發(fā)布時間:2018/9/10 8:56:25 來源:本站
太陽能是地球上最直接最普遍最清潔的可再生能源。隨著能源問題的日益突出和太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,太陽能路燈的應(yīng)用正受到日益廣泛的重視。太陽能路燈主要由太陽能光電池組件、蓄電池、控制器和照明燈具組成。其中控制器是太陽能路燈的核心部分,主要負(fù)責(zé)蓄電池的充放電控制。本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器。
路燈蓄電池選用鋰離子電池。鋰電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點,因而得到了普遍應(yīng)用。鋰電池的能量密度很高,它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍,而且具有很低的自放電率。此外,鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”以及不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點也是它廣泛應(yīng)用的重要原因。但對于鋰電池的充電過程,要求是比較嚴(yán)格的。
鋰電池的充電曲線如下圖1。
鋰電池的充電過程:(1)如果開始充電時,電池電量很低(例如低于13V),那么必須用小電流(大概為0.24A)開始充電,即涓流充電。如果電壓高于13V就不必進(jìn)行這個步驟。(2)當(dāng)電池電壓大于13V可以開始大電流充電,恒流充電。隨著充電的進(jìn)行,電池電壓逐漸升高。(3)當(dāng)電池電壓達(dá)到或接近充滿電壓(如16.8V左右)時,則要開始轉(zhuǎn)入恒壓充電;當(dāng)電流減少到大概0.25A左右,則停止充電。由此可見,對于鋰電池充電過程的控制,電壓電流的檢測是非常關(guān)鍵的。
圖1 鋰電池的充電曲線
圖2 實際電流數(shù)據(jù)采集和線性擬合
圖3 單片機(jī)檢測出的電流數(shù)據(jù)采集和線性擬合
利用一個電位器把電池的電壓降低,輸進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(如ADC0809)的第一個通道中,然后通過單片機(jī)(如STC89C52)來計算電壓。
檢測比較大的直流電流的方法不多,這里采用一個小電阻R(0.05歐姆)來檢測電流,小電阻兩端的電壓通過運放放大,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)中,測得電壓U0后除以放大倍數(shù)Au f得到實際的電壓U,再根據(jù)歐姆定律(U=I*R)計算出電流I的大小。
用一個小電阻來檢測電流存在的問題是:小電阻的阻值會發(fā)生變化。實際上絕對線性的電阻是不存在的。例如,絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻都隨溫度的升高而升高,當(dāng)電流通過金屬導(dǎo)體時,將電能轉(zhuǎn)化為熱能,使金屬導(dǎo)體的溫度升高,阻值就不是常數(shù),而是隨著電流或電壓變化。本系統(tǒng)中檢測出來的充電電流跟實際的充電電流不一樣,但存在一個規(guī)律是:電流越大檢測出來的電流跟實際電流的偏差就越大,它們成線性的關(guān)系。這是由于小電阻阻值隨溫度變化而造成的。以下是實驗采集的單片機(jī)測得電流和實際電流的一些數(shù)據(jù)如表1所示。
這兩組數(shù)存在著線性的關(guān)系,利用Matlab對第一列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先求出它的關(guān)系式,假設(shè)關(guān)系式為:
使用Matlab求出系數(shù)a(1)和a(2):
a(1)= 0.0100 a(2)= 0.2100 所以這組數(shù)據(jù)可以用關(guān)系式:
來表示。采集的數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線如圖2。
對第二列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先求出它的關(guān)系式,也假設(shè)關(guān)系式為:
使用Matlab求出系數(shù)a(1)和a(2):
a(1)= 0.0147 a(2)= 0.2109 所以這組數(shù)據(jù)可以用關(guān)系式
來表示。采集的數(shù)據(jù)和線性擬合后的曲線如圖3。
結(jié)合關(guān)系式(1)和(2)便可得出兩列數(shù)據(jù)的關(guān)系式y(tǒng)1=0.680272*(y2-0.2109)+0.21,其中y1表示實際的電流,y2表示單片機(jī)檢測出來的電流,單片機(jī)檢測出來的電流y2通過上式的轉(zhuǎn)換后變成y1,便是實際的電流。
充放電控制電路如圖4,本方案采用PWM脈沖調(diào)制控制保護(hù)技術(shù),不僅能有效地保護(hù)蓄電池,防止過充電現(xiàn)象的發(fā)生,還能快速、平穩(wěn)地為蓄電池充電。所謂PWM控制就是控制輸出波形的占空比,周期并不改變,通過開關(guān)管的導(dǎo)通與閉合來控制充放電。鋰電池的充電曲線圖如圖1,具體的控制電路如圖4,蓄電池的電壓低于13V時,單片機(jī)輸出一個相應(yīng)占空比的脈沖,控制三極管(Q1)通和斷的時間,從而控制場效應(yīng)管IRFZ44(Q3)的通和斷,使到充電的電流為0.24A左右,此時處于預(yù)充狀態(tài)。蓄電池的電壓高于13V時,單片機(jī)輸出一個高電平(相當(dāng)于PWM占空比為1),三極管(Q1)導(dǎo)通,場效應(yīng)管IRFZ44(Q3)處于截斷狀態(tài),此時太陽能電池板以最大的電流為蓄電池充電--恒流充電。當(dāng)蓄電池電壓接近或等于16.8V時,通過控制占空比,也使場效應(yīng)管IRFZ44(Q3)實現(xiàn)通斷控制,使充電狀態(tài)處于恒壓浮充狀態(tài)。當(dāng)電流小于一個值(0.24A)時,單片機(jī)就輸出一個低電平,使場效應(yīng)管IRFZ44(Q3)完全導(dǎo)通,停止給蓄電池充電。
表1
照明燈亮和滅的控制原理如圖4,當(dāng)單片機(jī)控制照明燈的控制腳輸出高電平(5V)的時候,三極管Q2就會導(dǎo)通,三極管Q2集電極E的電壓變低(約為0V),此時加到場效應(yīng)管(Q4)柵極的電壓就會變低,場效應(yīng)管就截止,流過照明燈的電流減少到0。相反,當(dāng)單片機(jī)控制照明燈的控制腳輸出低電平(0V)的時候,三極管Q2就會截止,三極管Q2集電極E的電壓高,此時加到場效應(yīng)管(Q4)柵極的電壓也就高,場效應(yīng)管就導(dǎo)通,流過照明燈的電流大,照明燈打開。
充放電控制器是太陽能路燈的核心部件,針對鋰蓄電池充電的特殊要求,本文巧妙地采用簡單電路檢測充放電電壓電流、軟件補(bǔ)償用于檢測的小電阻的溫度效應(yīng),省卻硬件補(bǔ)償?shù)馁M用,降低了成本。由單片機(jī)根據(jù)采集到的充放電電壓電流參數(shù),發(fā)出各種控制信號,實現(xiàn)充放電控制,使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運行,更好地保護(hù)了鋰電池,延長了整個太陽能路燈系統(tǒng)的使用年限。因而,本文設(shè)計的太陽能路燈充放電控制器具有較高的實用價值,對太陽能路燈的推廣起到了促進(jìn)作用,是有益的嘗試。
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