基于超级电容-铅酸蓄电池混合储能的太阳能充电器设计

0 引言

　　近年来随着能源短缺问题日益突出， 太阳能、风能等新型无污染的替代能源应用日益受到重视。独立型太阳能照明系统因其结构简单、无需铺设电缆， 且搭建、携带较为方便等特点在照明领域有着广泛应用前景。

　　但目前急需解决的有铅酸蓄电池使用寿命较短及系统在弱光条件下充电能力不足这两大问题。系统储能元件铅酸蓄电池设计寿命约三年， 但由于充电方式、存储方式以及人为等诸多因素的影响导致其使用寿命过短，需要经常更换， 不仅加大了使用成本也影响了系统的稳定性。另外大部分已使用的系统在弱光条件下充电能力不足， 导致系统太阳能板利用率不高； 传统提高弱光充电能力的方法是采用组态优化控制来实现， 即根据外界光照强弱采用继电器控制太阳能板组件按照串联或并联等不同的组合方式给蓄电池充电， 确保太阳能板组件输出电压始终达到设定充电电压。这种方法虽然可以实现弱光充电， 但在组态变化的瞬间， 电路输出电压波动较大， 影响系统稳定性。此外， 由于采用继电器控制， 继电器的机械开关触点在工作较长时间后容易磨损失灵甚至引起误操作。为了有效提高系统弱光充电能力， 本文采用超级电容器组及升降压电路来实现弱光条件下有效充电， 并采用UC3909 实现对胶体密封铅酸蓄电池智能化充电管理， 延长蓄电池使用寿命。

　　1 铅酸蓄电池充电特性

　　铅酸蓄电池的充电特性是由其最大接受充电能力来体现， 是在保证蓄电池析气率较低、温升较低时所能承受的最大充电电流。其充电特性曲线方程式为：

　　式中， I 为充电电流； I 0为初始最大充电电流； a 为最大接受力比； t 为充电时间。

　　在实际的电池充电管理过程中， 要使蓄电池的充电过程完全吻合该充电特性曲线存在较大困难。因此本着提高充电效率、保障蓄电池使用寿命、实现合理有效充电的原则， 参考充电特性曲线， 采用智能控制芯片UC3909 实现对胶体密封铅酸蓄电池分段充放电控制管理。

　　2 基于UC3909 控制器的四阶段充电

　　目前独立型太阳能照明系统中蓄电池充电控制器一般采用的是三阶段充电方式，即先恒流充电、再恒压充电、后浮充充电。但由于某些应用场合的蓄电池会经常出现过度放电的情况， 如果一开始就直接进入较大电流充电的恒流充电阶段， 容易造成热失控， 易损坏蓄电池。所以在最开始的时候应该采用小电流IT 充电的涓流充电模式， 等蓄电池的端电压达到设定的充电使能电压UT 时， 再进行恒流充电。UC3909 芯片可以根据蓄电池的状态实现涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段合理充电， 如图1 所示。

　　图1 UC3909 的四阶段充电曲线

　　状态1： 涓流充电。

　　当蓄电池电压低于充电使能电压UT ， 充电器提供很小的涓流IT 进行充电， IT 一般约为0. 01C（ C 为蓄电池容量）状态2： 恒流充电。

　　当蓄电池的电压达到充电使能电压UT 时， 充电器提供一个大电流I BULK 对蓄电池进行恒流充电， 这一阶段是充电的主要阶段， 蓄电池端电压上升很快， 直至电压上升到过压充电电压UOC 时进入恒压充电阶段。

　　状态3： 恒压充电。

　　在此阶段， 充电器提供一个略高于蓄电池额定值的电压UOC进行恒压充电， 电路的充电电流将按指数规律逐渐减小， 直至电流大小等于充电终止电流I OCT（约为10 % IBULK ） ， 蓄电池已被充满， 充电器进入浮充充电状态。

　　状态4： 浮充充电。

　　浮充充电阶段， 充电器提供浮充电压UF 对蓄电池以很小的浮充电流进行充电， 以弥补蓄电池自放电造成的容量损失。同时由于蓄电池的浮充电压随温度变化而变化， 因此需要选择与蓄电池相同温度系数的热敏电阻进行温度补偿， 确保在任何温度下都能以精确的浮充电压进行浮充充电。温度系数一般选择- 3. 5~ - 5 mV/ 。

　　3 充电电路设计

　　图2 所示为基于U C3909 太阳能蓄电池充电器电路框图， 光伏阵列经过电压电流采样再经模数转换将数字信号反馈至单片机， 单片机根据光伏阵列的工作状况输出PWM 信号去驱动PMOS 管， 实现对光伏阵列的最大功率跟踪。超级电容器组、DC/ DC 变换器、UC3909 用来实现对阀控铅酸蓄电池的四阶段充电控制， 并利用超级电容的特性优化充放电过程。本文侧重对超级电容器组、U C3909 及DC/ DC 变换器等部分实现对阀控铅酸蓄电池四阶段的充电分析及设计。

　　图2 系统框图

　　3. 1 UC3909 充电器主要参数设计

　　基于UC3909 的充放电电路如图3 所示。

　　图3 基于UC3909的充放电电路

　　根据UC3909 内部集成电路及光伏阵列、超级电容参数并结合阀控铅酸蓄电池的容量及额定电压等参数对电路各个部分进行合理计算设计。本设计使用赛特公司生产的12 V， 65 Ah胶体密封铅酸蓄电池， 根据厂家提供的蓄电池充电参数， 浮充电压UF 取13. 8 V，充电使能电压UT 取10. 8 V; 过压充电电压UOC 14. 7V; 涓流充电电流I TC 取0. 26 A; 恒流充电电流I BU LK 取系统最大充电电流6. 5 A; 过充终止电流IOCT 取1 A.

　　根据以上厂家所提供的蓄电池参数， 参照UC3909 芯片资料及相关参考文献，计算U C3909 外围元件参数， R S1、RS2 、RS3、RS4计算公式如下：

　　式中， UREF 为UC3909 内部基准电压2. 3 V.代入相关值计算得（ R S1、RS2、RS3、RS4 分别为245 k Ω 、16 kΩ 、53kΩ 、975 kΩ 。

　　另外， 可以根据流入U C3909 内部电流误差放大器反向输出端CA 的固定控制电流ITRCK 、涓流充电电流I T 、恒流充电电流IBULK及过充终止电流IOCT 计算得出RG1、RG2 ， R OVC1和ROVC2 ， 其基本计算公式如下：

　　RSET 取11. 5 k ， 电流采样电阻RS 取55 m ， 代入式（ 5）、（ 6） 得：

　　ROVC1和R OVC2满足以下关系式：

　　最终ROVC1和ROVC2 分别选取为1 k Ω ， 10 kΩ 。

　　3. 2 铅酸蓄电池的温度补偿

　　光伏系统中的铅酸蓄电池一般与太阳能板一起安装在户外， 而周围温度的变化对铅酸蓄电池的性能有重大影响， 有研究表明，铅酸蓄电池的浮充电流对温度极为敏感， 温度每变化10℃， 浮充电流成倍增长， 对于本设计中用到的蓄电池， 根据厂家提供的参数， 同一浮充电流下， 其温度系数为- 3. 9 mV/ ℃ ， 也就是说如果要防止浮充电流增加， 当温度升高1 时， 其浮充电压应该降低3. 9 mV ; 同理， 当温度降低1 时， 其浮充电压应该升高3. 9 mV才能保持浮充电流不变。

　　图4 铅酸蓄电池温度补偿电路

　　U C3909 内部集成了具有铅酸蓄电池温度补偿功能的电路如图4 所示， A1 为电流/ 电压转换元件， 其输入端分别接10 kΩ 普通电阻及10 k Ω 热敏电阻。A2 与外接四个20 kΩ 电阻组成差动运算放大电路。RT HM 一般贴附在铅酸蓄电池的表面壳体用于检测其温度， 当铅酸蓄电池内部温度变化时， 通过热敏电阻RTHM 的反馈使U C3909 的基准电压2. 3 V 也随温度按- 3. 9 mV/℃ 的温度系数变化。从而确保铅酸蓄电池在浮充状态下准确工作于安全的浮充电压， 保护了铅酸蓄电池。

　　3. 3 DC/ DC变换器设计

　　由于光伏阵列受外界环境影响较大， 本系统中12 V的太阳能板输出电压的变化范围约为0~ 20 V，如果直接为铅酸蓄电池充电， 由于铅酸蓄电池的正常工作电压要高于10. 8 V， 因此当弱光条件下， 太阳能板的输出电压低于铅酸蓄电池的端电压时， 其产生的电能不能被铅酸蓄电池吸收。因此本系统采用把太阳能板输出经过超级电容器组， 再由超级电容器组先经升降压后为铅酸蓄电池充电， 有效增强系统弱光充电能力， 提高利用效率。

　　本设计采用升降压模式， 如图5 所示， 超级电容器组接DC/ DC 转换电路的输入端， 设定输入范围为4. 5~ 20 V， 输出电压范围为10. 8~ 14. 7 V.Q1 由单片机输出PWM 信号控制， Q2 由UC3909 的5 脚经MOS 管驱动电路控制， 5 脚输出PWM 频率由UC3909 的18 脚所接电阻RSET 及19 管脚所接电容CT决定， 公式如下：

　　图5 DC/ DC转换电路

　　UC3909 的工作频率设定为200 kH z.同时在蓄电池的充电回路中还串接电流采样电阻RS ， RS两端的电压信号作为U C3909 芯片内部电流采样放大电路的输入信号分别接于CS ， CS+ 输入端， 考虑到充电电流较大， 为减少RS的功耗同时防止U C3909 芯片内部电流采样放大电路饱和失真， RS 应尽量小， 本电路中取55 m 。

　　3. 4 超级电容器组在系统中的作用

　　（ 1） 超级电容具有使用寿命长， 充放电限制少， 功率密度大， 充电电池比能量高， 可快速大电流充放电等优点， 是一种新型高效的储能器件。但由于其能量密度仅为铅酸蓄电池的1/ 5， 无法满足太阳能路灯照明这种大功率电路系统大容量储能的要求。因此本系统中采用蓄电池组与超级电容器组混合储能， 结合超级电容功率密度高及铅酸蓄电池能量密度高的特点， 提高储能系统性能。

　　（ 2） 本系统中采用8 个2. 7 V， 1 200 F的超级电容串联成额定电压21. 6 V， 容量为150 F的超级电容器组， 由于12 V太阳能板在强光照射时其输出电压约为20 V， 采用21. 6 V超级电容器组既可确保储能器件的安全同时可以充分吸收太阳能板输出能量。

　　（ 3） 由于系统采用MPPT 技术来实现最大功率输出， MOS 的高速导通与关断都会在输出端产生相应干扰谐波， 在太阳能板输出端及铅酸蓄电池间加上超级电容器组可以有效抑制干扰谐波， 保证铅酸蓄电池平稳充放电， 延长铅酸蓄电池使用寿命。

　　（ 4） 铅酸蓄电池只能工作在UT 至UOC 电压范围内（ 以12 V 铅酸蓄电池为例， 只能工作在10. 8~ 14. 7 V之间） 。相比之下， 由于超级电容器组可深度放电， 其工作电压可以设定在较低范围， 如该系统中设定超级电容器组的最低输出电压为4. 5 V.因此在弱光状态下， 太阳能板的输出电压会高于超级电容器组端电压，确保输出电能被超级电容器组吸收储存， 再由升降压电路转换输出给铅酸蓄电池， 即实现了弱光充电功能。

　　（ 5） 由于铅酸蓄电池的充电条件极为严格， 在蓄电池的不同四个充电阶段下， 其允许输入的电量不同， 而太阳能板的输出受外界环境影响变化很大。当太阳能板输出的电量大于铅酸蓄电池当前工作状态下可接受的输入电量时， 多余的部分能量将保存在超级电容器组中； 反之， 当太阳能板输出的电量小于铅酸蓄电池可接受的输入电量时， 超级电容器组内储存的电量可补偿不足输出给铅酸蓄电池。这样既可以确保铅酸蓄电池的平稳充电， 延长使用寿命， 也可以提高系统利用率。

　　3. 5 实验仿真

　　如图6 所示为protues 仿真器中当超级电容器组端电压为4. 5 V时U C3909 5 脚输出脉冲及此时DC/DC 的输出波形。仿真显示， 5 脚输出频率为200 kHz，DC/ DC 转换电路的输出较为平滑， 且电压幅值为13. 6 V， 属于设定输出电压范围， 与实测效果基本相符， 说明系统可以实现弱光充电功能。

　　图6 UC3909 5 脚输出U5 及DC/ DC 电路U0 输出波形

　　4 结语

　　本系统采用超级电容器组与铅酸蓄电池做太阳能路灯照明系统混合储能元件， 利用超级电容器组及升降压电路实现弱光充电功能， 有效提高太阳能板利用率。同时利用U C3909 实现铅酸蓄电池的四阶段充电管理， 延长了蓄电池使用寿命， 提高系统稳定性及使用效率。