24V/5A太阳能控制器电路设计

　摘要：介绍了太阳能电池的基本原理和伏安特性，提供了一套24V/5 A太阳能控制器的电路。该电路将太阳能电池阵列与蓄电池直接耦合，采用低功耗的单片机P87LPC767 作为控制电路的核心，实时测量蓄电池的端电压，通过脉宽调制控制太阳能电池阵列的充电电压，并通过功率管控制蓄电池与负载的通断，实现对蓄电池的放电保护。

　　0 引言

　　能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。目前的世界能源以煤炭、石油和天然气等化石能源为主体。而化石能源是不可再生的资源，并且在生产和消费过程中产生大量污染物，破坏生态环境。

　　通过太阳能电池将资源无限、清洁干净的太阳辐射能转化为电能的太阳能光伏发电，是新能源和可再生能源家族中的重要成员之一。

　　1 太阳能电池的基本原理及伏安特性

　　当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，这种现象称为光生伏打效应。该效应在液态和固态物质中都会发生。但只有在固体中，尤其是在半导体中，才会有较高的转换效率。

　　太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，就会在P-N 结两边产生电压，使P-N 结短路，从而产生电流。这个电流随着光强度的加大而增大，当接受的光强度达到一定数量时，就可以将太阳能电池看成恒流电源。

　　对于太阳能电池方阵而言，应按照用户的要求、负载的用电量及技术条件确定太阳能电池组件的串并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定，应考虑蓄电池的均浮充电压、线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响。蓄电池的容量决定其最大充电电流，该数值再结合负载电流，可决定太阳能电池并联数。

　　太阳能电池的输出特性图如图1所示，太阳能电池的输出伏安特性曲线是进行系统分析的最重要的技术数据之一。从图1 中可以看出，太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性。

图1 太阳能电池输出特性

　　在光伏系统中，负载的匹配特性决定了系统的工作特性和太阳电池的有效利用率。要想在太阳电池供电系统中得到最大功率，必须跟踪日照强度和环境温度条件，不断改变其负载阻抗的大小，从而达到阵列与负载的最佳匹配，该方法被称为最大功率点跟踪渊MPPT冤法。

　　2 小功率太阳能控制器

　　图2 为小功率太阳能控制器电路结构图，蓄电池和太阳能电池阵列直接耦合， 当白天有阳光时，太阳能电池阵列向蓄电池充电，当夜晚或阴天阳光不足时，蓄电池放电，保证负载不停电。

图2 小功率太阳能控制器电路结构

　　对于小功率太阳能控制器而言，为节约成本，常用的控制方式为恒定电压跟踪渊CVT冤法，即通过合理选择太阳电池的串并联数，使阵列在最大功率点附近的运行电压近似于蓄电池的端电压，即可获得蓄电池和太阳电池方阵之间的电压最佳匹配。

　　3 24V/5A太阳能控制器电路分析

　　图3为24 V/5 A 太阳能控制器主回路电路图。该控制器采用单路旁路型充放电控制器形式，即MOSFET管S1 并联在太阳能电池阵列的输出端，当蓄电池端电压充到均充电压值时，S1进入脉宽调制状态，避免蓄电池过充。

　　图3 中Vin+和Vin-连接太阳能电池阵列的输出，Vout+和Vout-连接直流负载，VB和GND 连接铅酸蓄电池的正负两端。

图3 太阳能控制器主回路电路图

　　D1 为“防反充二极管”，只有当太阳能电池方阵输出电压高于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天时不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电，起到“防反向充电保护”作用。

　　D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2 导通，使蓄电池通过D2 短路放电，产生很大电流，快速使保险丝F1 烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。

　　MOSFET管S2为蓄电池放电开关，在铅酸蓄电池放电时，从保护蓄电池的角度出发，当蓄电池电压小于“过放电压”时，S2截止，切断蓄电池和负载的回路，进行“过放电保护”，避免电池放空，损坏蓄电池。当太阳能电池阵列重新供电，只有当蓄电池电压重新升到浮充电压时，S2才重新导通，接通负载回路。