一種混合儲能的太陽能充電器設計

　　近年來隨著能源短缺問題日益突出， 太陽能、風能等新型無污染的替代能源應用日益受到重視。獨立型太陽能照明系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、無需鋪設電纜， 且搭建、攜帶較為方便等特點在照明領域有著廣泛應用前景。

　　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題。系統(tǒng)儲能元件鉛酸蓄電池設計壽命約三年， 但由于充電方式、存儲方式以及人為等諸多因素的影響導致其使用壽命過短，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， 導致系統(tǒng)太陽能板利用率不高； 傳統(tǒng)提高弱光充電能力的方法是采用組態(tài)優(yōu)化控制來實現(xiàn)， 即根據(jù)外界光照強弱采用繼電器控制太陽能板組件按照串聯(lián)或并聯(lián)等不同的組合方式給蓄電池充電， 確保太陽能板組件輸出電壓始終達到設定充電電壓。這種方法雖然可以實現(xiàn)弱光充電， 但在組態(tài)變化的瞬間， 電路輸出電壓波動較大， 影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外， 由于采用繼電器控制， 繼電器的機械開關(guān)觸點在工作較長時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， 本文采用超級電容器組及升降壓電路來實現(xiàn)弱光條件下有效充電， 并采用UC3909 實現(xiàn)對膠體密封鉛酸蓄電池智能化充電管理， 延長蓄電池使用壽命。

　　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體現(xiàn)， 是在保證蓄電池析氣率較低、溫升較低時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 為充電時間。

　　在實際的電池充電管理過程中， 要使蓄電池的充電過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 實現(xiàn)對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

　　目前獨立型太陽能照明系統(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。但由于某些應用場合的蓄電池會經(jīng)常出現(xiàn)過度放電的情況， 如果一開始就直接進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。所以在最開始的時候應該采用小電流IT 充電的涓流充電模式， 等蓄電池的端電壓達到設定的充電使能電壓UT 時， 再進行恒流充電。UC3909 芯片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個階段合理充電， 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。

　　當蓄電池的電壓達到充電使能電壓UT 時， 充電器提供一個大電流I BULK 對蓄電池進行恒流充電， 這一階段是充電的主要階段， 蓄電池端電壓上升很快， 直至電壓上升到過壓充電電壓UOC 時進入恒壓充電階段。

　　狀態(tài)3: 恒壓充電。

　　在此階段， 充電器提供一個略高于蓄電池額定值的電壓UOC進行恒壓充電， 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， 充電器進入浮充充電狀態(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 對蓄電池以很小的浮充電流進行充電， 以彌補蓄電池自放電造成的容量損失。同時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)的熱敏電阻進行溫度補償， 確保在任何溫度下都能以精確的浮充電壓進行浮充充電。溫度系數(shù)一般選擇- 3. 5~ - 5 mV/ .

3 充電電路設計

　　圖2 所示為基于U C3909 太陽能蓄電池充電器電路框圖， 光伏陣列經(jīng)過電壓電流采樣再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號反饋至單片機， 單片機根據(jù)光伏陣列的工作狀況輸出PWM 信號去驅(qū)動PMOS 管， 實現(xiàn)對光伏陣列的最大功率跟蹤。超級電容器組、DC/ DC 變換器、UC3909 用來實現(xiàn)對閥控鉛酸蓄電池的四階段充電控制， 并利用超級電容的特性優(yōu)化充放電過程。本文側(cè)重對超級電容器組、U C3909 及DC/ DC 變換器等部分實現(xiàn)對閥控鉛酸蓄電池四階段的充電分析及設計。

圖2 系統(tǒng)框圖

　　3. 1 UC3909 充電器主要參數(shù)設計

　　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)對電路各個部分進行合理計算設計。本設計使用賽特公司生產(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，計算U C3909 外圍元件參數(shù)， R S1、RS2 、RS3、RS4計算公式如下：

　　式中， UREF 為UC3909 內(nèi)部基準電壓2. 3 V.代入相關(guān)值計算得（ 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 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及過充終止電流IOCT 計算得出RG1、RG2 , R OVC1和ROVC2 , 其基本計算公式如下：

　　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償

　　光伏系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池一般與太陽能板一起安裝在戶外， 而周圍溫度的變化對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溫度極為敏感， 溫度每變化10℃, 浮充電流成倍增長， 對于本設計中用到的蓄電池， 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/ ℃ , 也就是說如果要防止浮充電流增加， 當溫度升高1 時， 其浮充電壓應該降低3. 9 mV ; 同理， 當溫度降低1 時， 其浮充電壓應該升高3. 9 mV才能保持浮充電流不變。

圖4 鉛酸蓄電池溫度補償電路

　　U C3909 內(nèi)部集成了具有鉛酸蓄電池溫度補償功能的電路如圖4 所示， A1 為電流/ 電壓轉(zhuǎn)換元件