自動氣象站光伏控制器的設計

摘要：為解決自動氣象站獨立光伏供電系統(tǒng)充電效率低、輸出單一的問題，同時提高電源的使用效率。在此利用bq24610芯片和ATmega16L單片機設計了一款具有輸出±12 V的新型光伏控制器。該控制器實時檢測蓄電池端電壓，采用合理并精確的充放電控制策略對蓄電池進行充放電，同時還具有過充過放保護、防反充保護功能，有效地保護了蓄電池和延長了蓄電池的使用壽命。通過實驗測試和實際應用，驗證了該控制器的設計合理性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

關鍵詞：光伏控制器；充放電控制；bq24610；ATmega16L

0 引言

自動氣象站在氣象要素檢測方面發(fā)揮了重要的作用，大大提高了氣象工作的效率，但其工作環(huán)境大部分都處于野外尚無穩(wěn)定市電工作的區(qū)域，所以其供電電源的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。太陽能作為一種新型清潔環(huán)保能源，特別足經(jīng)過近幾年來的快速發(fā)展，已經(jīng)在需要獨立電源供電的領域得到了廣泛的應用。在自動氣象站小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最關心的是系統(tǒng)的轉換效率和使用壽命，使太陽能能被充分的利用，從而達到節(jié)約成本和廣泛推廣的目的。而這些參數(shù)主要是受太陽能控制器性能的影響。

本文主要針對自動氣象站太陽能光伏供電系統(tǒng)中使用的控制器的原理進行了分析和研究，采用TI公司的bq24610芯片和ATmega16L單片機，開發(fā)出一種高穩(wěn)定性、高轉換效率的新型控制器。

1 系統(tǒng)結構

采用本文所提出新型控制器組建的太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池組、光伏控制器和負載(自動氣象站)四部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)組成各部分特性以及配合如下：

光伏陣列 光伏陣列在白天光照條件下，將所接收到的太陽能轉換為電能作為系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過光伏控制器對蓄電池進行充電和對負載進行供電；在晚上，光伏陣列將停止工作不再供電，輸出端處于開路狀態(tài)。

蓄電池組 作為獨立光伏供電系統(tǒng)的儲能環(huán)節(jié)，占有很重要的地位，它是系統(tǒng)能長時間平穩(wěn)運行的保障。在白天，它把光伏陣列所輸出的多余電能通過光伏控制器存儲起來；在晚上，它將作為系統(tǒng)電能的輸入，保證整個系統(tǒng)的正常持續(xù)運行。同時它還為光伏控制器提供全天的電源供給。

負載 該系統(tǒng)中的負載是全自動氣象站，其供電需求是直流±12 V，所需功率約為25 W。所需電能由光伏陣列和蓄電池通過光伏控制器供給。

光伏控制器 光伏控制器作為供電系統(tǒng)的核心，其主要功能是控制蓄電池組的充電和放電。在白天，它將光伏陣列所輸出的電能存儲在蓄電池組里，同時供給負載用，當蓄電池充滿時，它將停止對蓄電池充電，防止對蓄電池過充；在晚上，它將蓄電池里的電能供給負載用，同時還有防反充電路阻止蓄電池對光伏陣列充電，當蓄電池電量不足時，它將切斷供給電路，防止蓄電池過放，起到保護蓄電池的作用。

系統(tǒng)各部分的容量和參數(shù)選取以能保證自動氣象站負載在連續(xù)陰雨的極端條件下持續(xù)運行15天的標準進行配置，綜合成本、效率和可靠性來考慮。雖然當前光伏產業(yè)發(fā)展迅速，太陽能電池的價格有所下降，但它仍是整個系統(tǒng)中最昂貴的部分。而蓄電池相對而言價格較為低廉，因此建議選取相對較大容量的蓄電池組，這樣可以提高太陽能電池的利用效率。

2 光伏控制器設計

在該系統(tǒng)中，光伏控制器要具有對蓄電池進行充電、放電控制功能，實時檢測蓄電池端電壓，對蓄電池進行過充過放保護、防反充保護，同時采用合理并精確的充放電控制策略，保護蓄電池，延長蓄電池使用壽命。系統(tǒng)采用bq24610芯片作為核心控制單元。輔以ATmega16L單片機進行放電控制和電流電壓檢測顯示，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，采用P型和N型MOSFET管作為充、放電控制管和保護管，最大限度的減小系統(tǒng)功耗和提高開關工作速度。bq24610芯片是TI公司最新推出的一款具有自動選擇供電方式、輸入電壓和蓄電池電壓檢測功能的充電芯片，同時它還具有過充過放保護、防反充保護、蓄電池溫度檢測保護功能，其充電電流最大可以達到10 A，符合該系統(tǒng)的要求。ATmega16L單片機是一款高性能、低功耗、性比價高的微處理器，其自帶8路10位ADC端口，能有效地減少系統(tǒng)外圍電路和系統(tǒng)功耗。其主要實現(xiàn)系統(tǒng)信號采集、放電電路的控制和系統(tǒng)狀態(tài)的顯示功能。在實際電路中，由于有多個負載，情況不一，或多或少的會對電路產生一定的干擾，因此，在PCB設計時采用數(shù)字地和模擬地合二為一接地的布線方式，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。

2．1 充、放電部分

太陽能獨立供電系統(tǒng)中除對負載的正常供電之外，最重要的就是對蓄電池的充放電過程，因為蓄電池本身成本就比較高、且使用壽命一般較低，而對蓄電池的充放電策略會直接影響到蓄電池的使用壽命。該系統(tǒng)中充放電部分采用一對IRF7834 N型MOSFET管來對電池進行充電，其充電過程分為預充電、快速充電和浮充電三個階段。系統(tǒng)初始上電工作時，bq24610芯片通過R1，R2組成分壓電路對太陽能電池端電壓進行采樣，然后由反饋輸入端VFB輸入，VFB的基準電壓為2．1 V。當蓄電池反饋輸入電壓小于電池過放電壓1．56 V時，系統(tǒng)經(jīng)過比較由PWM控制器產生占空比變化的PWM脈沖信號，通過HIDRV和LODRV兩個端口來控制1對IRF7834 N型MOSFET管來對電池進行預充電，當蓄電池反饋輸入電壓大于1．56 V，小于2．1 V時，系統(tǒng)進入快速充電過程。當蓄電池反饋輸入電壓大于2．1 V時，蓄電池進入浮充階段。其電阻R1，R2的取值按VBAT=2．1×(1+R2／R1)來計算。蓄電池過放電會嚴重影響其使用壽命，因此，在其對負載供電時一定要注意過放電保護，該系統(tǒng)利用ATmega 16L單片機通過電壓采集電路來檢測蓄電池端電壓，當檢測值低于設定的過放點電壓值時，單片機就會發(fā)出控制信號，來控制MOSFET管Q104的關斷，實現(xiàn)過放保護。

bq24610芯片同時具有蓄電池溫度補償保護功能，當蓄電池溫度過高時，蓄電池將因嚴重過充電而縮短壽命，當蓄電池溫度過低時，電池就不能允足電，因此，在實際應用中必須采取措施對蓄電池進行保護。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實時檢測蓄電池溫度，和R121，R1 50一起組成一個溫度檢測電路，如圖2所示。設定溫度過高閾值THOT=40 ℃，溫度過低閾值TCOLD=0 ℃，得到R121，R150的阻值分別為5．5 kΩ，255 kΩ。系統(tǒng)通過測溫電路將采樣值與系統(tǒng)中的固有值比較，得出相對應的變化量，從而調整蓄電池的充放電策略，保護蓄電池。

系統(tǒng)充電狀態(tài)由3個LED燈作指示，這樣更加有利于直接觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于排查系統(tǒng)工作中的問題。其亮滅的組合所表示的意義如表1所示。其中PG腳表示太陽能是否有正常有效的電壓輸入。