基于AVR單片機的太陽能電池控制器設計

1.4 蓄電池的充放電控制

閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大，安全和密封性能好，壽命長，免維護等優點，在光伏系統中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見圖3)可知，蓄電池充電過程有3個階段：初期(OA)電壓快速上升;中期(ABC)電壓緩慢上升，延續時間較長;C點開始為充電末期，電壓開始上升;接近D點時，蓄電池中的水被電解，應立即停止充電，防止損毀電池。所以對蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復蓄電池的容量;在充電末期采用小電流長期補充電池因自放電而損失的電量。

蓄電池放電過程主要有三個階段：開始(OE)階段電壓下降較快;中期(EFG)電壓緩慢下降且延續較長的時間;在最后階段G點后，放電電壓急劇下降，應立即停止放電，否則將會給蓄電池照成不可逆轉的損壞。因此，如果對閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理，不僅充電效率降低，蓄電池的壽命也會大幅縮短，造成系統運行成本增加。在蓄電池的充放電過程中，除了設置合適的充放電閾值外，還需要對充放電閾值進行適當的溫度補償，并進行必要的過充電和過放電保護。

根據閥控密封鉛酸蓄電池的特點，控制器利用MCU的PWM功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路，控制器將關斷負載，以保證負載不被損傷;若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路，由于自身控制器得不到電力，不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓(15 V)時，自動關斷對蓄電池的充電;此后當電壓掉至維護電壓(13.2 V)時，蓄電池進人浮充狀態，當低于維護電壓(13.2 V)后，浮充關閉，進入均充狀態。當蓄電池電壓低于保護電壓(10.8 V)時，控制器自動關閉負載，以保護蓄電池不受損壞。若出現過放，應先進行提升充電，使蓄電池的電壓恢復到提升電壓后再保持一定時間，防止蓄電池出現硫化。通過PWM控制充電電路(智能三階段充電)，可使太陽能電池板發揮最大功效，提高系統充電效率。

1.5 溫度補償

采用數字溫度傳感器DS18820檢測蓄電池環境溫度。對蓄電池的充電閾值電壓溫度補償系數取-4mV/(℃·單體)。補償后的電壓閾值可以用以下公式表示：Ve=V+(t-25)αn。其中，Ve為補償后的電壓閾值;V為25℃下的電壓閾值;t為蓄電泄環境溫度;α為溫度補償系數;n為串聯的單體數。控制器對過放電壓閾值不做補償。

1.6 MOSFET驅動電路

設計的控制器屬于串聯型，即控制充電的開關是串聯在電池板與蓄電池之間的。串聯型控制器相對于并聯型控制器能夠更有效地利用太陽能，減少系統的發熱量。設計中用MOSFET實現開關。MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導體場效應晶體管，所需驅動功率較小。而且MOSFET只有多數載流子參與導電，不存在少數載流子的復合時間，因而開關頻率可以很高，特別適合作為PWM控制充電開關。為此，設計中采用P溝道MOSFET。P溝道MOSFET的導通電壓Vth0，由圖4可以實現MOSFET的驅動。當Q2導通時，由于Q2的Vce很小，可以認為Q1的G極接地，Vgs0，當Vin達到一定值時，Q1導通。