何伟琪　张威

【摘 要】设计了一种光伏充电装置，实现了对48V20Ah铅酸电池的光伏充电。设计的主电路基于分离元件的BOOST升压电路，控制器选用MSP430F5529单片机。设计中考虑到光伏电池的功率输出问题，研究了爬坡算法的实现方式，可使光伏电池能够以最大的功率提供给后端变换电路。同时，依据铅酸电池的物理特性，充电装置在给蓄电池充电过程中采用了常用的三段充电策略，保证了充电安全和充电可靠性。该装置可用于日常48V20Ah铅酸电池的辅助充电，能够延长电池组使用寿命，具有良好的应用前景。在实验室对系统进行了测试和评估，从测试测试结果来看，该系统恒压输出满足目标要求，充电效率维持在一个较高水平。

【关键词】430单片机；BOOST升压；光伏充电

0 引言

铅酸电池常在无法提供充电电源的环境下工作，因此如何让铅酸电池在使用过程中进行小电流充电维护以期延长电池寿命是一个亟待解决的问题。针对这个问题，设计了基于MSP430单片机的光伏充电装置，该装置采用太阳能绿色能源对铅酸电池进行连续小电流充电，解决了电池因长期亏电而损害铅酸电池使用寿问题，实现了太阳能的有效利用，可用于日常48V20Ah铅酸电池的辅助充电。

设计主电路采用BOOST DC-DC升压电路，以MSP430F5529作为控制核心。控制策略中，研究了爬坡算法的实现方式，可使光伏电池能够以最大的功率提供给后端变换电路。为了防止对铅酸电池的过充和实现快速充电，采用了最大功率充电、稳压充电和浮充的三段充电控制。设计中对BOOST升压电路中用到的功率MOSFET、储能电感、MOSFET驱动等元件进行选型，完成了硬件电路设计，并制作了一台光伏充电装置样机。

1 总体设计

光伏充电装置的核心是基于分离元件的BOOST升压电路，控制器选用MSP430F5529单片机。对单片机编程实现爬坡算法和PI调节算法，实现铅酸电池的最佳充电。外围电路中，由运放构成电流、电压的信号调理和检测电路，输出信号送单片机AD采样接口。单片机的PWM输出控制BOOST电路的开关管。系统组成框图如图1所示。

设计中所采用的光伏电池是常见的17.6V 20W光伏板。单块光伏电池的输出电压太小，需要较大的BOOST升压比，同时功率也不足，不够提供给负载电池足够的充电电流。因此，使用中采用两节光伏电池串联的方式，这样保证了电池组的额定输出电压可以达到35.2V和40W的输出功率，能够提供最大1.1A的输出电流。设计中所使用的铅酸电池是48V20Ah，其容量为20Ah。根据上述应用环境，所设计的光伏充电装置的最大充电电流为1A，可满足铅酸电池的小电流充电需求。

2 硬件设计

硬件选择BOOST升压电路作为充电装置主电路，其损耗小，控制方便。考虑到铅酸电池的内阻只有80毫欧左右，作为BOOST电路的负载，充电电流会有较大的冲击电流，因此，在BOOST变换器的输出端串联了平波电感，可以有效抑制充电电流的脉冲冲击电流，减小充电电流的纹波。

3 软件设计

软件设计基于输出功率和电压的双闭环控制。其中，外环控制用于实时追踪最大功率点，其控制策略采用的是爬坡算法，由爬坡算法计算出当前环境下的最大功率输出点电压，此时所计算出的电压作为内环电压PI控制的目标值。最后由AD采样到输入和输出电压、电流后用PI调节占空比输出PWM波，实现最大功率跟踪和恒压、浮空充电。

4 实验测试

实验中采用了50V直流可调稳压电源模拟光伏板输入对样机进行测试，分别测量了输出电流、电压，测量结果如表1所示。

从表中数据和计算结果来看，输出电压基本稳定在48V，充电装置效率在85%以上。

5 结论

在实验室对系统进行了测试和评估，从测试测试结果来看，该系统恒压输出满足目标要求，充电效率维持在一个较高水平。在实际光照充足时，系统恒压输出，测量数据显示充电装置效率可以维持在91%；考虑到阳光不足时充电电流过小，因此当阳光不足时，充电装置自动停止充电。该装置可用于日常48V20Ah铅酸电池的辅助充电，能够延长电池组使用寿命，具有良好的应用前景。

【参考文献】

[1]周志敏，等.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]谢建，等.太阳能光伏发电工程实用技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3]周志敏.等.经典开关电源实用电路139例[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]康华光.电子技术基础.模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2013.

[责任编辑：杨玉洁]