基于模糊控制MPPT的太阳能充电控制器的设计-solarbe文库

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毕业设计说明书基于模糊控制 MPPT的太阳能充电控制器的设计专业新能源科学与工程学生姓名班级学号指导教师完成日期 2015 年 6 月 5 日盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）毕业设计说明书独创性声明本人声明所呈交的毕业设计说明书是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究所做贡献集体和个人，均己在说明书中作了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。毕业设计说明书作者签名手写日期年月日指导教师签名手写日期年月日盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）基于模糊控制 MPPT 的太阳能充电控制器的设计摘要本文提出了一种新型设计方案基于模糊控制 MPPT的太阳能充电控制器，以充分保护蓄电池和最大限度地增大太阳能电池的转换效率为基本设计目标。首先介绍了光伏电池阵列的结构特性和铅酸蓄电池的充电技术，并结合设计要求确定了多阶段恒流的充电策略。硬件方面该系统控制芯片为单片机 PIC16F877，为实现模糊控制与最大功率点跟踪，设计了 Buck电路模块与控制电路模块，通过采集光伏电池阵列与蓄电池的电路信号，反馈给单片机，实现芯片的智能控制；为实现控制电路的安全，使充电控制器系统在稳定的状态下运行，方案中设计了诸如防反接、防过流、防过压和防电磁干扰等保护电路，完成对系统电路中所选元件的参数的分析与计算，完成系统充电控制电路设计。通过 PROTEL软件，绘制了电路原理图。软件方面首先设计了整体与各部分电路的工作流程，然后根据模糊控制的最大功率点跟踪程序算法，选取了多阶段恒流充电技术的充电策略，实现了控制系统的稳定智能运行。关键词模糊控制；最大功率点跟踪； Buck电路；充电保护；盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）Design of Solar Charge Controller Based on MPPT and Fuzzy ControlAbstract This paper proposes a new design scheme - based on fuzzy control MPPT solar charge controller to adequately protect the battery and increases the maximum conversion efficiency of solar cells as the basic design goals. Introduces the main components and functions of the system the structural characteristics of the photovoltaic cell array and lead-acid battery charging technology, combined with design requirements to determine the multi-stage constant current charging policy. Hardware The system controller chip microcontroller PIC16F877, for the realization of fuzzy control and maximum power point tracking, designed Buck circuit module and the control circuit module, through the acquisition of a photovoltaic cell array and battery circuit signal feedback to the microcontroller, to achieve a smart chip control; to achieve safe control circuit, the charging controller system is running in a steady state, program design such as anti-reverse, anti-overcurrent, anti-overvoltage and anti-electromagnetic interference protection circuit, to complete the system circuit analysis and calculation of the parameters of the selected element to complete the system charge control circuit design. By PROTEL software, draw a circuit diagram. Software First, the overall design and work flow of each part of the circuit, then the maximum power point tracking algorithm based on fuzzy control program, select a multi-stage charging policy charging techniques, intelligent control system to achieve a stable operation. Key words Fuzzy control;The maximum power point tracking;Buck circuit;Charging protection；盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）目录1 概述 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 研究意义 . 1 1.3 主要内容 . 1 2 设计方案及主要部件 2 2.1 设计方案 . 2 2.2 光伏电池 . 2 2.3 铅酸蓄电池 . 4 2.4 充电策略 . 5 3 光伏充电器的硬件设计 5 3.1 BUCK 电路 5 3.2 控制电路 . 7 3.3 充电电路 . 11 3.4 本章小结 . 14 4 光伏充电器的软件设计 15 4.1 控制系统软件设计 . 15 4.2 最大功率点跟踪软件设计 . 16 4.3 模糊控制算法工作方式 . 16 4.4 各种保护电路的软件设计流程 . 16 4.5 本章小结 . 19 5 结束语 20 致谢 21 参考文献 22 附录 1 PCB 图 . 23 附录 2硬件电路图 . 24盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）1基于模糊控制 MPPT 的太阳能充电控制器的设计1 概述1.1 课题背景当今时代，经济发展迅速，消耗了大量的传统能源，而因此带来的环境恶化问题日益严重，以致可持续发展战略被人们看好。而如何取代传统能源，打开新能源世纪的大门，是无数远见人士正在孜孜不倦探索实验的。绿色、无污染和可持续发展的价值使太阳能成为全世界关注的焦点，但长期以来太阳能的充电技术一直没有所突破。转换效率低的光伏控制器，昂贵的蓄电池制约着光伏的发展，因此，研究光伏充电技术是相当有意义的。1.2 研究意义作为一种新型能源，一种新的技术和产业，与其它成熟技术产业相比，有优势也有发展时间短、技术未成熟导致的尚不完善的地方，例如性价比、管理、性能、标准、维护、环保等。目前正常蓄电池的使用寿命在 23年。而且在其寿命周期内还要经常检查蓄电池的充电放电情况随时观察电极或接线是否有腐蚀或接触不良之处。另外在一些简单的系统中应根据储能情况，控制用电量防止蓄电池因过放而损坏。发现有异常情况应当立刻检查、维修，加上其它设备如控制器、逆变器等的故障检查，可以想象，如果不彻底解决蓄电池的寿命和体积，维护将是一件极其繁重的工作，因此寻求对蓄电池良好的充电方法就显得尤为重要。1.3 主要内容本论文对太阳能充电技术进行了较为深入的研究，以充分保护蓄电池和最大限度地增大太阳能电池的转换效率为基本设计目标，采用 PIC16F877进行智能控制，对太阳能最大功率跟踪技术和蓄电池的充电技术进行了系统的理论研究，并对最大功率跟踪系统进行模糊控制。对太阳能充电系统进行硬件设计与开发，介绍了系统的整体结构和系统组件的选型，对系统的充电电路和控制系统进行详细设计，包括 Buck电路各器件的选择，以及控制系统的采样模块、辅助电源模块、 MOSFET驱动模块、温度检测模块和 EMC隔离模块进行设计。此外，介绍了系统的软件设计与实现，详细介绍了太阳能充电系统的软件设计，最大功率跟踪的软件设计，和各种保护电路的软件设计。盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）22 设计方案及主要部件2.1 设计方案光伏充电控制器的结构图如图 2-1所示BUCK变换电路充电电路信号采集驱动电路PIC16F877光伏阵列蓄电池VbatIVpUpv图 2-1 光伏充电控制器结构示意图系统由光伏阵列、 Buck变换电路、充电电路、驱动电路、采样电路和蓄电池等部件组成。光伏电池阵列发出的功率经过 DC/DC 变换器对蓄电池进行充电。控制电路主要依据 4路采样信号光伏阵列的输出电压 Upv ；蓄电池的输入电压 Vbat ； Buck电路的输出电压 pV ；蓄电池的输入电流 I 。这 4路采样信号均是变化的直流信号，这 4路信号经电平转化送入 87716FPIC 的 AD 端口来控制系统工作。本设计系统有两种工作状态a光照充足检测蓄电池的荷电状态（ SOC）确定是否使用光伏电池进行充电。b光照不足检测蓄电池的荷电状态（ SOC）确定是否使用备用电源及市电进行充电。2.2 光伏电池2.2.1 光伏原理光伏电池发电的根据是利用半导体材料的光敏特性，光伏电池工作原理图如图 2-2所示盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）3-- --- ----------V电流入射光空穴电子图 2-2 光伏电池的工作原理一部分太阳光被光伏电池板反射掉，其余部分被电池板吸收。之后一些光子变成热能，剩下的光子便与半导体的原子价电子碰撞，产生了电子空穴对。在 N区显正电的空穴向 P-N结扩散，达到 P-N结边界后受到内建电场作用，开始作漂移运动，越过势垒区进入 P型半导体， N型半导体便有大量的显负电的电子。在 P区显负电的电子向 P-N结扩散，达到 P-N结边界后受到内建电场作用，开始作漂移运动，越过势垒区进入 N型半导体， P型半导体便有大量的显正电的空穴。从而形成光生电场，与内建电场的方向相反。光生电场不仅拥有抵消势垒电场的作用，还能使 P型半导体带正电， N型半导体带负电，电动势就产生在 P-N结中，这种现象就是光生伏特效应。当 P、 N型半导体两端接上导线后，电流就产生了，负载也就工作了。2.2.2 等效电路光伏电池等效示意图如图 2-3所示I LGDiodeLoadRshRs图 2-3 等效电路示意图电池的光电流 LGI 、串联电阻 SR 和旁漏电阻 ShR 三个部分组成了等效电路。串联电阻 SR 由光伏电池板的内体电阻、表面电阻和电极电阻组成；旁漏电阻 ShR由实际电池板的外部污垢和内部损坏造成；光电流 LGI 是电路中负载 0Load 时的短路电流，主要与光照强度和电池板面积有关，并与之都成正比关系。在理想太阳能电池中， ShR 的值很大， SR 的值很小，但是因为它们独特的工作方式，旁漏电阻 ShR 和串联电阻 SR 分别并联和串联在电路中，所以进行计算盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）4时，这两个值可以忽略。1exp AKTqUII DOSD 2-1 ShDSOSLGShDDLG RUAKTIRVqIIRUIII 1exp 2-2 ShSSOSLG RIRVIRVAKTqIII 1exp 2-3 1exp AKTqVII OSSC 2-4 1nOSSCOC IIqAKTU 2-5 其中， I 是负载电流； OSI 是反向饱和电流； SCI 为电池的短路电流； Q为电子电荷， C19106.1 ； K为玻尔兹曼常量， kVe41086.0 ； T为绝对温度；弱光条件下 OSLG II ，OSLGOC IIqAKTU ；强光条件下OSLG II ，OSLGOC IIqAKTU In 。可见，弱光时，开路电压与光照强度是线性关系；而强光时，开路电压则与光照强度是对数关系。2.3 铅酸蓄电池铅酸蓄电池有很多种充电方法，设计参考了恒流、恒压、两阶段、三阶段充电方式。2.3.1 恒流充电以一定的电流进行充电，及根据充电时电池的电压而调整充电电流并保持恒定。这种方法的优点是对串联的多个蓄电池电池组充电时，能使各个蓄电池的容量易达到平衡，是一种小电流长时间的充电模式。然而缺点是充电后期电压偏高、充电时间长、对极板的冲击大、耗能较高、充电效率低且不足 60。2.3.2 恒压充电以一定的电压进行充电，及根据充电时电池的电流而调整充电电压并保持恒定。这种方法充电前期电流大，后期充电电流自动减小，所以充电时间短，能耗低，充电效率高达 85。不足之处是初期电流大，伤害蓄电池；后期电流小，不适用于串联的多个蓄电池电池组。2.3.3 两阶段、三阶段充电盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）5这种方法是结合恒流与恒压充电优点的一种充电策略。首先进行恒流充电，当充电容量达到一定程度后，再采用恒压充电。如此就可以避免充电初期的大电流和后期的高电压的出现。充电时的电流、电压变化曲线如图 2-4所示UfUIU、 It图 2-4 电流、电压示意图在三阶段充电法是在达到其额定容量时，继续以小电流对蓄电池进行充电，用来弥补蓄电池的自放电，也称为浮充。如图 2-4的虚线段 Uf，表示第三阶段，可以直接在两阶段之后继续进行，但 Uf的值明显要小于前面的恒压阶段的电压值。2.4 充电策略相对于恒压充电，恒流充电的电流更稳定。但是，恒流充电电流过高可能导致蓄电池在低荷电状态时就达到析气电压，从而影响蓄电池的使用寿命；而且小电流会延长充电时间，充电效率降低。两阶段法虽然可以解决在蓄电池充电电压达到析气电压之后，再进行恒压充电而产生的充电过充和析气过多的问题，但是它的充电接受能力却降低了，增长了充电时间，有所缺陷。本系统采用多阶段恒流技术来解决充电过程中遇到的各种问题，多阶段恒流技术是通过将充电过程分阶段，然后监测蓄电池在各个阶段的不同状态，最后变换成了相应的恒流值，从而有效地避免了充电恒流前期过大，后期过小而带来的损害蓄电池以及充电时间太长的问题。3 光伏充电器的硬件设计光伏充电控制器的设计分为硬件设计和软件设计。本方案在进行硬件设计时，主要是对系统各功能电路的工作运行方式，以及各电路的元件类型和参数大小的选择；软件设计则主要是对工作时最大功率跟踪控制系统运行程序的设计、并研究充电时的各种保护程序和遇到各种故障时应该采取的相应动作，保证了电路的正常运作。3.1 BUCK 电路BUCK 电路具有两方面的功能一方面控制蓄电池的充电状态；另一方面对光伏电池阵列进行 MPPT控制，在设计该部分电路时需要对电路中参数进行分析计算然后选择型号适应的元件，元件包括功率开关管 T、续流二极管 D、电容 C盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）6和输出滤波电感 L。Buck电路工作原理示意图如 3-1 所示LCDSU R图 3-1 工作原理示意图由电压源、电感器、电容器和二极管等元件组成。该变换器以斩波的形式来降低电路平均输出电压，可将其输入端接在光伏电池板的输出端，通过变换器将其降压后把输出端接在蓄电池的输入端。用 PROTEL DXP绘制的 Buck 电路图如图 4-3所示图 3-2 Buck 电路图3.1.1 功率管开关MPPT 算法中，已知采样周期是 ms10 ，那么采样频率为 Hz100 。正常工作时，在采样周期内，想要获得稳定的 BUCK 电路，必须确保开关管 T 的开关频率至少是采样频率的 100 倍。本设计电路中，输入电压最大为 V16 ，那么可以知道 MOSFET 功率管的额定电压不能小于 V2416*5.1 ；峰值电流为 A5.43*5.1 ，所以，综合考虑成本等因素，选用 KHz25 的功率开关管的频率，开关功率管型号为 NIRFZ 44 。3.1.2 输出滤波电感电感的选择基本工作要求是输出为规定的最小电流时，电感仍然可以继续正常工作。已知工作时，当电感电流的斜波为峰峰值的一半，对应的临界连续盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）7电流等于充电电路的直流电流， dIIIdIIIII ono ,,21.0 1212min 为斜波峰值，等于 LTUVLTVdI onoonL 1 ， 1V 为 L的输入端电压，接近于 sU 。所以AI on 3 ， HL 6.355 ，考略余量，取 H600 。3.1.3 电池电容滤波电容需满足输出纹波的要求，电容等效为电阻 oR 和电感 oL 串联。输出纹波由 oR 和 oC 决定， oR 的纹波分量正比于与 12 II ， oC 的纹波分量与其流经电流的积分也是正比关系，但是，它们拥有不同的相位。在实际工作时， oC 的纹波分量可以忽略， 300KHz以下频率的 oL 也可以忽略。电容厂家的产品目录上很少直接给出 oR ，但 oR oC 的积近似为常数，为 F6108050 ，可取 F61065 。则onororo IVIIVR2.012 ，其中 orV 纹波电压，为 0.05V， mFRC oo 78.01065 6 ，AI on 3 ，考虑余量，取 1mF。3.1.4 续流二极管因为工作时，反向恢复时间越小越有益，所以更加期望选用可以超快或者快速恢复的续流二极管。已知其最大工作电压和最大工作电流分别为 V16 和 A5.4 ，经考虑，选择用型号为 70BAV 的续流二极管。3.2 控制电路控制系统可分为控制芯片、 MOSFET 驱动模块、信号采样模块等，将采样电路的电压、电流和温度等参数输入单片机，进行运算后由 I/O 端口的输出信号控制 Buck 电路的 MOSFET 的开断，并由 CCP 模块输 PWM 脉冲驱动 Buck 电路的功率开关管，以下将分别对各个模块进行设计。3.2.1 控制芯片本设计采用美国 Microchip 公司研发的单片机 PIC16F877 ，其外设资源丰富且计算处理能力较好。PIC16F877 最小系统电路图如 3-3图所示盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）8RA O/ ANRA 1/A N1RA 2/A N2/ VRE F-RA 3/A N3/ VRE FRA 5/A N4/ SSRE0/RD/A N5RB0/I NTRB1RB2RB3/PGMRB4RB5RB6/PGCRB7/PGDOSC1 /CLK IOSC2 /CLK OUTV SSM CLR/VPV SSRC2/CCP1RC1/T1 OSO/CCP2RC0/T1OSO/T1CKIRC3/SCK/SCLRC4/SD I/SDARC5/SD0RC6/ TX/CKRC/ RX/DTRD0/PSP0RD1/PSP1RD2/PSP2RD3/PSP3RD4/PSP4RD5/PSP5RD6/PSP6RD7/PSP7RA4/ TOCKIRE/WR/AN6RE2/CS/AN7VDDVDD522UC330.1UC3 5PIC16F877U1GNDGNDGND12X 14MHz10PC3010 PC3 1GNDD1BA V 7010 0U/3 0VC2S1SW-PB58GN D2345733343536373839401314112311716151823242526192021222728293069101132R3 51K图 3-3 PIC16F877 最小系统电路图3.2.2 驱动模块驱动电路图如图 3-4所示Q2BCX54Q3BCX514.7uFC31T1Trans14.75uFC32D2112VD2212VQ1IRFZ44N12VG_DriveR64.75R31KR522.1R41K图 3-4 驱动电路图功率开关 MOSFET 具有易并联、开关速度快和所需驱动功率低等优点。图3-4中， 21D 是稳压二极管， 1T 是隔离变压器，驱动电路中 Q2 和 Q3 工作时可以互补，一旦发生故障可以降低电路的损坏。导通期间，想要 GS 电压稳定工作，可用电容 31C 来隔离直流，但其值需要取大一些，可取 uF7.4 。工作时， 1T 能承受的负向电压值为 V12 ，如果副边绕组的负电压太大，可以用 32C 对电路进行降压。该驱动电路具有以下优点a该电路可进行电气隔离，驱动的关断能力不受脉宽影响。盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）9b在驱动进行关断动作时，电路会得到一个电容 C 的负压，可以提高功率管的关断速度。3.2.3 信号采集模块本设计中需要进行采样的信号为光伏阵列的输出电压 Upv ；蓄电池的输入电压 Vbat ； Buck电路的输出电压 pV ；蓄电池的输入电流 I 。对于采样信号的设计要求是不仅要如实反映检测值，还要响应快、精度高、线性度好。A．电流检测电路电流检测电路如图 3-5所示INOUTISVBB13462VF_CHARGE100P,50VC4IP_OV_C_ADGNDGNDD5BZX84C4V7D4BAS40_04GNDGND 5Q5BCR148WGNDQ4BCR148WGNDD3BZX84C4V7OV_C_PQ3BCR148WGND_12GNDLM3245GND1nFC11GNDVPGNDVP-BTS6133D100R14R181KR151KR164KR17100KR1018KR1118KR13100KR9100KR1218K图 3-5 电流检测电路DBTS6133 是功率开关管，它可以用来当做最基本的开关使用，也可以用来检测电路中的电流大小，比如知道 IS4 的电压，可计算出负载电流，这里的功率开关管用于保护充电电路。B．电压检测电路如 3-6所示，这块电路是用于对电路中电压进行检测，然而真正工作时很容易产生电流泄漏的问题，这样就会影响测量值的精度。所以本设计中为解决这一问题，加入了电阻分压网，它是由精度为 1.0 的电阻组成的，然后在输出端并联了一个小漏电电流的精密电容。D11BZX84C4V7Upv_ADR190KR247KUpv图 3-6 电压检测电路这样可以通过电阻分压确定单片机的 AD 值，检测 Buck 电路的输入输出电盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2015）10压 Upv 、 Vp 。然后，若 Upv 为 V16 时， ADUpv _ 为 V48.5 ，计算可得 AD 值是 V5 ，此时，控制系统会监测到过压情况，便马上进行过压保护动作。电压 Vp 也是通过这种工作方式检测的。C．温度监测电路温度监测电路如图 3-7所示PIC16F877U1RT1mjse-3950-100K0.1UC24GNDGND5R3610K2图 3-7 温度监测电路我们都知道一般系统工作时，特别是光伏系统，受温度影响更大，工作温度升高，电路中的电阻阻值会也会变大，但是在本设计的电路中采用了负温度系数的 NTC 热电偶，温度升高时，电阻反而降低，这样一来 DA 的值就会相应的升高。之后，系统可以通过调整 PWM 占空比来降低 DA 的值，也就降低了输出电压。所以，在蓄电池的表面安装了热电偶，这样就可以保证蓄电池充电的高效性。D． EMI 防护电路因为光伏电池板是放置在户外的，出于对工作环境的考虑，需要减弱电磁干扰产生的影响，防电磁干扰防护即 EMI 防护。而其中比较影响较大的因素是，静电现象和阴雨天的雷击，所以如何对系统进行 EMI 防护尤为重要。EMI 防护的电路如图 3-8所示RV2SM6T18CA2.36uHL10RV1S05K1Upv图 3-8 EMI 防护电路图 3-8中主要功能器件是压敏电阻， 1RV 为 MOV 型的限压型保护电阻。如果其两端的电压大于 V17 ，那么 1RV 就变为短路失效模式，电流将被导入大地。TVS 是一种限压型保护器件， 2RV 为 TVS 型的限压型保护电阻，如果其两端的电压大于 V18 ，那么 2RV 就变为短路失效模式，电流将被导入大地。TVS 的响应时间为 ps 级，是最快的限压型浪涌保护器件之一，除此之外，