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