自動(dòng)氣象站光伏控制器的設(shè)計(jì)

摘要：為解決自動(dòng)氣象站獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)充電效率低、輸出單一的問(wèn)題，同時(shí)提高電源的使用效率。在此利用bq24610芯片和ATmega16L單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款具有輸出±12 V的新型光伏控制器。該控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，采用合理并精確的充放電控制策略對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電，同時(shí)還具有過(guò)充過(guò)放保護(hù)、防反充保護(hù)功能，有效地保護(hù)了蓄電池和延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該控制器的設(shè)計(jì)合理性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光伏控制器；充放電控制；bq24610；ATmega16L

0 引言

自動(dòng)氣象站在氣象要素檢測(cè)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(wú)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(yáng)能作為一種新型清潔環(huán)保能源，特別足經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)的快速發(fā)展，已經(jīng)在需要獨(dú)立電源供電的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在自動(dòng)氣象站小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最關(guān)心的是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命，使太陽(yáng)能能被充分的利用，從而達(dá)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(yáng)能控制器性能的影響。

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

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用本文所提出新型控制器組建的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池組、光伏控制器和負(fù)載(自動(dòng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能作為系統(tǒng)的輸入，經(jīng)過(guò)光伏控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和對(duì)負(fù)載進(jìn)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(kāi)路狀態(tài)。

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

負(fù)載 該系統(tǒng)中的負(fù)載是全自動(dòng)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(guò)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(chǔ)在蓄電池組里，同時(shí)供給負(fù)載用，當(dāng)蓄電池充滿(mǎn)時(shí)，它將停止對(duì)蓄電池充電，防止對(duì)蓄電池過(guò)充；在晚上，它將蓄電池里的電能供給負(fù)載用，同時(shí)還有防反充電路阻止蓄電池對(duì)光伏陣列充電，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，它將切斷供給電路，防止蓄電池過(guò)放，起到保護(hù)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(dòng)氣象站負(fù)載在連續(xù)陰雨的極端條件下持續(xù)運(yùn)行15天的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，綜合成本、效率和可靠性來(lái)考慮。雖然當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，太陽(yáng)能電池的價(jià)格有所下降，但它仍是整個(gè)系統(tǒng)中最昂貴的部分。而蓄電池相對(duì)而言?xún)r(jià)格較為低廉，因此建議選取相對(duì)較大容量的蓄電池組，這樣可以提高太陽(yáng)能電池的利用效率。

2 光伏控制器設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，光伏控制器要具有對(duì)蓄電池進(jìn)行充電、放電控制功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行過(guò)充過(guò)放保護(hù)、防反充保護(hù)，同時(shí)采用合理并精確的充放電控制策略，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)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(jī)進(jìn)行放電控制和電流電壓檢測(cè)顯示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，采用P型和N型MOSFET管作為充、放電控制管和保護(hù)管，最大限度的減小系統(tǒng)功耗和提高開(kāi)關(guān)工作速度。bq24610芯片是TI公司最新推出的一款具有自動(dòng)選擇供電方式、輸入電壓和蓄電池電壓檢測(cè)功能的充電芯片，同時(shí)它還具有過(guò)充過(guò)放保護(hù)、防反充保護(hù)、蓄電池溫度檢測(cè)保護(hù)功能，其充電電流最大可以達(dá)到10 A，符合該系統(tǒng)的要求。ATmega16L單片機(jī)是一款高性能、低功耗、性比價(jià)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信號(hào)采集、放電電路的控制和系統(tǒng)狀態(tài)的顯示功能。在實(shí)際電路中，由于有多個(gè)負(fù)載，情況不一，或多或少的會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定的干擾，因此，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)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(yáng)能獨(dú)立供電系統(tǒng)中除對(duì)負(fù)載的正常供電之外，最重要的就是對(duì)蓄電池的充放電過(guò)程，因?yàn)樾铍姵乇旧沓杀揪捅容^高、且使用壽命一般較低，而對(duì)蓄電池的充放電策略會(huì)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(duì)IRF7834 N型MOSFET管來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充電，其充電過(guò)程分為預(yù)充電、快速充電和浮充電三個(gè)階段。系統(tǒng)初始上電工作時(shí)，bq24610芯片通過(guò)R1，R2組成分壓電路對(duì)太陽(yáng)能電池端電壓進(jìn)行采樣，然后由反饋輸入端VFB輸入，VFB的基準(zhǔn)電壓為2．1 V。當(dāng)蓄電池反饋輸入電壓小于電池過(guò)放電壓1．56 V時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)比較由PWM控制器產(chǎn)生占空比變化的PWM脈沖信號(hào)，通過(guò)HIDRV和LODRV兩個(gè)端口來(lái)控制1對(duì)IRF7834 N型MOSFET管來(lái)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)蓄電池反饋輸入電壓大于1．56 V，小于2．1 V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入快速充電過(guò)程。當(dāng)蓄電池反饋輸入電壓大于2．1 V時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充階段。其電阻R1，R2的取值按VBAT=2．1×(1+R2／R1)來(lái)計(jì)算。蓄電池過(guò)放電會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命，因此，在其對(duì)負(fù)載供電時(shí)一定要注意過(guò)放電保護(hù)，該系統(tǒng)利用ATmega 16L單片機(jī)通過(guò)電壓采集電路來(lái)檢測(cè)蓄電池端電壓，當(dāng)檢測(cè)值低于設(shè)定的過(guò)放點(diǎn)電壓值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，來(lái)控制MOSFET管Q104的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過(guò)放保護(hù)。

bq24610芯片同時(shí)具有蓄電池溫度補(bǔ)償保護(hù)功能，當(dāng)蓄電池溫度過(guò)高時(shí)，蓄電池將因嚴(yán)重過(guò)充電而縮短壽命，當(dāng)蓄電池溫度過(guò)低時(shí)，電池就不能允足電，因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須采取措施對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池溫度，和R121，R1 50一起組成一個(gè)溫度檢測(cè)電路，如圖2所示。設(shè)定溫度過(guò)高閾值THOT=40 ℃，溫度過(guò)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(guò)測(cè)溫電路將采樣值與系統(tǒng)中的固有值比較，得出相對(duì)應(yīng)的變化量，從而調(diào)整蓄電池的充放電策略，保護(hù)蓄電池。

系統(tǒng)充電狀態(tài)由3個(gè)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(wèn)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(yáng)能是否有正常有效的電壓輸入。