3．1 充电控制模块
TI公司的UC3906芯片是专门针对铅酸电池充电设计的，内部的逻辑电路提供多种充电状态，并对温度进行了精确的跟踪补偿，可以发挥电池的最大容量，延长电池的使用寿命。
利用18V／2W的太阳能电池板对12V／1Ah铅酸电池进行充电，输入电压Uin=18 V，过充电压Uoc=15 V，浮充电压UF=14．5 V，过充转换电压为14．25 V，浮充转换电压为11．7 V，最大充电电流Imax=0．5 A，过充终止电流50 mA。由于充电电路始终接在电池上，为了防止蓄电池电流倒流入太阳能电池板造成其损坏，在晶体管与输出电路之间接入二极管1N4001，晶体管TIP42C本身则起到稳压降压的作用。发射极接电池电压12 V，集电极接太阳能电池板电压18 V，在晶体管上形成了约6 V的压差，因此晶体管的耗散功率要求大于500 mA×6 V=3 W。而UC39 06芯片的16脚则控制晶体管的基极电压，根据反馈回路所提供的反馈信号控制晶体管截断或导通。充电控制模块电路如图3所示。
设定UC3906芯片内部基准电压在温度为25℃时Uref=2．3 V，内部分流值ID=50μA。则可确定R3=Uref／ID=47 kΩ，R1+R2=(UF-2．3V)／ID=90．7kΩ，R4=2．3V×90．7kΩ／(Uoc-UF)=348 kΩ。又设Rx=R3与R4的并联阻值，则Ra=(R1+R2+Rx)(1-2．3V／UT)=68．1kΩ，Rb=22．6 kΩ(UT为涓流充电到大电流充电的临界导通电压，UT=13．95 V，微小电流It取150 mA)。限流电阻Rs=0．25 V／Imax=0．5Ω，Rt=(18 V-UT-2．5 V)／It=10 Ω。
铅酸电池充电分为4个阶段：涓流充电、大电流充电、过充电、浮动充电。刚开始充电时，UC3906芯片的11脚通过一个电阻RT输出一个微小电流It=150 mA，此时晶体管基极电平使晶体管断路，11脚的微小电流It对铅酸电池进行涓流充电，这样可以避免在涓流充电阶段铅酸电池反接造成回路短路。
当充电器输出电压上升至UT，或浮充电压下降到11．7 V时，则进入大电流充电状态。大电流Imax由外部PNP晶体管导通输出至电池，蓄电池主要的电量亦在此阶段回充。在正常情况下，随着电池充电，电池两端的电压逐渐升高，电压经R1、R2、R3分压后加到电压取样比较器反向输入端13脚。电压达到0．95Uref时，电压取样比较器在14脚，15脚输出低电平，由于内部分流值电流的存在，15脚通过一个限流电阻Rd接地，14脚通过旁路电容C1=0．1μF接地。此时充电进入过充电状态，过充电指示端脚9输出低电平。刚进入过充电状态时，太阳能充电输出端继续输出最大电流，当电池电压升高到Uoc时，电压放大器控制驱动级，充电器进行恒压充电，电压稳定在Uoc，此时UC3906的13脚电压等于内部基准电压Uref。此后，电池接受的充电电流开始减小。
当充电电流下降到过充电终止电流Ioct时，电流取样比较器的输出中断。UC3906内部的10μA提升电流使过充终止端(8脚)的电位升高进入过充电状态。当干扰或其他原因使充电电流瞬时下降时，为避免充电器过早地转入浮充状态，在UC3906的第8脚与地之间接入1只电容器。当8脚电压上升到规定的门限值(1 V)后，充电状态逻辑电路使充电器转入浮充状态。此时，状态电平输出关断，消除了R4对R1、R2和R3分压器的旁路作用。电压放大器控制驱动晶体管，使充电器输出电压保持在VF。
充电电压由Uoc下降，并维持在UF，电池充电程序近乎完成时，充电进入浮动充电状态。当电池接上负载而放电后，充电器将直接提供电源输出，而电池电压也势必下降。当电压下降至0．9UF时，则充电模式重新设定回涓流充电阶段，重新执行新的充电循环程序。浮动充电程序对于延长蓄电池的寿命是非常关键的，当蓄电池充电完成后，若移除充电电压，则蓄电池又会立即自行放电，因此必须对电池施加一个适当电压以及微小的电流以避免电池放电，浮动充电状态又可称为待机充电状态(standbycharge)。
从整个充电过程来看，UC3906充电芯片利用其自身的逻辑电平控制将充电过程分为4个阶段，既使得充电过程保持较高的效率，又对太阳能电池板和铅酸电池起到了很好的保护作用。
3．2 最大功率跟踪模块
光伏发电系统中的太阳能电池板在一定的条件下具有唯一的最大功率点，当太阳能电池板工作在该点时能输出当前条件下的最大功率。但由于太阳能电池板的输出特性受负载、光强、温度等因素的影响，其输出电压和电流均在发生变化，从而使输出功率不稳定，即最大功率点时刻在变化，导致光伏系统效率降低。
因此，跟踪太阳能电池板输出的最大功率点是提高光伏系统效率的关键。当太阳电池工作电压小于最大功率点电压Umax时，输出功率随太阳电池端电压上升而增加；工作电压大于最大功率点电压Umax时，输出功率随太阳电池端电压上升而减少。实现最大功率点跟踪实质上是一个自寻优过程，即通过控制太阳电池端电压，使电池能在各种不同外部环境下智能地输出最大功率，不断获得最大功率输出。
DC-DC变换器是一种通过控制电压将不可控的直流输入变为可控的直流输出的变换电路。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然太阳电池和DC-DC变换电路都是非线性的，但在极短的时间内可认为是线性电路。因此，只要调节DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于太阳能电池板的内阻，就可实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的最大功率点跟踪。当负载电阻等于太阳能电池板内阻时，负载两端的电压恰好等于输出电压的一半，因此在实际应用中，通常采用调节负载两端的电压来实现最大功率点跟踪。光伏发电系统中将DC-DC变换器接入太阳能电池板的输出回路，并通过嵌入式系统中的单片机对DC-DC变换器的输入、输出电压进行采样计算，同时产生控制脉冲信号调节DC-DC转换器内部开关管占空比来改变其负载大小，使得负载电压为太阳能电池板输出电压的1／2来实现最大功率点跟踪。由于采用升降压式(Buck-Boost)DC-DC转换电路，这种最大功率功率跟踪电路又称为Buck-Boost电路，如图4所示。
|
