自制脉宽调制(PWM)太阳能控制器
详细内容
太阳能发电核心器件是太阳能控制器，其性能及设计水平直接影响着系统的效率和性价比，甚至工作寿命和维护成本，特别是蓄电池的寿命。
太阳能庭院灯由太阳能电池板、控制器、蓄电池、12V光源组成电器部分配件，再加上灯杆、灯罩、灯座、太阳能板支架等五金部分配件组合而成，见右图。蓄电池是系统中投资成本比例较大，控制必须做到任何情况下不能让蓄电池过充电或过放电，否则将大大缩短其寿命。
目前，太阳能电池板效率较高的约为23%。并可对蓄电池的过充过放电进行保护。这就是太阳能控制器的主要任务。
一、太阳能庭院灯
太阳能控制器功能 蓄电池反接保护即"+"、"-"极接反保护；太阳能电池反接保护；负载过流及短路，浪涌冲击保护；蓄电池开路保护如蓄电池开路，控制器切断负载，以保证负载不损坏；过充、过压保护；电池类型可选择普通铅酸或胶体铅酸；蓄电池过放电保护；软输出启动，防止负载接入时蓄电池电压突降的误保护；线路防雷保护，防止雷电从太阳能板及引线入烧控制器；光控、时控或光/时混控开关，可编程选择；各种状态显示即充电中、充电状态、负载状态；PWM充电方法，浮充功能优越；夜间防反向放电保护；PWM环境温度补偿；全电子开关，有效延长控制器寿命，减少工作电流损耗。
二、技术参数（以环境温度25℃为准）
见附表
三、太阳能控制器种类
使用单片机可使充电工作做得简单而效率又高。线路选择不选择并联式，因充满电时如对PV板输出端短路会影响PV板的使用寿命。
所以选用串联式为宜。单片机PWM系统具有光伏最大功率点跟踪能力，光伏电池利用率较高，PWM让蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短，充电过程中平均充电电流的变化更符合蓄电池的荷电状态，真正从0到100%充电工作。
太阳能PV板对蓄电池的充电分为直充、浮充和涓流充电三个阶段。设计电路时，必须对蓄电池的充放电电压设定点做温度修正补偿，即对各充、放电阶段的电压设定值随温度变化而自动调整。温度补偿要满足蓄电池的技术条件，单节以4mV/℃作为参考值。
大部分的蓄电池厂家建议蓄电池（胶体电池不需要）需要偶尔的进行过充电。这就要进行每两个月一次均衡充电。让正常充电完成一小时后，再直充，最高电压为16V，然后停充一小时，再均衡充电，重复2～3次即完成均衡充电过程。
四、控制器（见左图） 本控制器为太阳能庭院灯用，负载50W以下，5A电流作为系统设计已足够。控制器由充电电路、放电电路、状态指示电路、温度补偿电路组成。
蓄电池BTl为12V34Ah全密封电池，是控制器的主电源。电容C1、C3、C4为高频滤波电容，滤除PV板和负载产生之多余高频杂波，减少对单片机和系统的干扰。压敏电阻RVl吸收雷电经PV板和引线进入控制器的闪压。T4、D6等元件把12V电池输入的电压稳定约10V，防止电池电压变化对系统的影响。T2、D4稳压5V供给单片机及个别元件使用。D1、D3为MOS管栅极保护用元件。R1、R2、R12、R28、D5 组成太阳能PV 板电压检测电路，把PV 板的各种状态输入U1 的③脚反映给单片机，而且对庭院灯起自动开关灯作用。R19、R24、C6 组成蓄电池电压检测电路，从蓄电池的两端电压反映电池的所在状态，再由单片机软件处理，作出相应的充电各阶段控制。单片机U1 的①脚为正电源脚，⑩脚为控制器地线，即蓄电池的负极端。④脚为铅酸液体电池和胶体电池选择功能脚，通过S4 开关闭合确定为蓄电池是胶体结构。T3 是控制负载输出用之三极管，当它导通时，MOS 输出控制管T 会关断，从而负载RL 没有电能，输出保护LEDl 亮。[1][2]下一页充电过程：当PV板受太阳照射时，电压信号通过U1的③脚输入，其A/D输入口实现对太阳能电池采样测量比较，当PV板输出超过6V时，太阳能PV板工作指示灯LED5亮起，启动充电程序，当蓄电池容量较低时，②脚输出高压平，T5截止，T1关断，T6、T7受R8、R9的电流驱动导通。太阳能PV板电流从正极→蓄电池正极→负极→T7→T6流动，给蓄电池快速充电。随着蓄电池两端电压的不断升高，状态指示灯LED2、LED3、LED4依次点亮，显示着蓄电池容量状态。在充电过程中，如果蓄电池BTl两端电压为13.6V时，并能保护30秒，电路转为PWM浮充阶段，U1的②脚由高电平变为输出PWM信号，频率为30Hz，经T5、T1控制T6、T7MOS管的导通和截止，向BTl充电。随着蓄电池两端电压的升高，充电电流的开通脉宽越变窄，充电电流越小；当两端电压向下降时，充电占空比变宽，电流又增大。如此反复PWM不断充电到蓄电池两端电压达到过充电保护电压14.6V，并能保持30秒，整个充电过程基本完成。如需要涓流充电，利用一个较窄的PWM电流间断性充电，间断时间为30分钟以上。
放电过程：由R25、R27、T8、D3、RL组成放电回路，蓄电池电压高于11V时，RL两端可输出蓄电池和PV板的混合电能。当蓄电池电压降至11.0V时，U1⑩脚输出高电平，T3导通，T8关断，同时LED1亮，过放电低压保护起作用。由于蓄电池的特性不能长时间在亏电状态，否则会损害蓄电池，所以经过过充电低压保护后，必须及时充电，并要求充至12.5V时，系统才允许蓄电池恢复供电给负载。在放电过程中，每次LED灯的转换代表蓄电池容量的变化，LED4亮表示蓄电池容量大于75%，电压为12.8V以上；LED3亮表示蓄电池容量大于25%而小于75%，电压在12.8V和11.8V之间；当LED2亮时表示容量小于25%，电压为11.0V至11.8V之间。当降至接近11.0V时，LED2闪亮，此时系统要求判断民负载，以保护蓄电池。如不关断，3分钟后输出保护灯LEDl亮，强制切断负载。
光控开灯：傍晚，当PV电压小于6V时，达到光强启动点时，U1延时10分钟后确认，T8导通接通负载电源，太阳能庭院灯自动发光。早上，当PV板电压高于6V时，控制器再次延时10分钟后确认光强关闭信号，自动关断负载电源，灯熄灭。
T6是夜间或太阳光不足时的反向放电保护MOS管，当U1的③脚检测到太阳能PV板电压低于11.3V时，自动切断T6，防止蓄电池向PV板放电，流失电能。 R20、R21、D8组成蓄电池环境温度补偿电路，D8随温度变化而引起⑩脚电压变化，经A/D转换，再由软件处理，改变各充放电阶段的电压设定值。本电路补偿系数为25mV/℃。
五、元件选择
线路板需使用2安士厚度纤维板，注意大电流之铜箔要足够宽。由于控制器多为室外使用，组装调试后必须做防潮表面封闭。三个MOS管使用50V以上耐压，50A最大工作电流管，T-220封装，带散热片安装。对于检测用之电阻R1、R2、R24、R19、R20、R21要用精度为1%之电阻。瓷片电容为50V以上耐压，注意不要漏电。接线柱要足够5A以上规格。
六、注意事项
U1的软件要有自检功能，刚接通电源不能马上输出电给负载。蓄电池和PV板接线正确、电压正常时，才能启动负载，以免损坏用电器。 连接PV板，蓄电池的电线截面要大于2.5mmm2。 为使环境温度补偿，控制器可以检测周围温度以调节充电各阶段电压设定值，控制器必须和蓄电池安装在同一环境空间。上一页[1][2]