太阳能充放电控制器的设计

【摘要】为了有效控制太阳能电池的输出率和蓄电池的充放电，设计了一种充放电控制器。系统由太阳能电池、控制器、蓄电池和半导体照明负载四部分组成。通过采集太阳能电池的电压、电流信号，调节PWM控制信号的占空比，实现对太阳能电池能量输出的最大功率点跟踪控制。在蓄电池充、放电过程中，采取断开回路、连接负载的方法来检测其端电压，有效地避免过充、过放情况的发生。

【关键词】太阳能电池;控制器;充放电

Abstract：A charge and discharge controller is designed in order to effectively control output rate of solar battery and charge and discharge of battery.The system consists of four parts that are solar cells，controller，battery and semiconductor lighting load.The voltage and current signal of solar cell is collected then adjust the PWM control signal duty cycle，to achieve the maximum power point of solar energy output tracking control.In battery charge and discharge processing，taking off the circuit and connecting to the load to detect the terminal voltage，preventing overcharge，put the situation happened effectively.

Key words：Solar cell;Controller;Charge and discharge

1.引言

太阳能作为一种新兴的绿色能源，其应用不但减少了人们对化石燃料的依赖，降低了温室气体排放，改善了生态环境，而且还有利于发展低碳经济和实现能源的可持续发展[1]。但是，光伏发电系统的正常工作受温度变化和光照强度的影响较大，太阳能电池的价格长期居高不下、利用效率又低，加之蓄电池使用寿命短等诸多因素，使得太阳能的大规模发展利用举步维艰[2]。

因此，设计出一款集大幅提高太阳能电池利用率和延长蓄电池使用寿命的低成本控制器，是实现太阳能资源有效利用的关键技术所在。

2.系统整体设计

系统构成如图1所示，在太阳能路灯系统中，太阳能控制器是整个路灯系统中连接太阳能电池板、蓄电池和照明灯不可或缺的核心部件，一方面白天控制太阳能电池板将转化的电能存储在蓄电池里，使之充电，晚上控制蓄电池放电，为照明路灯供电，另一方面太阳能控制器保证了蓄电池充放电科学合理，保障了整个系统能够连续不断、稳定健康地运行，其运行状况的好坏决定了整个系统性能的优劣。

图1 系统整体框图

核心控制芯片选用STC12C5608AD，通过判断光照强度或蓄电池电压值决定充放电，经两路继电器将模数转换后的太阳能电池板电流值和蓄电池端电压值，通过LCD1602进行实时显示，并以LED灯为负载，将控制器用于小型路灯系统，实现路灯情景。

3.各模块设计

3.1 太阳能采集电路

系统采用5V的太阳能电池板，由于太阳能能量不稳定，在电池板接线盒内部安装肖特基二极管和稳压二极管。当在肖特基势垒两端加上正向偏压时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小;反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大，有效防止电流倒流[3]。

3.2 蓄电池电压采集电路

采用霍尔电流传感器模块将电流信号转变为电压信号。

放电时，继电器动触点吸合到常开触点，接通蓄电池与负载的连接，使蓄电池为负载供电，将采集到的电压值显示在LCD1602显示屏上，达到了连接负载采集锂蓄电池的端电压的目的。

同时锂蓄电池正极输出电流经霍尔电流传感器模块，由OUT端输出电压信号，转变为数字信号，采集到充电电流值。

充电时，继电器动触点闭合回常闭触点，此时锂蓄电池与负载的回路断开，达到了充电时断开回路检测电压的目的。

3.3 充电控制电路和保护电路

系统上电后，STC12C5608AD分析采集到的电流、电压值，当满足充电条件时，发出低电平，使线圈通电，将动触点吸合到常开触点，此时霍尔电流传感器模块输入电流和输出电流端相当于一根导线，接通太阳能电池板和蓄锂电池的通路，使太阳能电池为锂蓄电池充电。当检测到为锂蓄电池充电的电压大于4.2V，霍尔电流传感器模块绿灯亮，显示电池饱和，停止充电。

3.4 放电控制电路

为保证放电后碳层中仍有部分锂离子存在，要严格限制放电终止电压，避免过放。单片机对蓄电池端电压进行检测分析，判断电压值是否等于放电终止电压3V，若达到则继电器的线圈断电，动触点在弹簧的作用下复位，断开负载的连接，停止为负载供电。

4.结论

通过液晶显示屏实时显示太阳能输出电压、电流值和蓄电池的输出电压值，判断蓄电池的剩余容量，当蓄电池容量不足仍继续放电时，可人工控制停止放电。系统还设置了按键控制模块，增加了人工控制功能，可以实现手动的强制充电和放电功能。

参考文献

[1]王国义.光伏照明系统智能控制器的研究[D].安徽工程大学，2012，6.

[2]陈维.太阳能光伏应用中的储能系统研究[D].中国科技大学，2005，5.

[3]贾瑞匣，王丽娟.基于单片机的太阳能LED路灯控制器设计[J].郑州华信学院，2013，9.

作者简介：成凤敏（1983―），女，河北邢台人，唐山学院讲师，主要研究方向：计算机测控技术、仪器仪表技术。