基于超級(jí)電容-鉛酸蓄電池混合儲(chǔ)能的太陽(yáng)能充電器設(shè)計(jì)

0 引言

　　近年來(lái)隨著能源短缺問(wèn)題日益突出， 太陽(yáng)能、風(fēng)能等新型無(wú)污染的替代能源應(yīng)用日益受到重視。獨(dú)立型太陽(yáng)能照明系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需鋪設(shè)電纜， 且搭建、攜帶較為方便等特點(diǎn)在照明領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

　　但目前急需解決的有鉛酸蓄電池使用壽命較短及系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足這兩大問(wèn)題。系統(tǒng)儲(chǔ)能元件鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)壽命約三年， 但由于充電方式、存儲(chǔ)方式以及人為等諸多因素的影響導(dǎo)致其使用壽命過(guò)短，需要經(jīng)常更換， 不僅加大了使用成本也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外大部分已使用的系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足， 導(dǎo)致系統(tǒng)太陽(yáng)能板利用率不高； 傳統(tǒng)提高弱光充電能力的方法是采用組態(tài)優(yōu)化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)， 即根據(jù)外界光照強(qiáng)弱采用繼電器控制太陽(yáng)能板組件按照串聯(lián)或并聯(lián)等不同的組合方式給蓄電池充電， 確保太陽(yáng)能板組件輸出電壓始終達(dá)到設(shè)定充電電壓。這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)弱光充電， 但在組態(tài)變化的瞬間， 電路輸出電壓波動(dòng)較大， 影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外， 由于采用繼電器控制， 繼電器的機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)在工作較長(zhǎng)時(shí)間后容易磨損失靈甚至引起誤操作。為了有效提高系統(tǒng)弱光充電能力， 本文采用超級(jí)電容器組及升降壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)弱光條件下有效充電， 并采用UC3909 實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體密封鉛酸蓄電池智能化充電管理， 延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

　　1 鉛酸蓄電池充電特性

　　鉛酸蓄電池的充電特性是由其最大接受充電能力來(lái)體現(xiàn)， 是在保證蓄電池析氣率較低、溫升較低時(shí)所能承受的最大充電電流。其充電特性曲線方程式為：

　　式中， I 為充電電流； I 0為初始最大充電電流； a 為最大接受力比； t 為充電時(shí)間。

　　在實(shí)際的電池充電管理過(guò)程中， 要使蓄電池的充電過(guò)程完全吻合該充電特性曲線存在較大困難。因此本著提高充電效率、保障蓄電池使用壽命、實(shí)現(xiàn)合理有效充電的原則， 參考充電特性曲線， 采用智能控制芯片UC3909 實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體密封鉛酸蓄電池分段充放電控制管理。

　　2 基于UC3909 控制器的四階段充電

　　目前獨(dú)立型太陽(yáng)能照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制器一般采用的是三階段充電方式，即先恒流充電、再恒壓充電、后浮充充電。但由于某些應(yīng)用場(chǎng)合的蓄電池會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)度放電的情況， 如果一開(kāi)始就直接進(jìn)入較大電流充電的恒流充電階段， 容易造成熱失控， 易損壞蓄電池。所以在最開(kāi)始的時(shí)候應(yīng)該采用小電流IT 充電的涓流充電模式， 等蓄電池的端電壓達(dá)到設(shè)定的充電使能電壓UT 時(shí)， 再進(jìn)行恒流充電。UC3909 芯片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個(gè)階段合理充電， 如圖1 所示。

　　圖1 UC3909 的四階段充電曲線

　　狀態(tài)1： 涓流充電。

　　當(dāng)蓄電池電壓低于充電使能電壓UT ， 充電器提供很小的涓流IT 進(jìn)行充電， IT 一般約為0. 01C（ C 為蓄電池容量）狀態(tài)2： 恒流充電。

　　當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到充電使能電壓UT 時(shí)， 充電器提供一個(gè)大電流I BULK 對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電， 這一階段是充電的主要階段， 蓄電池端電壓上升很快， 直至電壓上升到過(guò)壓充電電壓UOC 時(shí)進(jìn)入恒壓充電階段。

　　狀態(tài)3： 恒壓充電。

　　在此階段， 充電器提供一個(gè)略高于蓄電池額定值的電壓UOC進(jìn)行恒壓充電， 電路的充電電流將按指數(shù)規(guī)律逐漸減小， 直至電流大小等于充電終止電流I OCT（約為10 % IBULK ） ， 蓄電池已被充滿(mǎn)， 充電器進(jìn)入浮充充電狀態(tài)。

　　狀態(tài)4： 浮充充電。

　　浮充充電階段， 充電器提供浮充電壓UF 對(duì)蓄電池以很小的浮充電流進(jìn)行充電， 以彌補(bǔ)蓄電池自放電造成的容量損失。同時(shí)由于蓄電池的浮充電壓隨溫度變化而變化， 因此需要選擇與蓄電池相同溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償， 確保在任何溫度下都能以精確的浮充電壓進(jìn)行浮充充電。溫度系數(shù)一般選擇- 3. 5~ - 5 mV/ 。

　　3 充電電路設(shè)計(jì)

　　圖2 所示為基于U C3909 太陽(yáng)能蓄電池充電器電路框圖， 光伏陣列經(jīng)過(guò)電壓電流采樣再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)反饋至單片機(jī)， 單片機(jī)根據(jù)光伏陣列的工作狀況輸出PWM 信號(hào)去驅(qū)動(dòng)PMOS 管， 實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的最大功率跟蹤。超級(jí)電容器組、DC/ DC 變換器、UC3909 用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控鉛酸蓄電池的四階段充電控制， 并利用超級(jí)電容的特性?xún)?yōu)化充放電過(guò)程。本文側(cè)重對(duì)超級(jí)電容器組、U C3909 及DC/ DC 變換器等部分實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控鉛酸蓄電池四階段的充電分析及設(shè)計(jì)。

　　圖2 系統(tǒng)框圖

　　3. 1 UC3909 充電器主要參數(shù)設(shè)計(jì)

　　基于UC3909 的充放電電路如圖3 所示。

　　圖3 基于UC3909的充放電電路

　　根據(jù)UC3909 內(nèi)部集成電路及光伏陣列、超級(jí)電容參數(shù)并結(jié)合閥控鉛酸蓄電池的容量及額定電壓等參數(shù)對(duì)電路各個(gè)部分進(jìn)行合理計(jì)算設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)使用賽特公司生產(chǎn)的12 V， 65 Ah膠體密封鉛酸蓄電池， 根據(jù)廠家提供的蓄電池充電參數(shù)， 浮充電壓UF 取13. 8 V，充電使能電壓UT 取10. 8 V; 過(guò)壓充電電壓UOC 14. 7V; 涓流充電電流I TC 取0. 26 A; 恒流充電電流I BU LK 取系統(tǒng)最大充電電流6. 5 A; 過(guò)充終止電流IOCT 取1 A.

　　根據(jù)以上廠家所提供的蓄電池參數(shù)， 參照UC3909 芯片資料及相關(guān)參考文獻(xiàn)，計(jì)算U C3909 外圍元件參數(shù)， R S1、RS2 、RS3、RS4計(jì)算公式如下：

　　式中， UREF 為UC3909 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2. 3 V.代入相關(guān)值計(jì)算得（ R S1、RS2、RS3、RS4 分別為245 k Ω 、16 kΩ 、53kΩ 、975 kΩ 。

　　另外， 可以根據(jù)流入U(xiǎn) C3909 內(nèi)部電流誤差放大器反向輸出端CA 的固定控制電流ITRCK 、涓流充電電流I T 、恒流充電電流IBULK及過(guò)充終止電流IOCT 計(jì)算得出RG1、RG2 ， R OVC1和ROVC2 ， 其基本計(jì)算公式如下：

　　RSET 取11. 5 k ， 電流采樣電阻RS 取55 m ， 代入式（ 5）、（ 6） 得：

　　ROVC1和R OVC2滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

　　最終ROVC1和ROVC2 分別選取為1 k Ω ， 10 kΩ 。

　　3. 2 鉛酸蓄電池的溫度補(bǔ)償

　　光伏系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池一般與太陽(yáng)能板一起安裝在戶(hù)外， 而周?chē)鷾囟鹊淖兓瘜?duì)鉛酸蓄電池的性能有重大影響， 有研究表明，鉛酸蓄電池的浮充電流對(duì)溫度極為敏感， 溫度每變化10℃， 浮充電流成倍增長(zhǎng)， 對(duì)于本設(shè)計(jì)中用到的蓄電池， 根據(jù)廠家提供的參數(shù)， 同一浮充電流下， 其溫度系數(shù)為- 3. 9 mV/ ℃ ， 也就是說(shuō)如果要防止浮充電流增加， 當(dāng)溫度升高1 時(shí)， 其浮充電壓應(yīng)該降低3. 9 mV ; 同理， 當(dāng)溫度降低1 時(shí)， 其浮充電壓應(yīng)該升高3. 9 mV才能保持浮充電流不變。

　　圖4 鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償電路

　　U C3909 內(nèi)部集成了具有鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償功能的電路如圖4 所示， A1 為電流/ 電壓轉(zhuǎn)換元件， 其輸入端分別接10 kΩ 普通電阻及10 k Ω 熱敏電阻。A2 與外接四個(gè)20 kΩ 電阻組成差動(dòng)運(yùn)算放大電路。RT HM 一般貼附在鉛酸蓄電池的表面殼體用于檢測(cè)其溫度， 當(dāng)鉛酸蓄電池內(nèi)部溫度變化時(shí)， 通過(guò)熱敏電阻RTHM 的反饋使U C3909 的基準(zhǔn)電壓2. 3 V 也隨溫度按- 3. 9 mV/℃ 的溫度系數(shù)變化。從而確保鉛酸蓄電池在浮充狀態(tài)下準(zhǔn)確工作于安全的浮充電壓， 保護(hù)了鉛酸蓄電池。

　　3. 3 DC/ DC變換器設(shè)計(jì)

　　由于光伏陣列受外界環(huán)境影響較大， 本系統(tǒng)中12 V的太陽(yáng)能板輸出電壓的變化范圍約為0~ 20 V，如果直接為鉛酸蓄電池充電， 由于鉛酸蓄電池的正常工作電壓要高于10. 8 V， 因此當(dāng)弱光條件下， 太陽(yáng)能板的輸出電壓低于鉛酸蓄電池的端電壓時(shí)， 其產(chǎn)生的電能不能被鉛酸蓄電池吸收。因此本系統(tǒng)采用把太陽(yáng)能板輸出經(jīng)過(guò)超級(jí)電容器組， 再由超級(jí)電容器組先經(jīng)升降壓后為鉛酸蓄電池充電， 有效增強(qiáng)系統(tǒng)弱光充電能力， 提高利用效率。

　　本設(shè)計(jì)采用升降壓模式， 如圖5 所示， 超級(jí)電容器組接DC/ DC 轉(zhuǎn)換電路的輸入端， 設(shè)定輸入范圍為4. 5~ 20 V， 輸出電壓范圍為10. 8~ 14. 7 V.Q1 由單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)控制， Q2 由UC3909 的5 腳經(jīng)MOS 管驅(qū)動(dòng)電路控制， 5 腳輸出PWM 頻率由UC3909 的18 腳所接電阻RSET 及19 管腳所接電容CT決定， 公式如下：

　　圖5 DC/ DC轉(zhuǎn)換電路

　　UC3909 的工作頻率設(shè)定為200 kH z.同時(shí)在蓄電池的充電回路中還串接電流采樣電阻RS ， RS兩端的電壓信號(hào)作為U C3909 芯片內(nèi)部電流采樣放大電路的輸入信號(hào)分別接于CS ， CS+ 輸入端， 考慮到充電電流較大， 為減少RS的功耗同時(shí)防止U C3909 芯片內(nèi)部電流采樣放大電路飽和失真， RS 應(yīng)盡量小， 本電路中取55 m 。

　　3. 4 超級(jí)電容器組在系統(tǒng)中的作用

　?。?1） 超級(jí)電容具有使用壽命長(zhǎng)， 充放電限制少， 功率密度大， 充電電池比能量高， 可快速大電流充放電等優(yōu)點(diǎn)， 是一種新型高效的儲(chǔ)能器件。但由于其能量密度僅為鉛酸蓄電池的1/ 5， 無(wú)法滿(mǎn)足太陽(yáng)能路燈照明這種大功率電路系統(tǒng)大容量儲(chǔ)能的要求。因此本系統(tǒng)中采用蓄電池組與超級(jí)電容器組混合儲(chǔ)能， 結(jié)合超級(jí)電容功率密度高及鉛酸蓄電池能量密度高的特點(diǎn)， 提高儲(chǔ)能系統(tǒng)性能。

　?。?2） 本系統(tǒng)中采用8 個(gè)2. 7 V， 1 200 F的超級(jí)電容串聯(lián)成額定電壓21. 6 V， 容量為150 F的超級(jí)電容器組， 由于12 V太陽(yáng)能板在強(qiáng)光照射時(shí)其輸出電壓約為20 V， 采用21. 6 V超級(jí)電容器組既可確保儲(chǔ)能器件的安全同時(shí)可以充分吸收太陽(yáng)能板輸出能量。

　?。?3） 由于系統(tǒng)采用MPPT 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率輸出， MOS 的高速導(dǎo)通與關(guān)斷都會(huì)在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)干擾諧波， 在太陽(yáng)能板輸出端及鉛酸蓄電池間加上超級(jí)電容器組可以有效抑制干擾諧波， 保證鉛酸蓄電池平穩(wěn)充放電， 延長(zhǎng)鉛酸蓄電池使用壽命。

　?。?4） 鉛酸蓄電池只能工作在UT 至UOC 電壓范圍內(nèi)（ 以12 V 鉛酸蓄電池為例， 只能工作在10. 8~ 14. 7 V之間） 。相比之下， 由于超級(jí)電容器組可深度放電， 其工作電壓可以設(shè)定在較低范圍， 如該系統(tǒng)中設(shè)定超級(jí)電容器組的最低輸出電壓為4. 5 V.因此在弱光狀態(tài)下， 太陽(yáng)能板的輸出電壓會(huì)高于超級(jí)電容器組端電壓，確保輸出電能被超級(jí)電容器組吸收儲(chǔ)存， 再由升降壓電路轉(zhuǎn)換輸出給鉛酸蓄電池， 即實(shí)現(xiàn)了弱光充電功能。

　?。?5） 由于鉛酸蓄電池的充電條件極為嚴(yán)格， 在蓄電池的不同四個(gè)充電階段下， 其允許輸入的電量不同， 而太陽(yáng)能板的輸出受外界環(huán)境影響變化很大。當(dāng)太陽(yáng)能板輸出的電量大于鉛酸蓄電池當(dāng)前工作狀態(tài)下可接受的輸入電量時(shí)， 多余的部分能量將保存在超級(jí)電容器組中； 反之， 當(dāng)太陽(yáng)能板輸出的電量小于鉛酸蓄電池可接受的輸入電量時(shí)， 超級(jí)電容器組內(nèi)儲(chǔ)存的電量可補(bǔ)償不足輸出給鉛酸蓄電池。這樣既可以確保鉛酸蓄電池的平穩(wěn)充電， 延長(zhǎng)使用壽命， 也可以提高系統(tǒng)利用率。

　　3. 5 實(shí)驗(yàn)仿真

　　如圖6 所示為protues 仿真器中當(dāng)超級(jí)電容器組端電壓為4. 5 V時(shí)U C3909 5 腳輸出脈沖及此時(shí)DC/DC 的輸出波形。仿真顯示， 5 腳輸出頻率為200 kHz，DC/ DC 轉(zhuǎn)換電路的輸出較為平滑， 且電壓幅值為13. 6 V， 屬于設(shè)定輸出電壓范圍， 與實(shí)測(cè)效果基本相符， 說(shuō)明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)弱光充電功能。

　　圖6 UC3909 5 腳輸出U5 及DC/ DC 電路U0 輸出波形

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用超級(jí)電容器組與鉛酸蓄電池做太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)混合儲(chǔ)能元件， 利用超級(jí)電容器組及升降壓電路實(shí)現(xiàn)弱光充電功能， 有效提高太陽(yáng)能板利用率。同時(shí)利用U C3909 實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的四階段充電管理， 延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命， 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及使用效率。