基于脉冲宽度调制技术的太阳能充电控制系统

中心议题：
  太阳能充电控制器原理
  太阳能充电电路设计
  脉宽调制充电子程序流程
   
蓄电池优良的特性和较长的使用寿命在一定程度上取决于正确的充放电，错误的充电会使蓄电池寿命缩短、性能变差。合适的充电电流和选择充电方法非常重要。

蓄电池的充电方法很多，例如恒流、恒压、最大功率跟踪充电等。根据蓄电池的不同应用场合，可选择相应的充电方式。

在光伏利用系统中，太阳电池的输出特性与当时日照、太阳电池表面温度以及负载有关，且具有非线性特性，蓄电池在充电过程中其端电压也在不断发生变化。

在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏电池输出最大功率，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，通常只能兼顾一个方面，例如只追踪光伏电池最大功率点将会放弃蓄电池的最佳充放电，从而限制了系统的效率和寿命。因此我们在选择充电方法时应综合考虑各种因素、使用场合等来设计性能优良的充电控制器。

1 充电控制器原理

本文所设计的充电控制器采用了斩波式PWM原理，分两个阶段，第一阶段为快充阶段，第二阶段为PWM 阶段（慢充阶段）。

图1所示电路采用斩波式PWM 充电原理，检测蓄电池的充电端电压，将检测得到的蓄电池端电压与给定点电压比较，若小于给定电压，斩波器全通，迅速给蓄电池充电； 当蓄电池的电压大于给定电压时，则根据比例调整功率管的占空比，充电进入慢充阶段，改善充电特性，防止过充。
   
   2 充电电路的设计

充电控制的开关管（斩波管）选用POWER MOFFETIRF4905。此管是P 沟道的MOFFET 管， 具有小导通电阻， RON=20mΩ，最大通态电流ID＝74A （条件温度25℃， VGS＝－10V），开关速度快，具有很好的开关性能。当此管栅源电压VGS<-8.0V 时，此管作为开关管就有很好的开关性能。又因为此管为P 沟道，很容易把基准电压选在一个点上， 则系统的可靠性会得到较大提高。

（1）IRF4905 MOFFET 管的驱动电路的设计
   在图2所示电路原理图中，MBR2060 是肖特基二极管，其中正向导通压降为0.3V，最大导通电流为20A， 完全满足系统要求。此二极管的作用是防反充，也就是当蓄电池电压高于太阳电池电压时，二极管截止，防止了蓄电池向太阳电池反充电。
   
   
   D52 是一个防止蓄电池正负极性反接的保护二极管，即当蓄电池反接时，D52正向导通，电流很大，熔断丝即可烧断，电路断开，从而保护了控制器和蓄电池，提高了系统的可靠性。

（2）充电过程
单片机（P2.0）给出充电的控制信号，即P2.0=1，NPN 型S9013 的三极管导通，由于此三极管工作于射极输出状态， 其发射极为高电平，Q54 （2SD667）NPN 三极管导通， 由于稳压管D50的作用， 使得IRF4905管的栅源电压钳位在-10V，IRF4905 管导通， 太阳电池向蓄电池充电。反之，前两极三极管均截止VGS=0V，IRF4905 管断开，太阳电池不能向蓄电池充电。

3 脉宽调制充电子程序流程

脉宽调制子程序完成太阳电池向蓄电池以脉宽调制的方式充电，控制器根据蓄电池的荷电状态来控制白天太阳电池向蓄电池充电，其目的是为了改善充电效果和保护蓄电池，防止蓄电池过充。

具体方案是，当检测到蓄电池的电压小于13.5V时，开关管始终接通，即采取全通充电方式，如果检测到蓄电池电压大于13.5V 并小于14.4V 时采取脉宽调制方式充电，随着蓄电池电压的增加，脉宽不断的变窄，直到蓄电池端电压上升为14.4V 时，脉宽检校为0，停止充电。脉宽调制方式由软件来实现。

我们取脉冲的周期为2ms，MOS管的开关频率为500Hz。
   
   当蓄电池的电压Vbat=14.05V时， 其脉宽波形如图4所示。
   
   当蓄电池的电压Vbat=14.22V 时，其脉宽波形如图5所示。
   
   4 结论

对所设计的充电电路进行了充电实验， 验证了电路的预设功能。系统能够有效判断蓄电池的充电状态，并采取相应的充电方式，达到延长蓄电池使用寿命的目的。