独立光伏照明中的能量管理研究

　　说明太阳能电池阵列输出功率为电压增加方向；

　　如果：

　　说明太阳能电池阵列输出功率为电压减少的方向。

4 蓄电池充电策略

　　4.1 概述

　　蓄电池的容量和寿命是蓄电池的重要参数，它们受充电方法影响很大。在独立光伏照明系统中，由于太阳能电池本身的非线性以及其输出受到光强和温度的影响，传统充电方法如恒流充电法不再适用。系统中不再仅仅关心蓄电池的充电速度；取而代之的是如何在充电的过程中既能最大限度地利用太阳能电池，又能合理地实现充电的最小损耗和蓄电池的最长寿命。在这套光伏系统中采用的策略就是以太阳能电池电压、电流和蓄电池电压、电流、容量同时作为变量和对象的综合控制策略。

　　蓄电池的使用，归根结底是如何利用蓄电池的充放电特性。有效、科学地使用蓄电池，对提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命，起着非常关键的作用。

4.2 蓄电池分段式充电方法

　　对于一个蓄电池而言，选择适当的充电方法，不只可以延长蓄电池的使用寿命，而且还可以提高充电效率。这就需要准确判断蓄电池的充电状态从而选取充电电路的工作状态。控制器使用的充电电路采取了快充、过充、浮充3个阶段的充电方法：

　　（1）快充阶段：在快充阶段，充电电路的输出等效于电流源。电流源的输出电流根据蓄电池的充电状态确定，为蓄电池最大可接受电流IMAX。充电过程中，电路检测蓄电池端电压。当蓄电池端电压上升到转换门限值后，充电电路转到过充阶段。

　　（2）过充阶段：在过充阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压Voc，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值Ioct时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转到浮充阶段。

　　（3）浮充阶段：在浮充阶段，充电电流给蓄电池提供一个精确的、具有温度补偿功能的浮充电压VF。

　　4.3 浮充电压温度补偿

　　蓄电池在充满电后，保持电量的最好方法就是加一个恒定电压到蓄电池上。这对充电电路提出了提供合适浮充电压的要求。浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电池的自放电电流；又不能太大，以免导致蓄电池内部因过充而发生化学成分的分解。在适当的浮充状态下，全封闭免维护铅酸蓄电池能够稳定工作6~10年。而浮充电压即使只有5%的偏差，也会使蓄电池的寿命减半。

　　必须考虑的是，铅酸蓄电池的电压特性具有明显的负温度系数，2V的电池约为-4.0mV/℃。也就是说，一个在25℃能够正常工作的充电器，在0℃时就不能提供和保持足够的电量；而在50℃时这个充电器会导致严重的过充。合理考虑温度变化范围，充电器应该根据蓄电池的温度系数给予某种形式的补偿。实际中利用式（2）来确定浮充电压VF。其中VF0和T0分别为基准点的电压和温度值，C为电压温度系数：

　　控制器中，由单片机和检测电路组成的充电控制电路有效地满足了以上要求。它同时检测充电电压、充电电流和蓄电池温度，根据蓄电池状态可以提供3种充电状态还包括有充电状态下的过流、过充保护，浮充状态下的温度补偿等功能。可以使蓄电池的寿命得到最大限度的延长。

　　5 控制器硬件拓扑设计

　　5.1 充电电路硬件设计

　　为实现上述充电控制策略，充电电路的硬件拓扑采用了BUCK电路，拓扑与控制示意图如图3所示。在快充阶段，充电电路连接太阳能电池与铅酸蓄电池，通过调整BUCK 电路的驱动占空比，达到控制太阳能电池输出电流的目的，最终实现太阳能最大功率点跟踪；在过充和浮充阶段，充电电路仍然调整BUCK电路的驱动占空比，不同的是转为控制蓄电池的充电电流，使之不超过蓄电池的最大可接受电流。