一種混合儲能的太陽能充電器設計

　　3. 3 DC/ DC變換器設計

　　由于光伏陣列受外界環境影響較大， 本系統中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， 其產生的電能不能被鉛酸蓄電池吸收。因此本系統采用把太陽能板輸出經過超級電容器組， 再由超級電容器組先經升降壓后為鉛酸蓄電池充電， 有效增強系統弱光充電能力， 提高利用效率。

　　本設計采用升降壓模式， 如圖5 所示， 超級電容器組接DC/ DC 轉換電路的輸入端， 設定輸入范圍為4. 5~ 20 V, 輸出電壓范圍為10. 8~ 14. 7 V.Q1 由單片機輸出PWM 信號控制， Q2 由UC3909 的5 腳經MOS 管驅動電路控制， 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轉換電路

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

　　3. 4 超級電容器組在系統中的作用

　　（ 1） 超級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點， 是一種新型高效的儲能器件。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大容量儲能的要求。因此本系統中采用蓄電池組與超級電容器組混合儲能， 結合超級電容功率密度高及鉛酸蓄電池能量密度高的特點， 提高儲能系統性能。

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

　　（ 3） 由于系統采用MPPT 技術來實現最大功率輸出， MOS 的高速導通與關斷都會在輸出端產生相應干擾諧波， 在太陽能板輸出端及鉛酸蓄電池間加上超級電容器組可以有效抑制干擾諧波， 保證鉛酸蓄電池平穩充放電， 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（ 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， 由于超級電容器組可深度放電， 其工作電壓可以設定在較低范圍， 如該系統中設定超級電容器組的最低輸出電壓為4. 5 V.因此在弱光狀態下， 太陽能板的輸出電壓會高于超級電容器組端電壓，確保輸出電能被超級電容器組吸收儲存， 再由升降壓電路轉換輸出給鉛酸蓄電池， 即實現了弱光充電功能。

　　（ 5） 由于鉛酸蓄電池的充電條件極為嚴格， 在蓄電池的不同四個充電階段下， 其允許輸入的電量不同， 而太陽能板的輸出受外界環境影響變化很大。當太陽能板輸出的電量大于鉛酸蓄電池當前工作狀態下可接受的輸入電量時， 多余的部分能量將保存在超級電容器組中； 反之， 當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， 超級電容器組內儲存的電量可補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充電， 延長使用壽命， 也可以提高系統利用率。

　　3. 5 實驗仿真

　　如圖6 所示為protues 仿真器中當超級電容器組端電壓為4. 5 V時U C3909 5 腳輸出脈沖及此時DC/DC 的輸出波形。仿真顯示， 5 腳輸出頻率為200 kHz,DC/ DC 轉換電路的輸出較為平滑， 且電壓幅值為13. 6 V, 屬于設定輸出電壓范圍， 與實測效果基本相符， 說明系統可以實現弱光充電功能。

圖6 UC3909 5 腳輸出U5 及DC/ DC 電路U0 輸出波形

　　4 結語

　　本系統采用超級電容器組與鉛酸蓄電池做太陽能路燈照明系統混合儲能元件， 利用超級電容器組及升降壓電路實現弱光充電功能， 有效提高太陽能板利用率。同時利用UC3909實現鉛酸蓄電池的四階段充電管理， 延長了蓄電池使用壽命， 提高系統穩定性及使用效率。