獨立光伏照明中的能量管理研究

　　說明太陽能電池陣列輸出功率為電壓增加方向；

　　如果：

　　說明太陽能電池陣列輸出功率為電壓減少的方向。

　　4 蓄電池充電策略

　　4.1 概述

　　蓄電池的容量和壽命是蓄電池的重要參數，它們受充電方法影響很大。在獨立光伏照明系統中，由于太陽能電池本身的非線性以及其輸出受到光強和溫度的影響，傳統充電方法如恒流充電法不再適用。系統中不再僅僅關心蓄電池的充電速度；取而代之的是如何在充電的過程中既能最大限度地利用太陽能電池，又能合理地實現充電的最小損耗和蓄電池的最長壽命。在這套光伏系統中采用的策略就是以太陽能電池電壓、電流和蓄電池電壓、電流、容量同時作為變量和對象的綜合控制策略。

　　蓄電池的使用，歸根結底是如何利用蓄電池的充放電特性。有效、科學地使用蓄電池，對提高蓄電池的使用效率、延長蓄電池的使用壽命，起著非常關鍵的作用。

4.2 蓄電池分段式充電方法

　　對于一個蓄電池而言，選擇適當的充電方法，不只可以延長蓄電池的使用壽命，而且還可以提高充電效率。這就需要準確判斷蓄電池的充電狀態從而選取充電電路的工作狀態。控制器使用的充電電路采取了快充、過充、浮充3個階段的充電方法：

　　（1）快充階段：在快充階段，充電電路的輸出等效于電流源。電流源的輸出電流根據蓄電池的充電狀態確定，為蓄電池最大可接受電流IMAX。充電過程中，電路檢測蓄電池端電壓。當蓄電池端電壓上升到轉換門限值后，充電電路轉到過充階段。

　　（2）過充階段：在過充階段，充電電路對蓄電池提供一個較高電壓Voc，同時檢測充電電流。當充電電流降到低于轉換門限值Ioct時，認為蓄電池電量已充滿，充電電路轉到浮充階段。

　　（3）浮充階段：在浮充階段，充電電流給蓄電池提供一個精確的、具有溫度補償功能的浮充電壓VF。

　　4.3 浮充電壓溫度補償

　　蓄電池在充滿電后，保持電量的最好方法就是加一個恒定電壓到蓄電池上。這對充電電路提出了提供合適浮充電壓的要求。浮充電壓值既要足夠大，能補償蓄電池的自放電電流；又不能太大，以免導致蓄電池內部因過充而發生化學成分的分解。在適當的浮充狀態下，全封閉免維護鉛酸蓄電池能夠穩定工作6~10年。而浮充電壓即使只有5%的偏差，也會使蓄電池的壽命減半。

　　必須考慮的是，鉛酸蓄電池的電壓特性具有明顯的負溫度系數，2V的電池約為-4.0mV/℃。也就是說，一個在25℃能夠正常工作的充電器，在0℃時就不能提供和保持足夠的電量；而在50℃時這個充電器會導致嚴重的過充。合理考慮溫度變化范圍，充電器應該根據蓄電池的溫度系數給予某種形式的補償。實際中利用式（2）來確定浮充電壓VF。其中VF0和T0分別為基準點的電壓和溫度值，C為電壓溫度系數：

　　控制器中，由單片機和檢測電路組成的充電控制電路有效地滿足了以上要求。它同時檢測充電電壓、充電電流和蓄電池溫度，根據蓄電池狀態可以提供3種充電狀態還包括有充電狀態下的過流、過充保護，浮充狀態下的溫度補償等功能。可以使蓄電池的壽命得到最大限度的延長。

　　5 控制器硬件拓撲設計

　　5.1 充電電路硬件設計

　　為實現上述充電控制策略，充電電路的硬件拓撲采用了BUCK電路，拓撲與控制示意圖如圖3所示。在快充階段，充電電路連接太陽能電池與鉛酸蓄電池，通過調整BUCK 電路的驅動占空比，達到控制太陽能電池輸出電流的目的，最終實現太陽能最大功率點跟蹤；在過充和浮充階段，充電電路仍然調整BUCK電路的驅動占空比，不同的是轉為控制蓄電池的充電電流，使之不超過蓄電池的最大可接受電流。