自动气象站光伏控制器的设计

0 引言

自动气象站在气象要素检测方面发挥了重要的作用，大大提高了气象工作的效率，但其工作环境大部分都处于野外尚无稳定市电工作的区域，所以其供电电源的稳定性就显得尤为重要。太阳能作为一种新型清洁环保能源，特别足经过近几年来的快速发展，已经在需要独立电源供电的领域得到了广泛的应用。在自动气象站小功率光伏发电系统中，最关心的是系统的转换效率和使用寿命，使太阳能能被充分的利用，从而达到节约成本和广泛推广的目的。而这些参数主要是受太阳能控制器性能的影响。

本文主要针对自动气象站太阳能光伏供电系统中使用的控制器的原理进行了分析和研究，采用TI公司的bq24610芯片和ATmega16L单片机，开发出一种高稳定性、高转换效率的新型控制器。

1 系统结构

采用本文所提出新型控制器组建的太阳能供电系统主要由太阳能电池板、蓄电池组、光伏控制器和负载(自动气象站)四部分组成。其系统框图如图1所示。

系统组成各部分特性以及配合如下：

光伏阵列  光伏阵列在白天光照条件下，将所接收到的太阳能转换为电能作为系统的输入，经过光伏控制器对蓄电池进行充电和对负载进行供电；在晚上，光伏阵列将停止工作不再供电，输出端处于开路状态。

蓄电池组  作为独立光伏供电系统的储能环节，占有很重要的地位，它是系统能长时间平稳运行的保障。在白天，它把光伏阵列所输出的多余电能通过光伏控制器存储起来；在晚上，它将作为系统电能的输入，保证整个系统的正常持续运行。同时它还为光伏控制器提供全天的电源供给。

负载  该系统中的负载是全自动气象站，其供电需求是直流±12 V，所需功率约为25 W。所需电能由光伏阵列和蓄电池通过光伏控制器供给。

光伏控制器  光伏控制器作为供电系统的核心，其主要功能是控制蓄电池组的充电和放电。在白天，它将光伏阵列所输出的电能存储在蓄电池组里，同时供给负载用，当蓄电池充满时，它将停止对蓄电池充电，防止对蓄电池过充；在晚上，它将蓄电池里的电能供给负载用，同时还有防反充电路阻止蓄电池对光伏阵列充电，当蓄电池电量不足时，它将切断供给电路，防止蓄电池过放，起到保护蓄电池的作用。

系统各部分的容量和参数选取以能保证自动气象站负载在连续阴雨的极端条件下持续运行15天的标准进行配置，综合成本、效率和可靠性来考虑。虽然当前光伏产业发展迅速，太阳能电池的价格有所下降，但它仍是整个系统中最昂贵的部分。而蓄电池相对而言价格较为低廉，因此建议选取相对较大容量的蓄电池组，这样可以提高太阳能电池的利用效率。

2 光伏控制器设计

在该系统中，光伏控制器要具有对蓄电池进行充电、放电控制功能，实时检测蓄电池端电压，对蓄电池进行过充过放保护、防反充保护，同时采用合理并精确的充放电控制策略，保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命。系统采用bq24610芯片作为核心控制单元。辅以ATmega16L单片机进行放电控制和电流电压检测显示，监测系统运行状态，采用P型和N型MOSFET管作为充、放电控制管和保护管，最大限度的减小系统功耗和提高开关工作速度。bq24610芯片是TI公司最新推出的一款具有自动选择供电方式、输入电压和蓄电池电压检测功能的充电芯片，同时它还具有过充过放保护、防反充保护、蓄电池温度检测保护功能，其充电电流最大可以达到10 A，符合该系统的要求。ATmega16L单片机是一款高性能、低功耗、性比价高的微处理器，其自带8路10位ADC端口，能有效地减少系统外围电路和系统功耗。其主要实现系统信号采集、放电电路的控制和系统状态的显示功能。在实际电路中，由于有多个负载，情况不一，或多或少的会对电路产生一定的干扰，因此，在PCB设计时采用数字地和模拟地合二为一接地的布线方式，这样可以提高系统的可靠性。

2．1 充、放电部分

太阳能独立供电系统中除对负载的正常供电之外，最重要的就是对蓄电池的充放电过程，因为蓄电池本身成本就比较高、且使用寿命一般较低，而对蓄电池的充放电策略会直接影响到蓄电池的使用寿命。该系统中充放电部分采用一对IRF7834 N型MOSFET管来对电池进行充电，其充电过程分为预充电、快速充电和浮充电三个阶段。系统初始上电工作时，bq24610芯片通过R1，R2组成分压电路对太阳能电池端电压进行采样，然后由反馈输入端VFB输入，VFB的基准电压为2．1 V。当蓄电池反馈输入电压小于电池过放电压1．56 V时，系统经过比较由PWM控制器产生占空比变化的PWM脉冲信号，通过HIDRV和LODRV两个端口来控制1对IRF7834 N型MOSFET管来对电池进行预充电，当蓄电池反馈输入电压大于1．56 V，小于2．1 V时，系统进入快速充电过程。当蓄电池反馈输入电压大于2．1 V时，蓄电池进入浮充阶段。其电阻R1，R2的取值按VBAT=2．1×(1+R2／R1)来计算。蓄电池过放电会严重影响其使用寿命，因此，在其对负载供电时一定要注意过放电保护，该系统利用ATmega 16L单片机通过电压采集电路来检测蓄电池端电压，当检测值低于设定的过放点电压值时，单片机就会发出控制信号，来控制MOSFET管Q104的关断，实现过放保护。

bq24610芯片同时具有蓄电池温度补偿保护功能，当蓄电池温度过高时，蓄电池将因严重过充电而缩短寿命，当蓄电池温度过低时，电池就不能允足电，因此，在实际应用中必须采取措施对蓄电池进行保护。系统采用数字温度传感器DS18B20来实时检测蓄电池温度，和R121，R1 50一起组成一个温度检测电路，如图2所示。设定温度过高阈值THOT=40 ℃，温度过低阈值TCOLD=0 ℃，得到R121，R150的阻值分别为5．5 kΩ，255 kΩ。系统通过测温电路将采样值与系统中的固有值比较，得出相对应的变化量，从而调整蓄电池的充放电策略，保护蓄电池。

系统充电状态由3个LED灯作指示，这样更加有利于直接观察系统的工作状态，便于排查系统工作中的问题。其亮灭的组合所表示的意义如表1所示。其中PG脚表示太阳能是否有正常有效的电压输入。

自动气象站中的大气电场仪需要负12 V的参考电压，该系统中主要采用ICL7662芯片来产生。ICL7662是一款变极性DC-DC变换器。它性能稳定、转换效率高、外围电路简单，输出电流大于20 mA，符合该系统中负12 V供电需求。其电路原理图如图3所示。

2．2 电压采集电路设计

电压采集电路的主要作用是用来实时监控系统的运行状态，得到系统运行参数，以此来作为系统下一步执行动作的根据。该系统采用ATmega16L单片机的10位ADC端口作为电压采集信号的输入，对采集到的电压信号进行A／D转换处理，实现对系统放电电路的控制。电压采集电路的核心器件是LM358芯片，LM358是一款性能优良、内部包括有2个独立的双运算放大器。它的电压采集电路原理图如图4所示。

在该电路中通过外围电路和电阻Rg，Rf构成一个电压同相比例放大器和电压跟随器，它通过电阻Rg，Rf的不同比例取值，将采集电压转换为单片机引脚所需要的电压，其电阻Rg，Rf的取值按Vout=Rf／Rg·Vin来计算。系统采用ATmega16L单片机片内基准电压2．56 V作为ADC的参考电压，得到Rg，Rf的阻值分别为150kΩ，10kΩ。

3 系统控制原理

对系统性能影响较大的除了硬件设计之外，系统充放电程序设计也很大程度上影响了系统的可靠性和充电效率，该系统采用循环的方式检测蓄电池端电压、环境温度等参数，判断系统当前所处的状态，是否满足充电条件，若满足则判断系统当前处于充电的何种时期。然后根据所得参数进行对比和计算，调节PWM脉冲信号的占空比，由PWM控制发生器控制MOSFET对蓄电池进行充电，这样在蓄电池不同状态下可进行不同的充电策略，能达到最佳的充电效果。其系统工作流程图如图5所示。

4 测试结果

依照图1所示的结构，构造了太阳能光伏供电系统，系统由光伏阵列两块，额定开路电压26．6 V，额定输出功率140 W；蓄电池组一组，额定电压12 V，额定容量300 Ah；自动气象站一套，额定电压正负12 V，额定功率25 W；光伏控制器一个组成。测试环境要求在户外阳光照射强度充足、无遮挡的条件下进行，测试工具为万用表一只。测试结果如表2所示。

从表2中的测试结果可以看出，光伏控制器能很好的完成对蓄电池的充放电管理和对自动气象站供电，同时当蓄电池端电压达到了过充电压或过放电压时，控制器能够实现过充过放保护，达到保护蓄电池的目的，实现了预期的目标。

5 结语

太阳能控制器是太阳能光伏发电系统中最重要的组成部分，其性能的好坏直接影响着整个系统的可靠性和工作效率。利用bq24610芯片对蓄电池进行充放电管理，辅以低功耗的ATmega16L单片机对系统进行监测和放电管理，设计了一款用在自动气象站上的小功率光伏控制器，该系统具有性能优良、可靠性高的优点。在小功率光伏系统中具有良好的应用价值和推广价值。