一種混合儲(chǔ)能的太陽能充電器設(shè)計(jì)

　　3. 3 DC/ DC變換器設(shè)計(jì)

　　由于光伏陣列受外界環(huán)境影響較大， 本系統(tǒng)中12 V的太陽能板輸出電壓的變化范圍約為0~ 20 V,如果直接為鉛酸蓄電池充電， 由于鉛酸蓄電池的正常工作電壓要高于10. 8 V, 因此當(dāng)弱光條件下， 太陽能板的輸出電壓低于鉛酸蓄電池的端電壓時(shí)， 其產(chǎn)生的電能不能被鉛酸蓄電池吸收。因此本系統(tǒng)采用把太陽能板輸出經(jīng)過超級(jí)電容器組， 再由超級(jí)電容器組先經(jīng)升降壓后為鉛酸蓄電池充電， 有效增強(qiáng)系統(tǒng)弱光充電能力， 提高利用效率。

　　本設(shè)計(jì)采用升降壓模式， 如圖5 所示， 超級(jí)電容器組接DC/ DC 轉(zhuǎn)換電路的輸入端， 設(shè)定輸入范圍為4. 5~ 20 V, 輸出電壓范圍為10. 8~ 14. 7 V.Q1 由單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)控制， Q2 由UC3909 的5 腳經(jīng)MOS 管驅(qū)動(dòng)電路控制， 5 腳輸出PWM 頻率由UC3909 的18 腳所接電阻RSET 及19 管腳所接電容CT決定， 公式如下：

圖5 DC/ DC轉(zhuǎn)換電路

　　UC3909 的工作頻率設(shè)定為200 kH z.同時(shí)在蓄電池的充電回路中還串接電流采樣電阻RS , RS兩端的電壓信號(hào)作為U C3909 芯片內(nèi)部電流采樣放大電路的輸入信號(hào)分別接于CS , CS+ 輸入端， 考慮到充電電流較大， 為減少RS的功耗同時(shí)防止U C3909 芯片內(nèi)部電流采樣放大電路飽和失真， RS 應(yīng)盡量小， 本電路中取55 m .

　　3. 4 超級(jí)電容器組在系統(tǒng)中的作用

　　（ 1） 超級(jí)電容具有使用壽命長， 充放電限制少， 功率密度大， 充電電池比能量高， 可快速大電流充放電等優(yōu)點(diǎn)， 是一種新型高效的儲(chǔ)能器件。但由于其能量密度僅為鉛酸蓄電池的1/ 5, 無法滿足太陽能路燈照明這種大功率電路系統(tǒng)大容量儲(chǔ)能的要求。因此本系統(tǒng)中采用蓄電池組與超級(jí)電容器組混合儲(chǔ)能， 結(jié)合超級(jí)電容功率密度高及鉛酸蓄電池能量密度高的特點(diǎn)， 提高儲(chǔ)能系統(tǒng)性能。

　?。?2） 本系統(tǒng)中采用8 個(gè)2. 7 V, 1 200 F的超級(jí)電容串聯(lián)成額定電壓21. 6 V, 容量為150 F的超級(jí)電容器組， 由于12 V太陽能板在強(qiáng)光照射時(shí)其輸出電壓約為20 V, 采用21. 6 V超級(jí)電容器組既可確保儲(chǔ)能器件的安全同時(shí)可以充分吸收太陽能板輸出能量。

　　（ 3） 由于系統(tǒng)采用MPPT 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最大功率輸出， MOS 的高速導(dǎo)通與關(guān)斷都會(huì)在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)干擾諧波， 在太陽能板輸出端及鉛酸蓄電池間加上超級(jí)電容器組可以有效抑制干擾諧波， 保證鉛酸蓄電池平穩(wěn)充放電， 延長鉛酸蓄電池使用壽命。

　　（ 4） 鉛酸蓄電池只能工作在UT 至UOC 電壓范圍內(nèi)（ 以12 V 鉛酸蓄電池為例， 只能工作在10. 8~ 14. 7 V之間） .相比之下， 由于超級(jí)電容器組可深度放電， 其工作電壓可以設(shè)定在較低范圍， 如該系統(tǒng)中設(shè)定超級(jí)電容器組的最低輸出電壓為4. 5 V.因此在弱光狀態(tài)下， 太陽能板的輸出電壓會(huì)高于超級(jí)電容器組端電壓，確保輸出電能被超級(jí)電容器組吸收儲(chǔ)存， 再由升降壓電路轉(zhuǎn)換輸出給鉛酸蓄電池， 即實(shí)現(xiàn)了弱光充電功能。

　?。?5） 由于鉛酸蓄電池的充電條件極為嚴(yán)格， 在蓄電池的不同四個(gè)充電階段下， 其允許輸入的電量不同， 而太陽能板的輸出受外界環(huán)境影響變化很大。當(dāng)太陽能板輸出的電量大于鉛酸蓄電池當(dāng)前工作狀態(tài)下可接受的輸入電量時(shí)， 多余的部分能量將保存在超級(jí)電容器組中； 反之， 當(dāng)太陽能板輸出的電量小于鉛酸蓄電池可接受的輸入電量時(shí)， 超級(jí)電容器組內(nèi)儲(chǔ)存的電量可補(bǔ)償不足輸出給鉛酸蓄電池。這樣既可以確保鉛酸蓄電池的平穩(wěn)充電， 延長使用壽命， 也可以提高系統(tǒng)利用率。

　　3. 5 實(shí)驗(yàn)仿真

　　如圖6 所示為protues 仿真器中當(dāng)超級(jí)電容器組端電壓為4. 5 V時(shí)U C3909 5 腳輸出脈沖及此時(shí)DC/DC 的輸出波形。仿真顯示， 5 腳輸出頻率為200 kHz,DC/ DC 轉(zhuǎn)換電路的輸出較為平滑， 且電壓幅值為13. 6 V, 屬于設(shè)定輸出電壓范圍， 與實(shí)測(cè)效果基本相符， 說明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)弱光充電功能。

圖6 UC3909 5 腳輸出U5 及DC/ DC 電路U0 輸出波形

　　4 結(jié)語

　　本系統(tǒng)采用超級(jí)電容器組與鉛酸蓄電池做太陽能路燈照明系統(tǒng)混合儲(chǔ)能元件， 利用超級(jí)電容器組及升降壓電路實(shí)現(xiàn)弱光充電功能， 有效提高太陽能板利用率。同時(shí)利用UC3909實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的四階段充電管理， 延長了蓄電池使用壽命， 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及使用效率。