太阳能充电控制器系统设计

潘凤红，兰建军，李宇

(1.吉林化工学院机械工程学院，吉林吉林132022；2.东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012；3.吉林供电公司，吉林吉林132000)

太阳能充电控制器系统设计

潘凤红1，兰建军2，李宇3

(1.吉林化工学院机械工程学院，吉林吉林132022；2.东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012；3.吉林供电公司，吉林吉林132000)

以太阳能LED照明系统为研究对象，在分析铅酸电池充电原理和方法基础上，介绍了以TL494为核心的太阳能充电控制器的工作原理及电路设计。同时针对铅酸电池的浮充电压需要根据温度变化进行调整的特性，介绍了浮充电压温度补偿原理和方法，给出温度补偿相对误差曲线。最后对设计的充电控制器进行了实验测试，结果表明，该太阳能LED照明系统满足设计要求，温度补偿效果良好。

太阳能；LED照明系统；铅酸电池；充电控制器；温度补偿

化石能源正随着人类的不断开发而面临枯竭，利用光伏组件实现太阳能发电得到全世界的广泛认同，同时，节能环保的LED照明技术也逐步应用于各种场合，特别是上述技术在实际应用中的成本大幅降低后，以太阳能供电的LED照明系统更是充分体现了新能源和新光源技术的完美结合[1－2]，对于构建环境友好型社会具有尤其重要的意义。目前，太阳能LED照明系统主要采用离网式光伏发电形式进行应用，白天，在控制电路的控制下，将光伏组件转换得到的电能对蓄电池充电，夜间，LED利用蓄电池将存储的电能实现照明。为了降低系统成本，实现光伏组件的高效利用，同时保证蓄电池的使用寿命。太阳能LED照明系统的核心设计任务是设计具有良好充放电控制策略的光伏发电控制器[2]。

本文以太阳能LED照明系统为研究对象，介绍了系统的基本组成结构，详细说明了太阳能充电控制器的工作原理和实现方法，同时针对铅酸电池充放电特性要求，重点阐述了充放电过程中温度补偿措施。最后对系统的工作性能进行了测试与分析，结果表明，设计的太阳能LED照明系统充电控制器性能良好，可根据温度变化进行充电策略调整。

1 系统结构与原理

1.1 系统组成结构

太阳能LED照明系统的系统结构框图如图1所示，系统主要包含光伏组件、控制器、蓄电池、DC-DC变换电路等部分组成。利用光伏组件将太阳能转化为电能，通过充电控制器对蓄电池进行充电控制，将太阳能转换成电能后存储在蓄电池中。DC-DC变换电路将电压转换成各种设备所需的工作电压，以满足LED照明系统和各种便携式电子产品的电能需求。本系统中的光伏组件输出21 V电压，蓄电池为2个铅酸电池并联，参数为12 V/7 Ah。LED照明系统驱动电路输入9 V，260mA供电。

1.2 铅酸电池充电技术

由于太阳能发电受天气和周围环境因素影响较大，通常太阳电池无法提供充足的电能，因此利用太阳电池进行充电的方式和其他形式的充电方式不同。太阳能充电技术的主要目标是在保证蓄电池寿命的前提下，尽可能的将太阳能转换成电能。在考虑蓄电池寿命方面，通常都以最低析气率为前提，较为认同的基本原理是按照马斯提出的蓄电池马斯充电曲线进行充电。依据上述原理，目前较为常用的充电控制方式有恒压充电、恒流充电、两阶段充电等[3－4]。对于利用太阳能对铅酸蓄电池的充电方案，选择恒压限流充电方案是较为简单和可行的方案。

图1 太阳能LED照明系统结构框图

2 充电控制器设计

充电控制器的核心芯片采用德州仪器公司的脉冲宽度调制(PWM)控制器TL494，其是一种固定频率脉宽调制电路，内部包含了开关电源控制所需的全部功能，可应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源中。

2.1 开关频率计算

其内置的线性锯齿波振荡器振荡频率fosc可通过外部的电阻RT和电容CT进行调节，振荡频率计算公式如式(1)所示，本次使用的电阻和电容参数分别为12 k W和0.01m F，所以振荡频率设定为10 kHz附近。

2.2 充电电压控制

根据蓄电池生产厂家提供的技术手册中可知，在25℃条件下，单体电池充电电压不应超过2.30 V，本次限定为2.25 V，所以铅酸电池充电电压设定为13.30 V。

TL494内置一个5.0 V的基准电压源Vref，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0～70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。利用该基准电源信号作为内部PWM反馈比较器的反向输入端(2脚，1IN-)信号，充电控制器输出电压，经过Rf1和Rf2构成的分压电路后进行电压反馈，反馈电压信号送入TL494比较器的同相输入端(1脚1IN+)。TL494根据比较器的输出调节PWM控制器的占空比，保证电压跟随电压输出设定值，具体的充电控制器电路原理图如图2所示。

图2 充电控制器电路原理图

2.3 充电电流限制

充电控制电路给蓄电池充电时，需要进行充电电流控制，同时还需要进行过流保护。TL494具有电流检测控制功能，可以在充电电压输出负端和电压输入负端之间通过一个0.1W电阻进行电流采样，该电阻上的电压被接入到16脚，调整15脚上的电阻大小就可以控制输出最大电流，最大电流IMAX的计算公式可如式(2)所示。

2.4 浮充电压温度补偿

当铅酸电池处于充满状态后，为了补充电池自放电的容量损失，同时抑制电池板栅的腐蚀，延长电池寿命，需要对电池进行浮充。现有的蓄电池浮充电压标准都是在25℃温度下给定的。温差超过10℃时，必须修正浮充电压，否则将对电池造成损伤。电池温度每升高/降低1℃，浮充电压应降低/升高0.003 V/单格，本次使用的铅酸电池电压调整率为0.003 V× 6/℃。因此可用相关的温度自动补偿电路[5]，实现浮充电压根据电池温度自动调整。因此可将充电控制器分压电路的输出经过温度补偿电路后再送入TL494反馈端，设计的温度补偿电路如图3所示。

图3 温度自动补偿电路

其中Rt是分度号为PT100铂热电阻，这样，输入电压Vi和输出电压Vo之间的关系如式(3)所示。当蓄电池温度升高时，输出电压Vo随Rt值增加而增加，送入TL494反馈端后，调节占空比，从而使充电控制器输出电压降低。

3 系统测试与效果分析

为了验证本次设计方案的可行性和实际效果，按照上述电路进行了实际效果测试。当充电控制器设定输出电压为13.30 V时，无温度补偿时的充电控制器输出电压数据如表1所示。

为了保证蓄电池温度变化后，浮充电压能够根据温度自动调整，首先依据Pt100分度表绘制了0～50℃范围内热电阻阻值随温度变化曲线，曲线如图4所示，依据分度曲线对温度补偿电路的参数进行了设置，其中，R2=R3=190Ω，R1=109Ω，可分别用电位器实现。依据上述参数，对温度补偿相对误差进行了曲线拟合，补偿相对误差曲线如图5所示，根据曲线可知温度补偿结果完全满足误差要求。

图4 0～50℃温度下Pt100阻值变化曲线

图5 温度补偿相对误差曲线

4 结论

为了利用太阳能实现LED照明系统的能源供应，在分析和介绍太阳能LED照明系统的系统结构和工作原理后，利用TL494为核心芯片进行了太阳能充电控制器的电路设计，提出了浮充电压温度补偿方法和原理，依据铂热电阻的温度变化曲线进行了温度补偿效果分析，太阳能充电控制器的实验结果表明，设计的控制器可以可靠的实现LED照明系统中的电池充电，方案效果良好。

[1]白林.太阳能LED路灯智能控制系统技术研究[D].黑龙江：大庆石油学院，2009.

[2]徐敏锐，黄奇峰，王忠东，等.一种太阳能供电LED照明系统中充电控制器设计[J].电源技术，2014，38(4)：706-708.

[3]卢汉辉.蓄电池组充电管理系统关键技术的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[4]赵禹唐，王希业.蓄电池充电技术[J].电源技术，2001，25(5)：375-377.

[5]吾布力.自动温度补偿电路的一种实现电路[J].新疆石油学院学报，2002，14(1)：68-71.

Design of solarenergy charge controller system

PAN Feng-hong1，LAN Jian-jun2，LIYu3
(1.School ofMechatronics Engineering，Jilin Institute ofChem ical Technology，Jilin Jilin 132022，China;2.School ofAutomation Engineering，NortheastDianliUniversity，Jilin Jilin 132012，China;3.Jilin Electtric PowerCompany，Jilin Jilin 132000，China)

Using the LED lighting system powered by solar energy as the research object，based on the analysis of lead-acid battery charging principle and method，the solar charge controller work principle and circuit design using TL494 as the core were introduced.In accordance w ith the characteristics of lead-acid battery’s float charging pressure need of adjustment according to different tem perature，the float charging voltage tem perature com pensation principle and method were introduced and temperature compensation relative error curve was given.The experiments of the designed charge controllerwere carried on.The results show that the solar LED lighting system meets the design requirements and the tem perature com pensation effect is good.

solar energy;LED lighting system;lead-acid batteries;charge controller;tem perature compensation

TM 914

A

1002-087 X(2016)07-1460-02

2015-12-03

国家自然科学基金资助项目(61304013)

潘凤红(1982—)，女，江苏省人，硕士，讲师，主要研究方向为新能源发电和智能测控装置的教学与科研。