MPP_T控制算法太阳能充放电控制器设计毕业论文-solarbe文库

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毕业论文论文题目 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计2 工程学院毕业论文任务书学生姓名论文题目 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计接受任务日期指导教师论文要求设计任务或主要技术指标1. 设计任务（ 1）设计基于 MPPT控制算法的太阳能光伏系统；（ 2）控制方案的选择；（ 3）方案的细化设计；（ 4）通过方案比较，确定合理的控制方法及系统框图；（ 5）选定系统的主要芯片及元器件；（ 6）计算系统组件配置参数；教师指导过程记录设计进度与要求1、第一周，收集有关资料作为设计参考。2、第二周，自学太阳能系统及其组件的相关知识；3、第三周，控制方法，电路结构方案的选择。4、第四周，方案的分析对比。5、第五周，确定系统设计方案。6、第六周，画出系统控制框图及主要电路图。7、第七周，对设计初稿进行修改，8、第八周，答辩。参考资料主要参考书及参考资料[1] 王长贵．新能源和可再生能源的现状和展望 [J] ．太阳能光伏产业发展论坛论文集． 20039 ．[2] 赵玉文．太阳能光伏技术的发展概况．第五届全国光伏技术学术研讨会论文集．[3] 王长贵，王斯成主编．太阳能光伏发电实用技术 [M] ．北京化学工业出版社， 2009.9 ．[4] 吴财福，张键轩，陈裕恺主编．太阳能光伏并网发电机照明系统．北京科学出版社， 2009．[5] 奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭编著． TMS320F2812原理与开发 [M] ，北京电子工业出版社， 2005．[6] 尹勇，欧光军，关荣锋著． DSP集成开发环境 CCS开发指南 [M] ，北京航天航空大学出版社，北京，2004．[7] 赵庚申，王庆章．最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用 [J] ．光电子．激光， 2003， 148 ．MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计3 新疆工程学院毕业论文成绩表学生姓名郭泽专业班级新能源 11-1 班论文题目 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计考核项目考核内容满分评分一、指导教师评分1、工作态度与纪律 10 2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平 10 3、独立工作能力、分析和解决问题能力 10 4、完成任务的情况与水平（论文质量） 10 指导教师签字年月日二、评阅教师评分1、论文质量（正确性、条理性、创造性和实用性） 15 2、成果技术水平（理论分析、计算、实验和实物性能） 15 评阅教师签字年月日三、答辩小组评分1、完成任务书所规定的内容和要求 5 2、论文的质量 5 3、课题论文内容的讲述 10 4、回答问题的正确性 10 答辩组长签字年月日四、答辩小组成绩评定负责人签字年月日五、答辩委员会意见答辩委员会主任签字年月日MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计4 目录摘要· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 Abstract· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 第一章引言 . . 10 1． 1 本课题的选题背景和来源 10 1. 2 太阳能光伏发电简介 11 1． 2． 1 太阳能光伏发电系统 11 1． 2． 2 独立太阳能系统的构成 11 1． 3 国内外太阳能发电的现状 11 1． 4 光伏太阳能控制器国内外现状 12 1． 5 论文意义 . . 12 1． 6 论文的主要研究内容 13 第二章光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用 . 14 2． 1 太阳能电池的结构及工作原理 14 2． 1． 1 太阳能电池的结构 14 2． 1． 2 太阳能电池的工作原理 14 2． 2 太阳能电池的特性及应用 14 2． 3 本章小结 . . 15 第三章蓄电池 . 16 3． 1 蓄电池的简介 . . 16 3． 1． 1 蓄电池的介绍 16 3． 1． 2 蓄电池技术参数 16 3. 1. 3 蓄电池特性2 22222222222222222222222222222222222222222 17 3． 2 蓄电池的工作原理 19 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计5 3． 3 蓄电池的充电技术 20 3． 4 本章小结 . . 22 第四章光伏太阳能发电系统中 MPPT技术的实现 23 4． 1 光伏太阳能发电系统中的最大功率点跟踪 23 4. 1. 1 什么是 MPPT222222222222222222222222222222222222222222 24 4. 2 充电算法及实现2 222222222222222222222222222222222 25 4. 2. 1 充电控制算法2 22222222222222222222222222222222222222 25 4. 2. 2 MPPT 充电算法实现2 2222222222222222222222222222222222 27 4 ． 3 最大功率跟踪控制的常用方法 28 4． 3． 1 恒压跟踪法 28 4． 3． 2 扰动观察法 28 4． 3． 3 增量电导法 28 4. 3 ． 4 模糊逻辑控制法 29 4. 4 充电控制器的控制略2 222222222222222222222222222222 29 4 ． 5 控制算法的分析和选择2 222222222222222222222222222 30 4. 6 太阳能发电系统效率分析2 2222222222222222222222222 31 4. 6. 1 系统整体结构设计2 22222222222222222222222222222222222 32 4. 6. 2 太阳能控制器结构2 22222222222222222222222222222222222 32 4． 7 本章小结 . . 33 第五章小型太阳能光伏控制器硬件和软件的设计 . 34 5． 1 控制器系统的简介 34 5． 2 硬件电路设计 . . 34 5． 2． 1 太阳能光伏充电控制器 34 5． 2． 2 系统供电电源 36 5． 2． 3 太阳能电板输入电流采样电路 37 5． 2． 4 蓄电池放电控制电路 39 5． 2． 5 蓄电池过充过放检测电路 39 5． 2． 6 控制系统显示电路 40 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计6 5． 3 软件设计 . . 40 5. 3. 1 A/D 转换程序设计 41 5． 3． 2 最大功率点跟踪控制程序设计 42 5． 3． 3 充电控制程序 42 5． 4 系统的可靠性分析及设计 43 5． 4． 1 硬件的可靠性设计 43 5． 4． 2 软件的可靠性设计 44 5． 5 本章小结 . . 44 第六章系统数据分析 . . 45 6． 1 系统结果分析 . . 45 6． 2 本章小结 . . 46 总结 . . 48 致谢 . 49参考文献 . . 50 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计7 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计摘要太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面，其核心部分就是充电控制器。本设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不够充分，使得蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方案。在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的高效率管理。设计一种太阳能 LED照明系统充电控制器，既能实现太阳能电池的最大功率点跟踪 MPPT又能满足蓄电池电压限制条件和浮充特性。构建实验系统，测试表明，控制器可以根据蓄电池状态准确地在 MPPT、恒压、浮充算法之间切换， MPPT充电效率较恒压充电提高约 16。该充电控制器既实现了太阳能的有效利用，又延长了蓄电池的使用寿命。在总体方案的指导下，本设计使用 STMSS系列 8 位微控制器是 STM8系列的主流微控制器产品，采用意法半导体的 130 纳米工艺技术和先进的内核架构，主频达到16MHz105系列，处理能力高达 20MIPS。内置 EEPROM、阻容 RC振荡器以及完整的标准外设，性价比高。 STMSS指令格式和意法半导体早期的 ST7系列基本类似，甚至兼容，内嵌单线仿真接口模块，支持 SIWM仿真，降低了开发成本；拥有多种外设，而且外设的内部结构、配置方式与意法半导体的同样是 Cortex-M3 内核的 32 位嵌入式微处理器STM32系列的 MCU基本相同或者相似。另外系列芯片功耗低、功能完善、性价比高，可广泛应用在家用电器、电源控制和管理、电机控制等领域，是 8 位机为控制器控制系统较为理想的升级替代控制芯片‘ 26l 。软件部分依据 PWM（ Pulse Width Modulation ）脉宽调制控制策略，编制程序使单片机输出 PWM控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制 MOSFET管开启和关闭，达到控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要求实现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。实验表明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。关键词充电控制器；太阳能光伏发电； PWM脉宽调制； MPPT 最大功率点跟踪法；蓄电池； STMSS系列 8 位微控制器MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计8 MPPT solar charge controller control algorithm designAbstract Solar photovoltaic power generation has become an important part of new energy and renewable energy, it is considered the current world s most promising new energy technologies. At present solar photovoltaic device has been widely used in communications, transport, electricity and other aspects, the core part is the charge controller. The conventional charge controller on the market today on the battery charge and discharge control is unreasonable, and its protection is also inadequate,whichs makes the battery life to shorten. To solve this problem, the design identifies a solar charge controller based on single chip solution. In the solar energy to battery charge and discharge means, the controller of the functional requirements and the practical application aspects ,making some analysis,completed the hardware circuit design and software development, to achieve the high efficiency of the battery management. Under the guidance of the overall program, the design uses low-power, high performance, super anti-jamming STC89C52 microcontroller as a core device to control the entire circuit. Hardware circuit consists of a solar battery charging and discharging circuit, voltage acquisition and display circuit, the MCU control circuit and RS232 serial communication circuit, the main achievement of the acquisition and display battery voltage. Software is based in part on PWM Pulse Width Modulation pulse width modulation control strategy, programming the microcontroller output PWM control signal, by controlling the photocoupler on-off the control MOSFET opening and closing, to control battery charging and discharging purposes, and in accordance with the functional requirements implemented the battery over charge, over discharge protection and short circuit protection. Experiments show that the controller performance, high reliability, can always monitor the state of solar panels and batteries to achieve optimal control of battery charge and discharge, to prolong battery life. Key words charge controller; solar photovoltaic; PWM pulse width modulation; MPPT； Battery. MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计9 第一章引言1． 1 本课题的选题背景和来源太阳能是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到大气层的能量仅为总辐射量约为 3． 75x1026W的 22 亿分之一，但其能量高达 173000TW功率单位 ITW1012 KW1015W，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于 500 万吨煤所产生的能量。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射量约为 50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～ 837 kJ ／ cm2/ ，中值为 586 kJ ／ cm2/ 。我国的太阳能辐射量相当充足，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优势，就拿我们所在的广州地区太阳辐射量在国内也是中等水平。另外太阳能作为一种新型的能源，它与常规的能源相比有三大优点1 太阳能是人类可以利用的最为丰富的能源之一，据估算，自太阳形成到现在，太阳辐射出的能量只占自身能量的 2％，因此可以算是取之不尽，用之不竭。2 太阳对地球的辐射是全方位的，在全球的任何一个地方都有机会接受到太阳的辐射，因此可以直接就地开发利用，这样就没有了运输的问题，尤其对于交通不发达的地区更有利用的价值。3 太阳能使用后不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态，是一种比较洁净的能源。而且太阳辐射能与煤炭、石油等常规能源相比较，更有如下的优点（ 1）普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。（ 2）无害性。利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害，清洁干净。（ 3）长久性。只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。（ 4）巨大性。面对如此巨大的能源，对太阳能开发利用的研究已经成为一个新兴的重大课题。这项集多学科为一体的高新技术，在科技进步、能源战略和环境的保护领域中都会发挥重要的作用，对该技术的深入研究将会为探索广阔的光伏发电市场和掌握相关领域提供一定的理论依据。本文就是借助对庭院式小功率太阳能光伏发电系统的研究来探索太阳能光伏发电。MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计10 1.2 太阳能光伏发电简介1． 2． 1 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。一般将光伏发电系统分为独立系统、并网系统和混合系统。根据其应用形式、应用规模和负载类型，光伏发电系统大致可以分为以下七种类型小型太阳能供电系统SmallDC ，简单直流系统 Simple DC，大型太阳能发电系统 Large DC，交流、直流供电系统 AC／ DC，并网发电系统 UtilityGrid Connect ，混合供电系统 Hybrid ，以及并网混合供电系统。其中小型太阳能供电系统 Small DC根据应用场合的不同又分为庭院式太阳能供电系统、通信太阳能供电系统等。1． 2． 2 独立太阳能系统的构成光伏发电系统的规模跨度巨大，从 0.32W 的太阳能小系统，大到兆瓦级别的太阳能光伏电站，其应用也各有不同，在家庭、交通、通信、航天等众多领域都有涉及。其基本框架图如图 1． 1 所示。独立的太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏组件阵列、储能蓄电池、控制器、 DC/AC或者 DC/DC变换器、以及输出设备构成。图 1． 1 太阳能光伏发电系统的组成图1． 3 国内外太阳能发电的现状1839 年，法国科学家贝克雷尔 Becquerel 就发现，光照能使半导体材料的不同位置之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应一，简称“光伏效应一。MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计11 1 954 年，美国贝尔实验室研究人员 D． M． Chapin， C． S． Fuller 和 G． L． Pearson首次制成了光电转换效率为 4． 5％的单晶硅太阳能电池，至此之后太阳能发电进入了飞速发展的时代。在新型能源产业中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一，最近十年更是飞速发展。1． 4 光伏太阳能控制器国内外现状目前市场中独立的太阳能光伏充电控制器主要有五种类型并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器、智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。1．并联型控制器当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流道内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。并联型控制系统一般用于小型、低功率系统。2．串联型控制器利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。3．脉宽调制型控制器它以 PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。4．智能型控制器基于 MCU对光伏电源系统的运行参数进行高速的实时采集，并按照一定的规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离和接通控制。对于中、大型光伏电源系统，还可以通过串口，或者别的一些通讯方式实现远距离控制。5．最大功率跟踪型控制器根据太阳能电池的输出功率判断是否工作在最大功率点，若不是则做出相应的调节使得输出功率靠近最大功率点，从而实现对太阳能发电能量的有效利用。现在的市场的庭院式小功率太阳能光伏控制器多是并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器，也有少量的智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。常见的智能型基本都是基于微处理器的控制，例如基于传统的 51， DSP等。1． 5 论文意义本文所研究的小功率太阳能光伏发电系统是针对当今社会的发展趋势和需求提出MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计12 的。本研究综合分析现有的太阳能光伏发电系统的发展和技术要求，对比已有的光伏发电系统，以此为基础，选取高性能意法半导体的新型 8 位控制芯片 STMSS作为主控芯片，凭借 STMSS微控制器强大的运算能力和丰富的外围资源，优化系统的电流采样电路设计，提升系统的性能，设计出一款小功率太阳能光伏发电系统。本系统的设计改进了传统小功率太阳能光伏发电系统的信号采集电路，降低了电路的损耗。1． 6 论文的主要研究内容1．本论文需要研究的内容主要有以下几个方面1 在分析现有的太阳能光伏发电系统的发展概况的基础上，简单介绍了当前太阳能光伏发电系统的结构；2 根据常规太阳能光伏发电系统功能的要求分析太阳能光伏电池和蓄电池的需求及特性，最终根据需求选择本系统的设备；3 系统软件设计，包括系统主程序模块底层设计、 MPPT技术控制程序设计、充电方式的控制以及输出、输入安全控制等；4 系统硬件设计，具体的系统硬件设计包括控制系统电路设计、太阳能光伏发电充电电路设计、芯片供电电源电路设计、蓄电池防过放电路设计、蓄电池防过充电路设计等；5 系统的可靠性分析及设计，主要是基于系统硬件可靠性和软件可靠性的研究与实现；2．根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，采取以下研究步骤来实现1 针对系统整体功能进行具体分析与研究，合理地将整个系统划分成各个不同功能模块。2 针对各个模块的功能对其进行相应的电路设计、芯片选型与特性测试。3 各个功能模块的软硬件调试、各个功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。4 在整个系统中按照软件和硬件两个方向严格的执行可靠性设计。MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计13 第二章光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用2． 1 太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池又称为“太阳能晶片 “或光电池，通常由半导体硅材料制成，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照射，瞬间就可输出电压。在物理学上称为太阳能光伏 Photovoltaic ， photo 光， voltaic 伏特，缩写 PV，简称光伏。2． 1． 1 太阳能电池的结构太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电器件，基本构造是由 P型与 N型半导体集合而成，最基本的材料是半导体硅，单纯的硅是不导电的绝缘体，但是在掺入不同杂质时就可以做成 P型和 N型半导体。下图就是一种常见的太阳能电池的结构图，它的基本材料是 P型单晶硅。上表层是 N型半导体层，是受光层，在和基体的接触面形成一个P． N结。为了进一步增加对太阳能的利用率，在太阳能电池的受光面会覆盖一层减少反射的薄膜，它可以增加太阳能电池对入射光的吸收率。2.1 太阳能电池结构图2． 1． 2 太阳能电池的工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体 PN结的光生伏特效应。所谓的光生伏特效应就是当物体受到太阳光的照射时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计14 2． 2 太阳能电池的特性及应用当光照强度改变时根据太阳能电池的输出功率和电压的关系可以得到下图。从图2.3 中可以看出在不同光照时最大的输出功率点是唯一的，只有太阳能工作在这个位置才能合理的利用太阳产生的能量。为了合理利用太阳能电池，在后续的设计中选择实现MPPT的控制。2.2 太阳能电池等效电路2.3 太阳能电池的 I-U 曲线2． 3 本章小结本章首先介绍了太阳能电池的结构和原理；然后介绍了不同太阳能电池材料的优劣，为选择太阳能电池提供依据；接着是介绍太阳能电池的 IU 特性根据其特性引出太阳能电池的选用最后介绍了本太阳能电池的设计需求和安装要求。MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计15 第三章蓄电池在太阳能光伏发电系统中由于太阳能光伏阵列产生的能量受外部光照的影响，而光照又是一个随机的变量，这样就造成太阳能光伏阵列的输出能量极不稳定，因此需要配置蓄电池才能使负载正常工作。在太阳能电池板充电时，蓄电池将电能转化为化学能存储起来；在负载需要供电时，蓄电池把化学能转换成电能输出给负载。蓄电池的性能直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。作为太阳能光伏发电系统中的储能器件，蓄电池的选择在注重性价比的同时还要做到能合理的利用太阳光光照，并持续地对负载供电。3． 1 蓄电池的简介3． 1． 1 蓄电池的介绍蓄电池作为一个储能的器件，能够反复使用，另外蓄电池还具有电压稳定、供电可靠、使用方便等优势，广泛的应用于汽车、航空、通信等众多行业。在目前市场上的蓄电池主要有四类蓄电池铅酸蓄电池、镉镍 NiCd 蓄电池、氢镍NMH蓄电池和锂离子蓄电池。镉镍 NiCd 蓄电池、氢镍 NiMH蓄电池和锂离子蓄电池。蓄电池作为太阳能 LED照明系统的储能元件，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜晚时，控制器启动 LED驱动电路， LED光源开始照明，蓄电池释放电能。全天中，控制器的电源一直由蓄电池供给。目前光伏系统多采用阀控密封式铅酸（ Valve Regulated Lead Acid Battery ，简称 VRLA）蓄电池， VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。3． 1． 2 蓄电池技术参数1．蓄电池容量蓄电池的容量是指在一定的放电条件下所能给出的电量，通常用 C表示，但是蓄电池作为电源时，其端电压是一个变量，选用安时 Ah 表示蓄电池的电源容量更为准确。当蓄电池放电时，它的容量等于放电电流对时间的积分。公式上看 t 的取值可以从 0 取到无穷，但实际上为了防止蓄电池因过放而导致损坏，因此对 t 的取值是有限制的。当蓄电池的电压低于终止电压时，此时为 t 的最大值，所谓终止电压就是蓄电池的最低正常工作电压。通常蓄电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计16 值；实际容量是指蓄电池在一定的条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量；额定容量，又称为标称容量，是按照国家标准，保证蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。固定型蓄电池一般采用 10h 所放出的容量为蓄电池的额定容量，并用来标定蓄电池的型号。额定容量也用字母 C表示。例如额定容量为 100Ah的蓄电池， C100Ah；在恒定的电流放电时，蓄电池的容量为QIxt 2．蓄电池的电压1 开路电压开路电压是指蓄电池在开路状态下的端电压。蓄电池的开路电压等于蓄电池在开路时，蓄电池的正极电位与负极电位之差。蓄电池的开路电压表示，即VkE Ef 其中 E表示是正极电位， Ef 为负极电位。2 工作电压工作电压是指在蓄电池接通负载后放电过程中显示的电压，通常用 V表示VVKRoRf 其中 I 为蓄电池放电电流 R0 为蓄电池的内部电阻； Rf 为蓄电池的极化电阻。3 充电电压充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。4 浮充电压浮充电压是指充电器对蓄电池进行浮充充电时设定的电压值。蓄电池需要一个精确而且稳定的浮充电压值，浮充电压的高低和储能的大小成正比，质量差的蓄电池浮充电压小，人为的提高浮充电压的大小对蓄电池是一种损害。5 终止电压终止电压指的是蓄电池放电终止时的电压，也就是蓄电池正常使用的最小允许电压。3． 1． 3 蓄电池特性太阳能电池无需外加电压，可以直接将太阳能转换成电能，并驱动负载工作，太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据太阳能电池的工作原理，以及影响太阳能电池工作效能的因素，我们可以用下式所示的数学方程来表示太阳能电池的输出电流与输出电压的关系 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计17 0 exp 1s sphshq V R I V R II I InKT R式中， I 太阳能电池板的输出电流 A ； V太阳能电池板的输出电压 V ； q一个电子所含的电荷量 l.6x10 -19 C； K波尔兹曼常数 l.38 3 10－ 23J/K ； T太阳能电池板表面温度 K ； n太阳能电池板的理想因数 n1-5 ； I 0表示太阳能电池板的逆向饱和电流。在 Matlab 中建立太阳能电池数学模型 [1] ，写成嵌入函数的形式，并根据数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的 I-V 如图 1 所示， P-V 曲线如图 2 所示。其中图 a 标注为辐照度，单位为 W/m2；图 b 标注为阵列表面温度，单位为℃。图 3.1 太阳能电池 I-V 特性曲线Fig.1 I-V characteristic curve of Solar cells 图 3.2 太阳能电池 P-V 特性曲线MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计18 Fig.2 P-V characteristic curve of Solar cells 由图 3.1 和图 3.2 特性曲线可以看出辐照度主要影响太阳能电池的短路电流，温度主要影响太阳能电池的开路电压，特定光照和温度条件下太阳能电池供电系统存在单峰值最大功率点，这为我们进行最大功率点跟踪找到了理论依据。2. 太阳能电池的输出特性对于太阳能电池方阵而言 , 应按照用户的要求和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。图 3.3 太阳能电池输出特性太阳能电池的输出特性如图 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。从图中可以看出 , 太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性。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 , 以提高系统的效率 , 该方法称为MPPT 最大功率点跟踪法。3． 2 蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的工作原理充电时 2 PbS042 H20Pb02Pb2 H2S04 电解液 MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计19 放电时 PbO2Pb2H2SO42PbS042H20 原电池以上是蓄电池正常充放电理想化的化学方程式。在充电时，正极由硫酸铅转化为二氧化铅后将电能转换为化学能储存在正极板中；负极由硫酸铅转换海绵状铅后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极由二氧化铅变成硫酸铅，而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅变成硫酸铅，也是化学能转化成电能向负载供电。蓄电池容量计算式为1 1 0 /c cB A Q N T C式中 Bc 为蓄电池容量； A 为安全系数，一般为 1.11.4 ； Q1为日耗电量，即工作电流乘以日工作小时数； T0为温度系数，一般 0℃以上取 1， -10 ℃以上取 1.1 ， -10 ℃以下取 1.2 ； Cc 为放电深度，一般铅酸蓄电池取 0.75 。此处蓄电池额定电压为 12V，设计容量当连续 5 天阴雨仍可工作，考虑到上一次放电后夜间未能充电，所以 N16，计算如式（ 4）所示，结果为 295.68 AH，取 300AH。1.4 36 12 8 6 1.1/ 0.75 295.68cB AH3． 3 蓄电池的充电技术铅酸蓄电池具有可以重复使用、电压特性平稳、使用寿命比较长、适用范围广等特点，但是在使用不当的时候，将会导致其寿命急剧降低。影响铅酸蓄电池的因素有很多，研究发现，电池充电过程对电池寿命的影响最大，放电过程较少。由此可见，正确的充电方式可以有效的延长蓄电池的使用寿命。蓄电池的常用充电模式有一下几种。1．恒流充电恒流充电就是在充电过程中一直以恒定的电流进行充电的一种方式。这种方式适合用在多个串联的蓄电池组。缺点是开始充电电流对于蓄电池来说较低，在后期电流值偏大相对蓄电池的需求，在充电过程中析出的气体多，充电时间长，对极板有较大的冲击，耗能高。一般的免维护蓄电池不采用本方法。2．恒压充电类似恒流充电，恒压充电在充电过程中电压保持不变的一种充电方式。优点是充电电流随着蓄电池电压的上升而逐渐减小，充电时间短，能耗低，析气少等。缺点是开始时充电电流过大，后期充电电流又过小，不适合串联过多的蓄电池，对低压的蓄电MPPT控制算法太阳能充放电控制器设计20 池不能实现完全充电。3．分阶段充电这种充电的方式是为了克服恒流和恒压充电的缺点而设计的一种方式。分阶段充电在一开始时对蓄电池采用恒流方式充电，蓄电池充电到了一定容量后换为恒压充电。这样就避免了在充电的开始阶段出现较高的大电流，以及在充电的而后期出现高电压的现象，避免了对蓄电池的损坏。4．快速充电一般的充电都需要较长的时间，快速充电是为了缩短充电时间而设计的。快速充电电流以脉冲的方式对蓄电池进行充电，每一次脉冲之后蓄电池都有一定的停充时间。在充电过程中脉冲使蓄电池充满电荷，停充过程中蓄电池内部化学反应产生的气体被重新吸收，在减少析气的同时也消除了极化现象，从而减小蓄电池的内压。5．智能充电智能充电的基础依据是美国人 J.A.MAS马斯提出的蓄电池快速充电的基本规律。智能充电以析气率最低为前提根据蓄电池接受的充电电流和最大电流为参考，在充电过程中不停的调整适合的电流进行充电。以上就是常见的充电方式。在本文太阳能光伏发电系统中，结合实际的控帛Ⅱ电路、为了合理有效的利用太阳能光伏电池和蓄电池，选择在蓄电池深度放电时，利用 MPPT技术和控制系统对蓄电池进行充电，当蓄电池在正常的放电范围内时，用分阶段的充电方式充电。3.3