太阳能充电器电路设计论文范文

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1设计方法

1．1电路与方框图硬件部分主要由IC1单片机(ATMEGA8_TQFP32)、IC2升压模块GS3662、IC3数字电位器X9313、IC4测电流的霍尔元件AMP4953和IC5宽电压稳压器等部分组成(图1)。用单片机来控制数字电位器作为输出回路自动分压电阻;用可控的测电流霍尔元件作为检测输入回路电流大小的器件;应用单片机对整个装置进行自动控制，检测输入回路中电压和电流值，并判断和选取最合适的太阳能电池板输出电压和电流值，保证蓄电池能从太阳能电池板上获得最大的充电功率;还能检测输出端的电压，判断有无接负载或负载变动情况来解决现有充电器波动大、效率低的问题。(1)主电路。由IC2升压模块GS3662、IC3数字电位器X9313和IC4测电流的霍尔元件AMP4953等部分共同组成(图2)。单片机采集的输入电压检测端，通过R2接到IC2升压模块的4脚，同时在霍尔元件IC4的7脚上采集输入电流值，作判断太阳能电池板的供电回路电流大小之用，同样对它的检测可用来判定最终输出功率的大小。两个输出电压检测端，分别设在快恢复二极管D4的输入和输出两端。通过对电压的检测来判断有无接有负载或是否有充电电流等情况。以上所采集的检测信号经单片机处理后控制IC3数字电位器的对应脚，以改变数字电位器的大小。由于数字电位器是并接在输出回路中，所得到的输出功率是以回路中的电流和输出电压的大小来决定的。因此，根据回路中电流的大小选取对应输出电压的大小是本充电器获取最大输出功率的关键［6］。(2)单片机模块电路。充电器的核心是IC1单片机，选用了高性能的ATMEGA8_TQFP32［7］。5V直流电压经过L2、C2和C3组成的滤波电路供给单片机，可驱动IC2升压器工作，8脚是输出电压控制开关端，它通过D1直接供给IC2升压器输出端，30与31脚是与计算机相连的通信串口，12脚外接单片机工作指示灯，23脚采集的是输入电压信号，24和25脚采集的是输出电压(OUT1和OUT2)，26脚采集的是输入电流，15、16和17脚是与编程器相连的通信接口。该电路外围元件少，使用起来及其方便，性能非常稳定，无需调试(图3)。49(3)电源模块电路。模块IC5是一宽电压稳压器，其1脚输入接太阳能电池板的输出端，经过稳压控制后，从2脚输出5V直流电压供整机使用，Z1是输出稳压管，稳压值是5V，CD4和C9组成滤波电路，可以减少输出电压的纹波系数［8］。

1．2软件实施流程软件流程图见图4。首先要对系统外围和CPU进行初始化处理，接下来完成两项工作，其一是采集充电器的两路输出端电压(OUT1、OUT2)并进行比较，当OUT1＞OUT2时，表示蓄电池处于充电状态。当OUT1＜OUT2时，表示此时太阳能电池电压太低，系统应判断后自动调整电位器IC3，使输出电压逐渐升高，直到出现OUT1＞OUT2的充电状态。其二由单片机分别采集太阳能电池板输出端(充电器输入端)的电流和电压值，并求其功率Pi1=Ui×Ii，将Pi1设置为基准功率值Pb1，通过不断向上或向下调整电位器IC3，其每调整一次，就采集一个太阳能电池板输出端的功率值Pi(n)(n=1、2、3、…n)，并将该值设置为新的基准功率值，并与调整后所求的功率值Pi(n+1)进行比较，通过不断调整电位器IC3，来即时寻找最大功率值。

1．3硬件设计与调试本机硬件采用了抗干扰性强的32位单片机ATMEGA8_TQFP32作为控制器件，以满足复杂算法带来的大量数据的处理，同时可避免在最大功率点附近因拢动造成的功率损失。软件上采用看门狗电路和软件陷阱等多种手段来保证电路的可靠工作。在电路EMC设计中增加了电磁屏蔽等相关措施，如摸拟信号电路和数字信号电路布线时要求分开，各成系统独立布线;模块外部分立元件要使用表面贴片元件以减少引线分布参数的影响;采用多层板结构，确保有完整的GND层;电源采用宽的走线或铺铜，以减小供电系统的阻抗。

2结果与分析

2．1常用技术参数分析经过在常温下对12V组/24V组渔船用太阳能充电器进行测试，发现所得到的技术参数均在设计范围以内，且满足设计要求。下表为该充电器常用技术参数表。

2．2MPPT跟踪效果分析为了分析MPPT跟踪效果，我们选取了渔船用24V组太阳能电池作为样本，由于太阳能电池板受不同光照的影响，在测试中选取了几组不同的单位平方输出功率值(700w/m2、800w/m2、900w/m2、1000w/m2)作为测试条件，判断在不同光照强度下太阳能电池板达到MPPT点的趋势和位置。同时测得在单位时间内，针对不同的单位平方输出功率值，其输出电压与输出电流的波动情况。应用比较输出功率逐次逼近法控制的最大功率点(MPPT)跟踪效果如图5所示。在图5a中可以看出，针对不同的单位平方输出功率值，单位时间内电压的波动较小，但随着功率值逐渐增大，电流曲线图上升沿陡、超调量较小，说明系统动态的响应较好。图5b反映了太阳能电池板在不同光照情况下输出电压与所对应输出功率之间的关系。在图中可以看出太阳能电池板达到MPPT点的趋势和位置(图中虚线)。从曲线中可以看出MPPT运行点较为平稳，其上升段较慢，而过最高点后则变化较快，相对摆动幅度较小，说明充电器系统MPPT跟踪效果较为理想，动稳态精度较高，已经达到了设计要求［12］。

2．3充电过程关键值的选取充电器采用了3个阶段充电方式:恒流阶段、恒压阶段和浮充(涓流)阶段。其中，在充电测试过程中有3个重要参数要控制好，这会影响蓄电池组的寿命。它们是涓流阶段的低恒压值，恒压值和恒压阶段转涓流阶段的电流(转换电流)值。这些值与电池容量、工作温度和电池种类有着密切关系。以船用双组12V蓄电池串联输出24V为例，设定各电压值，其中涓流阶段的低恒压值可选为28．5V左右，该值要求相当精准，如过高容易使电池组失水导致电池发热变形，过低又不利于电池充足电。此值在南方海域的船上可选择低于27．5V。充电恒压值可设定为30．5V，此值过高有利于快速充电，但也容易使电池失水，如太低则不利于电池充足电，但对提前向涓流阶段转换有好处。转换电流可选为280mA左右，该值取高一些不容易使电池发热，可延长电池寿命，但不利于电池的快速充足。以上关键值在编制软件时，要特别加以注意，以确保每一时刻蓄电池组从太阳能电池板上获得最大的充电功率，并保证蓄电池组的充电寿命。

3结论

介绍了一种基于单片机控制的渔船用太阳能电池充电器电路的设计方案，即采用新型单片机技术实现蓄电池从太阳能电池板上获得最大充电功率的方法和途径，所得充电器的技术参数均在设计范围内，且满足设计要求。经过在渔船上试用，其性能和技术指标已基本达到国内外同类产品的先进水平，具有广泛的实用价值。

作者：黄宇航罗锦宏唐龙王烨青单位：常州信息职业技术学院