引言

近年來(lái)隨著能源短缺問(wèn)題日益突出，太陽(yáng)能、風(fēng)能等新型無(wú)污染的替代能源應(yīng)用日益受到重視。獨(dú)立型太陽(yáng)能照明系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需鋪設(shè)電纜，且搭建、攜帶較為方便等特點(diǎn)在照明領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

但目前急需解決的有鉛酸蓄電池使用壽命較短及系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足這兩大問(wèn)題。

太陽(yáng)能照明系統(tǒng)儲(chǔ)能元件鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)壽命約三年，但由于充電方式、存儲(chǔ)方式以及人為等諸多因素的影響導(dǎo)致其使用壽命過(guò)短，要經(jīng)常更換，不僅加大了使用成本也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外大部分已使用的系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)太陽(yáng)能板利用率不高;。

傳統(tǒng)提高弱光充電能力的方法是采用組態(tài)優(yōu)化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)外界光照強(qiáng)弱采用繼電器控制太陽(yáng)能板組件按照串聯(lián)或并聯(lián)等不同的組合方式給蓄電池充電，確保太陽(yáng)能板組件輸出電壓始終達(dá)到設(shè)定充電電壓。這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)弱光充電，但在組態(tài)變化的瞬間，電路輸出電壓波動(dòng)較大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

此外，由于采用繼電器控制，繼電器的機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)在工作較長(zhǎng)時(shí)間后容易磨損失靈甚至引起誤操作。為了有效提高系統(tǒng)弱光充電能力，本文采用超級(jí)電容器組及升降壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)弱光條件下有效充電，并采用UC3909實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體密封鉛酸蓄電池智能化充電管理，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

1鉛酸蓄電池充電特性

鉛酸蓄電池的充電特性是由其最大接受充電能力來(lái)體現(xiàn)，是在保證蓄電池析氣率較低、溫升較低時(shí)所能承受的最大充電電流。其充電特性曲線方程式為：

式中，I為充電電流;I0為初始最大充電電流;a為最大接受力比;t為充電時(shí)間。

在實(shí)際的電池充電管理過(guò)程中，要使蓄電池的充電過(guò)程完全吻合該充電特性曲線存在較大困難。因此本著提高充電效率、保障蓄電池使用壽命、實(shí)現(xiàn)合理有效充電的原則，參考充電特性曲線，采用智能控制芯片UC3909實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體密封鉛酸蓄電池分段充放電控制管理。

2基于UC3909控制器的四階段充電

目前獨(dú)立型太陽(yáng)能照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制器一般采用的是三階段充電方式，即先恒流充電、再恒壓充電、后浮充充電。但由于某些應(yīng)用場(chǎng)合的蓄電池會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)度放電的情況，假如一開(kāi)始就直接進(jìn)入較大電流充電的恒流充電階段，容易造成熱失控，易損壞蓄電池。

所以在最開(kāi)始的時(shí)候應(yīng)該采用小電流IT充電的涓流充電模式，等蓄電池的端電壓達(dá)到設(shè)定的充電使能電壓UT時(shí)，再進(jìn)行恒流充電。UC3909芯片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個(gè)階段合理充電，如圖1所示。

圖1UC3909的四階段充電曲線

狀態(tài)1:涓流充電。

當(dāng)蓄電池電壓低于充電使能電壓UT,充電器供應(yīng)很小的涓流IT進(jìn)行充電，IT一般約為0.01C(C為蓄電池容量)。

狀態(tài)2:恒流充電。

當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到充電使能電壓UT時(shí)，充電器供應(yīng)一個(gè)大電流IBULK對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電，這一階段是充電的重要階段，蓄電池端電壓上升很快，直至電壓上升到過(guò)壓充電電壓UOC時(shí)進(jìn)入恒壓充電階段。

狀態(tài)3:恒壓充電。

在此階段，充電器供應(yīng)一個(gè)略高于蓄電池額定值的電壓UOC進(jìn)行恒壓充電，電路的充電電流將按指數(shù)規(guī)律逐漸減小，直至電流大小等于充電終止電流IOCT(約為10%IBULK),蓄電池已被充滿，充電器進(jìn)入浮充充電狀態(tài)。

狀態(tài)4:浮充充電。

浮充充電階段，充電器供應(yīng)浮充電壓UF對(duì)蓄電池以很小的浮充電流進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)蓄電池自放電造成的容量損失。同時(shí)由于蓄電池的浮充電壓隨溫度變化而變化，因此要選擇與蓄電池相同溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，確保在任何溫度下都能以精確的浮充電壓進(jìn)行浮充充電。溫度系數(shù)一般選擇-3.5~-5mV/.

3充電電路設(shè)計(jì)

圖2所示為基于UC3909太陽(yáng)能蓄電池充電器電路框圖，

圖2系統(tǒng)框圖

光伏陣列經(jīng)過(guò)電壓電流采樣再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)反饋至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)光伏陣列的工作狀況輸出pWM信號(hào)去驅(qū)動(dòng)pMOS管，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的最大功率跟蹤。超級(jí)電容器組、DC/DC變換器、UC3909用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控鉛酸蓄電池的四階段充電控制，并利用超級(jí)電容的特性優(yōu)化充放電過(guò)程。本文側(cè)重對(duì)超級(jí)電容器組、UC3909及DC/DC變換器等部分實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控鉛酸蓄電池四階段的充電分析及設(shè)計(jì)。

3.1UC3909充電器重要參數(shù)設(shè)計(jì)

基于UC3909的充放電電路如圖3所示。

圖3基于UC3909的充放電電路

根據(jù)UC3909內(nèi)部集成電路及光伏陣列、超級(jí)電容參數(shù)并結(jié)合閥控鉛酸蓄電池的容量及額定電壓等參數(shù)對(duì)電路各個(gè)部分進(jìn)行合理計(jì)算設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)使用賽特公司生產(chǎn)的12V,65Ah膠體密封鉛酸蓄電池，根據(jù)廠家供應(yīng)的蓄電池充電參數(shù)，浮充電壓UF取13.8V,充電使能電壓UT取10.8V;過(guò)壓充電電壓UOC14.7V;涓流充電電流ITC取0.26A;恒流充電電流IBULK取系統(tǒng)最大充電電流6.5A;過(guò)充終止電流IOCT取1A.

根據(jù)以上廠家所供應(yīng)的蓄電池參數(shù)，參照UC3909芯片資料及相關(guān)參考文獻(xiàn)，計(jì)算UC3909外圍元件參數(shù)，RS1、RS2、RS3、RS4計(jì)算公式如下：

式中，UREF為UC3909內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.3V.代入相關(guān)值計(jì)算得(RS1、RS2、RS3、RS4分別為245kΩ、16kΩ、53kΩ、975kΩ。

另外，可以根據(jù)流入U(xiǎn)C3909內(nèi)部電流誤差放大器反向輸出端CA的固定控制電流ITRCK、涓流充電電流IT、恒流充電電流IBULK及過(guò)充終止電流IOCT計(jì)算得出RG1、RG2,ROVC1和ROVC2,其基本計(jì)算公式如下：

ROVC1和ROVC2滿足以下關(guān)系式:

最終ROVC1和ROVC2分別選取為1kΩ,10kΩ。

3.2鉛酸蓄電池的溫度補(bǔ)償

光伏系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池一般與太陽(yáng)能板一起安裝在戶外，而周圍溫度的變化對(duì)鉛酸蓄電池的性能有重大影響，有研究表明，鉛酸蓄電池的浮充電流對(duì)溫度極為敏感，溫度每變化10℃,浮充電流成倍上升，關(guān)于本設(shè)計(jì)中用到的蓄電池，根據(jù)廠家供應(yīng)的參數(shù)，同一浮充電流下，其溫度系數(shù)為-3.9mV/℃,也就是說(shuō)假如要防止浮充電流新增，當(dāng)溫度升高1時(shí)，其浮充電壓應(yīng)該降低3.9mV;同理，當(dāng)溫度降低1時(shí)，其浮充電壓應(yīng)該升高3.9mV才能保持浮充電流不變。

UC3909內(nèi)部集成了具有鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償功能的電路如圖4所示，

圖4鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償電路

A1為電流/電壓轉(zhuǎn)換元件，其輸入端分別接10kΩ普通電阻及10kΩ熱敏電阻。A2與外接四個(gè)20kΩ電阻組成差動(dòng)運(yùn)算放大電路。RTHM一般貼附在鉛酸蓄電池的表面殼體用于檢測(cè)其溫度，當(dāng)鉛酸蓄電池內(nèi)部溫度變化時(shí)，通過(guò)熱敏電阻RTHM的反饋使UC3909的基準(zhǔn)電壓2.3V也隨溫度按-3.9mV/℃的溫度系數(shù)變化。從而確保鉛酸蓄電池在浮充狀態(tài)下準(zhǔn)確工作于安全的浮充電壓，保護(hù)了鉛酸蓄電池。

3.3DC/DC變換器設(shè)計(jì)

由于光伏陣列受外界環(huán)境影響較大，本系統(tǒng)中12V的太陽(yáng)能板輸出電壓的變化范圍約為0~20V,假如直接為鉛酸蓄電池充電，由于鉛酸蓄電池的正常工作電壓要高于10.8V,因此當(dāng)弱光條件下，太陽(yáng)能板的輸出電壓低于鉛酸蓄電池的端電壓時(shí)，其出現(xiàn)的電能不能被鉛酸蓄電池吸收。因此本系統(tǒng)采用把太陽(yáng)能板輸出經(jīng)過(guò)超級(jí)電容器組，再由超級(jí)電容器組先經(jīng)升降壓后為鉛酸蓄電池充電，有效增強(qiáng)系統(tǒng)弱光充電能力，提高利用效率。

本設(shè)計(jì)采用升降壓模式，如圖5所示，

圖5DC/DC轉(zhuǎn)換電路

超級(jí)電容器組接DC/DC轉(zhuǎn)換電路的輸入端，設(shè)定輸入范圍為4.5~20V,輸出電壓范圍為10.8~14.7V.Q1由單片機(jī)輸出pWM信號(hào)控制，Q2由UC3909的5腳經(jīng)MOS管驅(qū)動(dòng)電路控制，5腳輸出pWM頻率由UC3909的18腳所接電阻RSET及19管腳所接電容CT決定，UC3909的工作頻率設(shè)定為200kHz.同時(shí)在蓄電池的充電回路中還串接電流采樣電阻RS,RS兩端的電壓信號(hào)作為UC3909芯片內(nèi)部電流采樣放大電路的輸入信號(hào)分別接于CS,CS+輸入端，考慮到充電電流較大，為減少RS的功耗同時(shí)防止UC3909芯片內(nèi)部電流采樣放大電路飽和失真，RS應(yīng)盡量小，本電路中取55m.

3.4超級(jí)電容器組在系統(tǒng)中的用途

(1)超級(jí)電容具有使用壽命長(zhǎng)，充放電限制少，功率密度大，充電電池比能量高，可快速大電流充放電等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型高效的儲(chǔ)能器件。但由于其能量密度僅為鉛酸蓄電池的1/5,無(wú)法滿足太陽(yáng)能路燈照明這種大功率電路系統(tǒng)大容量?jī)?chǔ)能的要求。因此本系統(tǒng)中采用蓄電池組與超級(jí)電容器組混合儲(chǔ)能，結(jié)合超級(jí)電容功率密度高及鉛酸蓄電池能量密度高的特點(diǎn)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)性能。

(2)本系統(tǒng)中采用8個(gè)2.7V,1200F的超級(jí)電容串聯(lián)成額定電壓21.6V,容量為150F的超級(jí)電容器組，由于12V太陽(yáng)能板在強(qiáng)光照射時(shí)其輸出電壓約為20V,采用21.6V超級(jí)電容器組既可確保儲(chǔ)能器件的安全同時(shí)可以充分吸收太陽(yáng)能板輸出能量。

(3)由于系統(tǒng)采用MppT技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，MOS的高速導(dǎo)通與關(guān)斷都會(huì)在輸出端出現(xiàn)相應(yīng)干擾諧波，在太陽(yáng)能板輸出端及鉛酸蓄電池間加上超級(jí)電容器組可以有效抑制干擾諧波，保證鉛酸蓄電池平穩(wěn)充放電，延長(zhǎng)鉛酸蓄電池使用壽命。

(4)鉛酸蓄電池只能工作在UT至UOC電壓范圍內(nèi)(以12V鉛酸蓄電池為例，只能工作在10.8~14.7V之間).相比之下，由于超級(jí)電容器組可深度放電，其工作電壓可以設(shè)定在較低范圍，如該系統(tǒng)中設(shè)定超級(jí)電容器組的最低輸出電壓為4.5V.因此在弱光狀態(tài)下，太陽(yáng)能板的輸出電壓會(huì)高于超級(jí)電容器組端電壓，確保輸出電能被超級(jí)電容器組吸收儲(chǔ)存，再由升降壓電路轉(zhuǎn)換輸出給鉛酸蓄電池，即實(shí)現(xiàn)了弱光充電功能。

(5)由于鉛酸蓄電池的充電條件極為嚴(yán)格，在蓄電池的不同四個(gè)充電階段下，其允許輸入的電量不同，而太陽(yáng)能板的輸出受外界環(huán)境影響變化很大。當(dāng)太陽(yáng)能板輸出的電量大于鉛酸蓄電池當(dāng)前工作狀態(tài)下可接受的輸入電量時(shí)，多余的部分能量將保存在超級(jí)電容器組中;反之，當(dāng)太陽(yáng)能板輸出的電量小于鉛酸蓄電池可接受的輸入電量時(shí)，超級(jí)電容器組內(nèi)儲(chǔ)存的電量可補(bǔ)償不足輸出給鉛酸蓄電池。這樣既可以確保鉛酸蓄電池的平穩(wěn)充電，延長(zhǎng)使用壽命，也可以提高系統(tǒng)利用率。

3.5實(shí)驗(yàn)仿真

如圖6所示為protues仿真器中當(dāng)超級(jí)電容器組端電壓為4.5V時(shí)UC39095腳輸出脈沖及此時(shí)DC/DC的輸出波形。

圖6UC39095腳輸出U5及DC/DC電路U0輸出波形

仿真顯示，5腳輸出頻率為200kHz,DC/DC轉(zhuǎn)換電路的輸出較為平滑，且電壓幅值為13.6V,屬于設(shè)定輸出電壓范圍，與實(shí)測(cè)效果基本相符，說(shuō)明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)弱光充電功能。

4結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用超級(jí)電容器組與鉛酸蓄電池做太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)混合儲(chǔ)能元件，利用超級(jí)電容器組及升降壓電路實(shí)現(xiàn)弱光充電功能，有效提高太陽(yáng)能板利用率。同時(shí)利用UC3909實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的四階段充電管理，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及使用效率。