶段采用的光伏充放电控制器能够对电压进行实时监控并较好地实现充放电管理,但是普遍存在电路结构较为复杂,硬件电路实现成本较高的缺点。因此本文设计了一种以NE555芯片为电路核心的太阳能充放电控制器,能够通过少量外部电路,对蓄电池的充放电进行有效控制和管理,具有结构简单,性能可靠,方便实用的优点。2.蓄电池充分利用的检测网光伏电池的输出电压/电流由于受环境温度和光照强度的影响具有不稳定的特点,若直接将光伏电池板输出端接到负载两端,太阳能的利用率极低,且因为光伏电池输出的不确定性,可能会毁坏器件。因此我们需要将光伏电池板输出的电能存储在蓄电池中,同时对蓄电池的电压电流进行实时监测并实现蓄电池的过冲和过放保护,从而实现电能的充分利用。太阳能充放电控制器的设计思路如图1所示。555定时器的2脚和6脚通过电阻分压的方式采集当前蓄电池的电压,并且与设置的阈值电压相比较,实现持续输出高电平、低电平、高低电平的跳变这三种状态转换,从而决定输出状态(充电状态,放电状态,过冲保护状态,过放保护状态),实现基本的充放电状态转换与逻辑控制。3.构建芯片组成结构太阳能充放电控制器的multisim仿真模型如图2所示,主要由NE555芯片、比较器、继电器及少量外围电路元件组成。此电路的核心是NE555芯片,充分利用其(2)、(5)、(6)三脚之间的电位关系,达到改变(3)脚输出状态,从而控制铅蓄电池充放电的目的。(1)比较器输出的k1结合555芯片的内部结构,由稳压集成块U2将NE555芯片的(5)脚(CON)稳定在2.5V,作为参考电压Uoc。在过充电保护状态下,比较器U3A输出的高电平会触发三极管Q1导通,继电器K1吸合。铅蓄电池通过电阻RL(负载)进行放电,同时LED3点亮,指示正常放电。LED1由于被(7)脚(DIS)内部放电管导通短接,故不亮。当电池电压降至7.5V时,NE555芯片被触发翻转,(3)脚(OUT)输出高电平,Q1截止,K2释放,断开放电回路,进入过放电保护状态。(2)ut输出高电压在过放保护状态下,比较器U5A输出高电平,继电器K3吸合,光伏电池板提供的电压给NE555芯片供电。这时(3)脚OUT输出高电压通过R7对电池进行充电,同时LED2被点亮指示正常放电。充电电流随着压差减小而缓慢减小,实现对铅蓄电池的有效保护。当电池电压充至9.6V(单节电池充至2.4V即认为充满电)时,(6)脚(THR)电压相应升至2.5V,触发NE555翻转复位,(3)脚(OUT)输出低电平,充电结束,灯LED4被点亮,进而再次进入过充电保护状态。(3)低电平保护脚tri电压当铅蓄电池(本文用直流电压源来代替铅蓄电池)电压达到9.6V时,R2的分压导致(2)脚(TRI)电压大于1.25V,R3的分压导致(6)脚(THR)电压大于2.5V,此时(3)脚(OUT)输出为低电平,结束充电。同时比较器U3A采集分压后的铅蓄电池电压,比较后输出高电平,灯LED4点亮,此时处于过充电保护状态。(4)不安装放电回路当铅蓄电池电压降至7.5V时,本文认为到达了电压的下限阈值,此时(2)脚(TRI)电压为1.25V,NE555芯片被触发翻转,(3)脚(OUT)输出高电平,Q1截止,K2释放,断开放电回路,放电结束。此时(7)脚(DIS)内部放电管截止,灯LED1点亮,此时处于过放电保护状态。4.模拟结果分析本文通过在multisim环境下建立太阳能充放电控制器的仿真电路,通过仿真得到以下结果:(1)低电平电压当铅蓄电池电压大于9.6V时,(6)脚(THR)电压上升至2.5V以上,(2)脚(TRI)电压大于1.25V,(3)脚(OUT)输出低电平。同时,比较器U3A比较后输出高电平触发Q1,蓄电池放电,灯LED3、LED4发光指示放电。仿真结果如图3所示。(2)放电保护过程当铅蓄电池电压小于7.5V时,(6)脚(THR)电压降至小于2.5V,(2)(TRI)脚电压小于1.25V,(3)脚(OUT)输出高电平,三极管Q1截止,继电器K2断开,蓄电池结束放电,同时(3)脚(OUT)输出的高电平通过D1和R7给蓄电池充电,灯LED1、LED2发光指示充电。(3)过充电保护状态当铅蓄电池充电至电压大于9.6V时且负载回路断开时,(6)脚(THR)电压升至2.5V以上,(2)脚(TRI)电压大于1.25V,(3)脚(OUT)输出低电平,结束充电。同时比较器U3A输出高电平,单独点亮LED4,此时处于过充电保护状态。仿真结果如图5所示。(4)放电保护状态当铅蓄电池放电至电压小于7.5V且此时由NE555芯片的VCC端作为直流电压源时,(6)脚(THR)电压降至小于2.5V,(2)(TRI)脚电压小于1.25V,(3)脚(OUT)输出高电平,三极管Q1截止,继电器K2断开,(7)脚(DIS)内部放电管截止,LED1单独被点亮,此时处于过放电保护状态。仿真结果如图6所示。5.放电控制器设计本文