[科普中国]-充电控制器

设计要求太阳能电池板

太阳能电池板是太阳能光伏系统中的核心部分，其作用是把太阳的辐射能转换为电能。太阳能电池目前采用单晶硅、多晶硅、光伏薄膜电池等，其原因是将其做成类似二极管中的 P-N 结。其工作原理与二极管类似。只不过在二极管中推动 P-N 结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响P-N 结空穴的电子运动方向的是太阳光能,也就是通常所说的“光生伏特效应原理”。由光能推动的电子的定向运动而产生电源,也即发电。太阳能电池是由很多P-N结串联或并联的组合件 (串联得到较高的使用电压，并联得到较大的应用电流 )。一般情况下,要求对太阳能所产生的电能尽可能地加以利用, 因此要求充电电路 (在电池电量未足时)做到充电电流最大化,即充电电路阻抗最小。所以控制电路还应采用有功率跟踪控制。

蓄电池蓄电池作为太阳能系统配件不可缺少的一份子,是把太阳能光伏电能转化成化学能储存起来的装置。就12V蓄 电池来说,正常情况下电压为12.4v-12.8v(胶体电池达到13伏)。正常的铅蓄电池在放电时形成硫酸结晶,充电时还原为铅, 如果电池经常充电不足或过放电、电池长期存放等都会硫化, 其负极上就会形成一种粗大坚硬的难以接受充电的硫酸铅结晶,此现象被称为“ 不可逆硫酸盐化”( 简称电池硫化 ), 轻则硫化会降低电池的容量,电池内阻增大,严重时则极板失效、报废。因此蓄电池的使用和维护正确与否对蓄电池的使用寿命影响甚大 。

正常的使用应注意:

1) 终止电压: 指电池放电时, 电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。(12V铅酸蓄电池最低使用 电压为10.5V)。

2) 过放电: 电池若是在放电过程中超过电池放电的终止电压值还继续放电时,就可能造成电池内压升高,正负极、活性物质的可逆性遭到损坏,使电池的容量产生明显减少。

3) 过充电: 在充电过程中电池的电压会随着储存电量的增加而逐渐上升, 当电池储存的电量达到饱和、电极材料无法继续分解时,若继续充电则电解液会产生电解,并且在阳极产生氧气,在阴极产生氢气,气体会从蓄电池中溢出, 造成电解液减少,且会在电池内部造成压力( 尤其是密封电池 )上升, 会对电池内部结构造成破坏, 这种现象称为过充电 (铅酸蓄电池一般允许充电电压不超过14.5 v)。鉴于太阳能充电控制系统具有上述特性, 为了延长蓄电池的使用寿命, 必须在蓄电池前端设置充放电保护电路。

基于太阳能的一般配置原则, 如:

1) 太阳能电池功率必须比负载功率高出 4 倍 以上。

2) 蓄电池容量必须负载日耗量高 6 倍以上 为宜。 因蓄电池容量过大,蓄电池始终处于亏电状态, 影响电池寿 命。

3) 蓄电池每月至少应有充满几次状态。 负载应选择低能耗用电器,如 LDE ( 发光二极管等)。

性能要求1) 当蓄电池充 电达到浮充值 ( 目前设定为 14.5v) 时,控制器启动卸载电流功能,防止电池过充;

2) 当电池出现过放 现象 ( 10.5v) 时, 控制器启动卸载负载;

3) 任何控制器故障不影 响航标灯正常工作;

4 ) 防水防腐 IP76级 ;

5) 控制器功耗要小 ; 输出电流大;

6) 安装简便,能直观预判断蓄 电池当前状态1。

控制系统概述太阳能控制系统由太阳能电池板、蓄电池 、控制器和负载组成,系统框图如图所示 。

控制电路采用新 型的芯片, 该芯片通过 对太阳能 电池板电压、 蓄电池 电压、 环境温度等参数 的检测判 断,控制开关电路 ( 采用肖基二极管 ) 的开通和关断,达到各种控制和保护的功能。 本太 阳能控制器 具有 以下主要功 能

1.过充保护: 充 电电压高于保护 电压 时,自动关 断对蓄 电池充 电; 此后当 电压掉至维持电压 ( 13.s v) 时,蓄电池进入 浮充状态,当蓄电池 电压低于恢复 电压 后浮充关 闭,进入均充状态, 到达 1 4.V5 后充电关 闭。

2.过放保护; 当蓄电池 电压低 于保护 电压 时,控制器 自动关 闭输出以保护蓄 电池不受损坏。 当蓄 电池再次充电后, 又能 自动 恢复供 电。

3.负载过流及短路保护: 负载电流超过 10A 或负载短路后,自动关 闭电源 输出。

4.过压 保护: 当 电压过高时,自动关 闭输出,保护 电器不受损坏。

5.具有防反充功 能: 采用肖基二极管防止蓄 电池 向太阳能电池充 电。

6.具有防雷击功能: 当出现雷击的时候, 压敏 电阻可 以防止雷击, 保护控制器不受损坏。

7.太阳能 电池反接保护: 太 阳能 电池“ +” “ - ” 极性接反, 纠正后可继续使用。

8.蓄 电池反接保护。

9.蓄 电池开路保护: 万一蓄 电池开路, 若在太阳能 电池正常充 电时。控制器将限制负载两端 电压, 以保证负载不被损伤, 若 在夜间或太 阳能 电池不充 电时,控制器 由于 自身得不 到电力, 不会有任何动作。2 94 脆蔺广东省航海学会

10.具有温度补偿功能。1

控制器设计1.当蓄电池 电压处于正常情况下,单片机控制的开关电路开通, 此时太阳能 电池 向蓄电池充电; 当蓄 电池 电压 达到 13.2v 时,此 时处于浮充状态; 当蓄 电池 电压高于设定的过充点14.5v时,此时充电回路进行短路保护, 停止充电; 当蓄 电池 电压下降到 13.5v时,恢 复正常充 电状态。

2.当蓄电池 电压低于设定的过放点 10.5v时, 单片机控制的输 出截止, 此 时负载无输出; 当蓄电池 电压达到 12.4v 时, 单片机控制输出电路导通,此时负载过放恢复正常。

3.显示电路。 此控制器采用两个双色 LDE 发光二极管显示充、放电状态,A 亮红灯 为正常充电: B 绿灯表示 电池己充满; C 红灯闪烁为电池 电压过低或 电池接 触不 良。两个双色 LDE 发光二极管显示非常直观, 给用户带来了方便。

4.温度补偿。蓄电池 的容量是随温度的变化而变化 的, 温度升高,蓄 电池 的容量将上升, 温度下降,蓄电池的容量将减少。 如果充放 电流维持 不变,相应 的充放 电率将改变, 不 同的充放 电率对应着不 同的过充、 过放点, 因此要采用温度补偿对蓄电池进行保护。 根据标准温度补偿的范围为-3 ~ -7mV / ℃ / 节,我们 取中间值- 5 mV / ℃ / 节。 因热 敏电阻MF58 在 - 5 ~ 45 ℃ 其阻值有近似的线形关系, 可 以实现温度补 偿。环境温度变化时,热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化。 单片机通过采样温度参数, 将采样值与存储在单片机内的 电压值比较, 对蓄电池的充电电压、 放电电压进行适当控制,从而保护蓄电池。

5.充电方式采用脉冲充电, 其对电池有去硫化的作用,对新电池有抑制电池硫化的功能。1