一种混合储能的太阳能充电器设计

　　3. 3 DC/ DC变换器设计

　　由于光伏阵列受外界环境影响较大， 本系统中12 V的太阳能板输出电压的变化范围约为0~ 20 V,如果直接为铅酸蓄电池充电， 由于铅酸蓄电池的正常工作电压要高于10. 8 V, 因此当弱光条件下， 太阳能板的输出电压低于铅酸蓄电池的端电压时， 其产生的电能不能被铅酸蓄电池吸收。因此本系统采用把太阳能板输出经过超级电容器组， 再由超级电容器组先经升降压后为铅酸蓄电池充电， 有效增强系统弱光充电能力， 提高利用效率。

　　本设计采用升降压模式， 如图5 所示， 超级电容器组接DC/ DC 转换电路的输入端， 设定输入范围为4. 5~ 20 V, 输出电压范围为10. 8~ 14. 7 V.Q1 由单片机输出PWM 信号控制， Q2 由UC3909 的5 脚经MOS 管驱动电路控制， 5 脚输出PWM 频率由UC3909 的18 脚所接电阻RSET 及19 管脚所接电容CT决定， 公式如下：

图5 DC/ DC转换电路

　　UC3909 的工作频率设定为200 kH z.同时在蓄电池的充电回路中还串接电流采样电阻RS , RS两端的电压信号作为U C3909 芯片内部电流采样放大电路的输入信号分别接于CS , CS+ 输入端， 考虑到充电电流较大， 为减少RS的功耗同时防止U C3909 芯片内部电流采样放大电路饱和失真， RS 应尽量小， 本电路中取55 m .

　　3. 4 超级电容器组在系统中的作用

　　（ 1） 超级电容具有使用寿命长， 充放电限制少， 功率密度大， 充电电池比能量高， 可快速大电流充放电等优点， 是一种新型高效的储能器件。但由于其能量密度仅为铅酸蓄电池的1/ 5, 无法满足太阳能路灯照明这种大功率电路系统大容量储能的要求。因此本系统中采用蓄电池组与超级电容器组混合储能， 结合超级电容功率密度高及铅酸蓄电池能量密度高的特点， 提高储能系统性能。

　　（ 2） 本系统中采用8 个2. 7 V, 1 200 F的超级电容串联成额定电压21. 6 V, 容量为150 F的超级电容器组， 由于12 V太阳能板在强光照射时其输出电压约为20 V, 采用21. 6 V超级电容器组既可确保储能器件的安全同时可以充分吸收太阳能板输出能量。

　　（ 3） 由于系统采用MPPT 技术来实现最大功率输出， MOS 的高速导通与关断都会在输出端产生相应干扰谐波， 在太阳能板输出端及铅酸蓄电池间加上超级电容器组可以有效抑制干扰谐波， 保证铅酸蓄电池平稳充放电， 延长铅酸蓄电池使用寿命。

　　（ 4） 铅酸蓄电池只能工作在UT 至UOC 电压范围内（ 以12 V 铅酸蓄电池为例， 只能工作在10. 8~ 14. 7 V之间） .相比之下， 由于超级电容器组可深度放电， 其工作电压可以设定在较低范围， 如该系统中设定超级电容器组的最低输出电压为4. 5 V.因此在弱光状态下， 太阳能板的输出电压会高于超级电容器组端电压，确保输出电能被超级电容器组吸收储存， 再由升降压电路转换输出给铅酸蓄电池， 即实现了弱光充电功能。

　　（ 5） 由于铅酸蓄电池的充电条件极为严格， 在蓄电池的不同四个充电阶段下， 其允许输入的电量不同， 而太阳能板的输出受外界环境影响变化很大。当太阳能板输出的电量大于铅酸蓄电池当前工作状态下可接受的输入电量时， 多余的部分能量将保存在超级电容器组中； 反之， 当太阳能板输出的电量小于铅酸蓄电池可接受的输入电量时， 超级电容器组内储存的电量可补偿不足输出给铅酸蓄电池。这样既可以确保铅酸蓄电池的平稳充电， 延长使用寿命， 也可以提高系统利用率。

　　3. 5 实验仿真

　　如图6 所示为protues 仿真器中当超级电容器组端电压为4. 5 V时U C3909 5 脚输出脉冲及此时DC/DC 的输出波形。仿真显示， 5 脚输出频率为200 kHz,DC/ DC 转换电路的输出较为平滑， 且电压幅值为13. 6 V, 属于设定输出电压范围， 与实测效果基本相符， 说明系统可以实现弱光充电功能。

图6 UC3909 5 脚输出U5 及DC/ DC 电路U0 输出波形

　　4 结语

　　本系统采用超级电容器组与铅酸蓄电池做太阳能路灯照明系统混合储能元件， 利用超级电容器组及升降压电路实现弱光充电功能， 有效提高太阳能板利用率。同时利用UC3909实现铅酸蓄电池的四阶段充电管理， 延长了蓄电池使用寿命， 提高系统稳定性及使用效率。