基于AVR的太陽能控制器設(shè)計(jì)

1 太陽能控制器的設(shè)計(jì)
1．1 太陽能電池的輸出特性
由它的輸出特性曲線(見圖1) 可知，太陽能電池的伏安特性具有很強(qiáng)的非線性，即當(dāng)日照強(qiáng)度改變時(shí)，其開路電壓不會(huì)有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流會(huì)有相當(dāng)大的變化，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨之改變。然而當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí)，電池板輸出的電流一定，可以認(rèn)為是恒流源。因此，必須研究和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的太陽能發(fā)電控制器，才能更有效地利用太陽能。

1．2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該控制器以AVR mega 32為控制核心，外圍電路主要由蓄電池電壓及環(huán)境溫度檢測與充放電控制電路、電池板電壓檢測與分組切換電路、負(fù)載電流檢測與輸出控制電路、狀態(tài)顯示電路、串口數(shù)據(jù)上傳和鍵盤輸入電路構(gòu)成。

電壓檢測電路用于識(shí)別光照的強(qiáng)度和獲取蓄電池端電壓。溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補(bǔ)償。該系統(tǒng)采用PWM方式驅(qū)動(dòng)充電電路，控制蓄電池的最優(yōu)充放電。電池板分組切換控制電路用于不同光強(qiáng)度和充電模式下電池板的切換，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對3組電池板陣列控制。負(fù)載電流檢測電路用于過流保護(hù)及負(fù)載功率檢測。狀態(tài)顯示電路用于系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，包括電壓、負(fù)載狀況及充放電狀態(tài)的顯示。串行口上傳數(shù)據(jù)電路用于系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的上傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。鍵盤輸入電路用于充電模式設(shè)定及LCD背光開啟。該控制器在有陽光時(shí)接通電池板，向蓄電池充電；當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時(shí)，蓄電池放電，以保證負(fù)載不停電。
1．3 AVR單片機(jī)
AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可獨(dú)立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)，代碼執(zhí)行效率高。系統(tǒng)采用的mega 32處理器包含有32 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器；1 KB的E2PROM和2 KBRAM；同時(shí)片內(nèi)集成了看門狗；8路10位ADC；3路可編程PWM輸出；具有在線系統(tǒng)編程功能，片內(nèi)資源豐富，集成度高，使用方便。AVR mega 32可以很方便地實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置，蓄電池及負(fù)載的管理，工作狀態(tài)的指示等。
1．4 蓄電池的充放電控制
閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大，安全和密封性能好，壽命長，免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在光伏系統(tǒng)中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見圖3)可知，蓄電池充電過程有3個(gè)階段：初期(OA)電壓快速上升；中期(ABC)電壓緩慢上升，延續(xù)時(shí)間較長；C點(diǎn)開始為充電末期，電壓開始上升；接近D點(diǎn)時(shí)，蓄電池中的水被電解，應(yīng)立即停止充電，防止損毀電池。所以對蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復(fù)蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長期補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量。

蓄電池放電過程主要有三個(gè)階段：開始(OE)階段電壓下降較快；中期(EFG)電壓緩慢下降且延續(xù)較長的時(shí)間；在最后階段G點(diǎn)后，放電電壓急劇下降，應(yīng)立即停止放電，否則將會(huì)給蓄電池照成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此，如果對閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理，不僅充電效率降低，蓄電池的壽命也會(huì)大幅縮短，造成系統(tǒng)運(yùn)行成本增加。在蓄電池的充放電過程中，除了設(shè)置合適的充放電閾值外，還需要對充放電閾值進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，并進(jìn)行必要的過充電和過放電保護(hù)。