充電控制模塊 - 光伏發電的嵌入式系統電源設計

3.1 充電控制模塊

　　TI 公司的UC3906芯片是專門針對鉛酸電池充電設計的，內部的邏輯電路提供多種充電狀態，并對溫度進行了精確的跟蹤補償，可以發揮電池的最大容量，延長電池的使用壽命。

　　利用18V/2W的太陽能電池板對12V/1Ah鉛酸電池進行充電，輸入電壓Uin=18 V，過充電壓Uoc=15 V，浮充電壓UF=14.5 V，過充轉換電壓為14.25 V，浮充轉換電壓為11.7 V，最大充電電流Imax=0.5 A，過充終止電流50 mA。由于充電電路始終接在電池上，為了防止蓄電池電流倒流入太陽能電池板造成其損壞，在晶體管與輸出電路之間接入二極管1N4001，晶體管TIP42C本身則起到穩壓降壓的作用。發射極接電池電壓12 V，集電極接太陽能電池板電壓18 V，在晶體管上形成了約6 V的壓差，因此晶體管的耗散功率要求大于500 mA×6 V=3 W。而UC39 06芯片的16腳則控制晶體管的基極電壓，根據反饋回路所提供的反饋信號控制晶體管截斷或導通。充電控制模塊電路如圖3所示。

　　圖3，Buck-Boost電路圖

　　設定UC3906芯片內部基準電壓在溫度為25℃時Uref=2.3 V，內部分流值ID=50μA。則可確定R3=Uref/ID=47 kΩ，R1+R2=(UF-2.3V)/ID=90.7kΩ，R4=2.3V×90.7kΩ/(Uoc-UF)=348 kΩ。又設Rx=R3與R4的并聯阻值，則Ra=(R1+R2+Rx)(1-2.3V/UT)=68.1kΩ，Rb=22.6 kΩ(UT為涓流充電到大電流充電的臨界導通電壓，UT=13.95 V，微小電流It取150 mA)。限流電阻 Rs=0.25 V/Imax=0.5Ω，Rt=(18 V-UT-2.5 V)/It=10 Ω。

　　鉛酸電池充電分為4個階段：涓流充電、大電流充電、過充電、浮動充電。剛開始充電時，UC3906芯片的11腳通過一個電阻RT輸出一個微小電流It=150 mA，此時晶體管基極電平使晶體管斷路，11腳的微小電流It對鉛酸電池進行涓流充電，這樣可以避免在涓流充電階段鉛酸電池反接造成回路短路。

　　當充電器輸出電壓上升至UT，或浮充電壓下降到11.7 V時，則進入大電流充電狀態。大電流Imax由外部PNP晶體管導通輸出至電池，蓄電池主要的電量亦在此階段回充。在正常情況下，隨著電池充電，電池兩端的電壓逐漸升高，電壓經R1、R2、R3分壓后加到電壓取樣比較器反向輸入端13腳。電壓達到0.95Uref時，電壓取樣比較器在14腳，15腳輸出低電平，由于內部分流值電流的存在，15腳通過一個限流電阻Rd接地，14腳通過旁路電容C1=0.1μF接地。此時充電進入過充電狀態，過充電指示端腳9輸出低電平。剛進入過充電狀態時，太陽能充電輸出端繼續輸出最大電流，當電池電壓升高到Uoc時，電壓放大器控制驅動級，充電器進行恒壓充電，電壓穩定在Uoc，此時UC3906的13腳電壓等于內部基準電壓Uref。此后，電池接受的充電電流開始減小。

　　當充電電流下降到過充電終止電流Ioct時，電流取樣比較器的輸出中斷。UC3906內部的10μA提升電流使過充終止端(8腳)的電位升高進入過充電狀態。當干擾或其他原因使充電電流瞬時下降時，為避免充電器過早地轉入浮充狀態，在UC3906的第8腳與地之間接入1只電容器。當8腳電壓上升到規定的門限值(1 V)后，充電狀態邏輯電路使充電器轉入浮充狀態。此時，狀態電平輸出關斷，消除了R4對R1、R2和R3分壓器的旁路作用。電壓放大器控制驅動晶體管，使充電器輸出電壓保持在VF。

　　充電電壓由Uoc下降，并維持在UF，電池充電程序近乎完成時，充電進入浮動充電狀態。當電池接上負載而放電后，充電器將直接提供電源輸出，而電池電壓也勢必下降。當電壓下降至0.9UF時，則充電模式重新設定回涓流充電階段，重新執行新的充電循環程序。浮動充電程序對于延長蓄電池的壽命是非常關鍵的，當蓄電池充電完成后，若移除充電電壓，則蓄電池又會立即自行放電，因此必須對電池施加一個適當電壓以及微小的電流以避免電池放電，浮動充電狀態又可稱為待機充電狀態(standbycharge)。

　　從整個充電過程來看，UC3906充電芯片利用其自身的邏輯電平控制將充電過程分為4個階段，既使得充電過程保持較高的效率，又對太陽能電池板和鉛酸電池起到了很好的保護作用。

　　3.2 最大功率跟蹤模塊

　　光伏發電系統中的太陽能電池板在一定的條件下具有唯一的最大功率點，當太陽能電池板工作在該點時能輸出當前條件下的最大功率。但由于太陽能電池板的輸出特性受負載、光強、溫度等因素的影響，其輸出電壓和電流均在發生變化，從而使輸出功率不穩定，即最大功率點時刻在變化，導致光伏系統效率降低。

　　因此，跟蹤太陽能電池板輸出的最大功率點是提高光伏系統效率的關鍵。當太陽電池工作電壓小于最大功率點電壓Umax時，輸出功率隨太陽電池端電壓上升而增加;工作電壓大于最大功率點電壓Umax時，輸出功率隨太陽電池端電壓上升而減少。實現最大功率點跟蹤實質上是一個自尋優過程，即通過控制太陽電池端電壓，使電池能在各種不同外部環境下智能地輸出最大功率，不斷獲得最大功率輸出。

　　DC-DC變換器是一種通過控制電壓將不可控的直流輸入變為可控的直流輸出的變換電路。對于線性電路來說，當負載電阻等于電源內阻時，電源有最大功率輸出。雖然太陽電池和DC-DC變換電路都是非線性的，但在極短的時間內可認為是線性電路。因此，只要調節DC-DC轉換電路的等效電阻使它始終等于太陽能電池板的內阻，就可實現太陽電池的最大功率輸出，也就實現了太陽電池的最大功率點跟蹤。當負載電阻等于太陽能電池板內阻時，負載兩端的電壓恰好等于輸出電壓的一半，因此在實際應用中，通常采用調節負載兩端的電壓來實現最大功率點跟蹤。光伏發電系統中將DC-DC變換器接入太陽能電池板的輸出回路，并通過嵌入式系統中的單片機對DC-DC變換器的輸入、輸出電壓進行采樣計算，同時產生控制脈沖信號調節DC-DC轉換器內部開關管占空比來改變其負載大小，使得負載電壓為太陽能電池板輸出電壓的1/2來實現最大功率點跟蹤。由于采用升降壓式(Buck-Boost)DC-DC轉換電路，這種最大功率功率跟蹤電路又稱為Buck-Boost電路，如圖4所示。