太阳能光伏电源系统的原理及组成（一种基于双向变换器的太阳能电池储能供电系统-AET）

A solar cell energy storage power supply system based on bidirectional converter

0 引言

随着经济的快速发展，常规能源濒临枯竭，太阳能、风能、潮汐能等新能源日益被人们所重视^[1-2]。其中，由于太阳能的无限性、广泛性、无污染性等诸多特点，使其具有更广泛的应用前景^[3]。

虽然太阳能优点显著，但天气变化、昼夜交替等因素使其储能存在一定的不确定性^[4]。需要在太阳能供电系统中加入电池储能系统，目前，传统太阳能储能供电系统通常是由基于单向变换器的储能和供电两套系统组成的^[5-7]。储能系统中，太阳能电池到负载有一个DC-DC变换器；供电系统中，太阳能电池到电池组有一个DC-DC变换器，电池组到负载有一个DC-DC变换器^[8]。太阳能电池给负载供电，同时给电池组充电时，有两个DC-DC变换器在工作，每个变换器都有损耗，两个变换器损耗会叠加。电池组给负载供电时也有一个变换器存在损耗。因此，这种由两套基于单向变换器的储能供电系统损耗大，太阳能利用率比较低。同时，这种电路结构也相对复杂，电路体积大，成本高，控制繁琐。

针对上述问题，设计了一种基于双向变换器的太阳能电池储能供电系统。该系统通过微控制器选择通路，用一个DC-DC变换单元实现双向升压-降压的功能。此外，微控制器对参数进行检测与调整，并利用显示屏显示，具有人机交互等功能。

1 系统结构及工作原理

基于双向变换器的电池储能供电系统主要由微控制器模块、DC-DC变换器模块和开关模块组成，具体供电系统构成框图如图1所示。

DC-DC变换模块，主要由Buck-boost主电路、电压电流反馈环路和电流控制环路组成。该模块实现太阳能电池到负载、太阳能电池到电池组和电池组到负载的电压转换以及环路电流控制。

微控制器模块，由微处理器、按键、电位器和OLED显示屏组成。电位器处在输出电流环路中，按键可向微处理器发送高低电平，微处理器改变电位器电阻值，以此调整输出电流值。

开关模块，由开关S_C1、S_C2、S_C3、S_C4组成。开关S_C2、S_C3、S_C4闭合，S_C1断开，太阳能电池给负载供电，同时给电池组充电。开关S_C3断开，开关S_C1、S_C2、S_C4闭合，电池组通过DC-DC变换器给负载供电。

系统工作时分为光照充足和不充足两种工作状态，当光照充足时，开关S_C2、S_C3、S_C4闭合，S_C1断开，太阳能电池给负载供电，同时，太阳能电池还可以通过DC-DC变换器给电池组充电。根据太阳能电池电压以及电池组电压的不同，微控制器可将输入端到输出端设定为升压模式或者降压模式；当光照不充足时，太阳能电池电压低于设定值，此时，开关S_C3断开，开关S_C1、S_C2、S_C4闭合，电池组通过DC-DC变换器反向放电，以维持负载两端电压稳定。

开关模块和DC-DC变换模块以组合工作的模式实现双向变换器的功能。系统工作时，采样电阻经运算放大器将电压信号传递至微控制器内部，对电池组的输入输出电流进行实时检测。微控制器可以改变数字电位器的电阻，根据电流输出回路，步进改变输出电流，步进值理论可达0.001 A。太阳能电池与DC-DC变换器之间有防反二极管D1，防止电池组供电时电流反灌入太阳能电池。

2 系统电路设计

系统连接原理如图2所示，因为微处理器要采集分压电阻分得电压，所以要求具有内部ADC处理能力。同时，根据输入输出电压的不同，微处理器要控制不同开关的导通与关断，所以需要有内部定时器，系统开关频率不超过500 kHz。为了满足上述监控任务，控制单元采用32位ARM微控制器（MCU）STM32F103C8T6。利用微控制器控制系统的模式切换、按键检测、屏幕显示等任务。同时，单片机也实时监测输入输出电压，对电池组进行过充过放保护。

采用LT8705开关稳压控制器，其可在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下工作。该器件外围电路配置有四路N沟道MOSFET栅极驱动器，具有集成的输入电流、输入电压、输出电流、输出电压的反馈回路且具有很宽的电压输入和电压输出范围。

DC-DC单元由LT8705开关稳压控制器及其外围4个MOSFET开关管(M1~M4)、电感L、保护电阻及输入和输出滤波电容构成，在图2中用虚线框1标出。其中，M1和M3为主控开关管，M2和M4为同步整流开关管。

当输入电压V_IN显著高于输出电压V_OUT时，电路处于降压模式，在此时，M4管处于导通状态，M3处于关断状态。开关管M1与M2交替导通，其开关动作类似一个同步降压型稳压器。当V_IN比V_OUT低于3 V时，电路处于升压模式，在此时，M1处于导通状态，M2处于关断状态。开关管M3与M4交替导通，其开关动作类似一个同步升压型稳压器。当V_IN比V_OUT高于3 V时，电路工作于降压-升压模式。开关组合M1、M2与M3、M4按照先后时序导通或关断。

在LT8705内部集成有4个误差放大器，如图3所示，因而能够限制或调节输出电流(EA₁)、输入电流(EA₂)、输入电压(EA₃)和输出电压(EA₄)。输出电流调节公式为：

式中，R_S是采样电阻，I_OUT是流经采样电阻的电流，g_m是跨导(典型值为1 mA/V)，R₄为X9111的R_H与R_W之间的电阻值。

当系统工作时，输出电流经过R_S产生一个压降U_sense，如式(1)所示，U_sense与跨导g_m的乘积是经R₄流到地上的电流，在R₄上产生的压降与误差放大器EA₁的基准电压相同，如式(2)所示。调节R₄的阻值便可以调节I_OUT的值。系统工作时，STM32的PD0口采集经AD620放大的R_S上的压降，通过式(1)和式(2)计算出此时的输出电流并显示在显示屏上。在STM32内部设定多个阈值区间，采集的输出电流值落在相应的阈值区间，根据落在的阈值区间调节R₄值，从而改变输出电流。STM32的PD4口每发送一个高脉冲，X9111阻值减小100 Ω，若初始值设为100 kΩ，此时的理论步进调整值为0.001 A。

对输入电压以及输出电压的检测由图3中R_FBIN和R_FBOUT分压电阻分得的电压决定。调节R_FBIN和R_FBOUT分压电阻值便可以达到调整输出电压的作用，分压电阻与输入输出电压关系为：

系统有恒压（CV）充电和恒流（CC）充电两种充电方式。通过调节输出电流误差放大器（EA₁）的外接电阻可以实现步进控制输出电流，调节输出电压误差放大器（EA₃）的外接电阻可以调节输出电压，调节输入电流误差放大器（EA₂）的外接电阻来调节输入电流，调节输入电压误差放大器（EA₄）的外接电阻值来调节输入欠压保护值。

由于输入输出电流在安培级，一般的电子开关不能满足功率要求，因此图2中的开关S_C1、S_C2、S_C3、S_C4采用功率开关，结构如图4所示。功率开关采用了两个NPN三极管，用来控制PMOS的导通，其中Q₁采用小功率PNP型三极管，用来驱动晶体管。开关管Q₃采用大功率低导通电阻的P沟道场效应管。当输入高电平时，Q₁导通，工作在饱和区，U_C1维持在0.3 V左右，Q₂截止，Q₃的栅极电压被R₃抬高，Q₃关断，即此开关关断；当输入为低电平时，Q₁截止，U_C1维持在高电平状态，Q₂导通，且U_C2约等于0.3 V，因此Q₃导通，即此开关闭合。

当光照充足时，STM32的PD0口采集经AD620放大后的R_S上的压降，PA7口、PA8口、PA10口输出高电平，PA9口输出低电平，软开关S_C2、S_C3、S_C4导通，S_C1关断，太阳能电池既给负载供电，同时又给电池组充电，为正向工作模式。当光照不充足时，R_S上压降变低，微控制器PA8口输出低电平，PA7口、PA9口、PA10口输出高电平，开关S_C3关断，开关S_C1、S_C2、S_C4导通，太阳能电池不再给负载供电，也停止给电池组充电，电池组开始为负载供电，为反向工作模式。

3 实验结果分析

系统默认从太阳能电池供电开始，当开关S1按下时，系统开始上电工作，流程图如图5所示，首先，开关S_C1断开，开关S_C2、S_C3闭合，太阳能电池开始给负载供电以及给电池组充电，单片机STM32采集充电电流，如果充电电流I与设定值偏差较大，则调节数字电位器X9111，使充电电流值在设定范围内。如果充电电流偏差不大，则判断输入电压是否小于10 V，当输入电压小于10 V时判定光照不充足，此时由储能电池供电，开关S_C3断开，开关S_C1、S_C2闭合。当检测到开关S1断开时，系统停止工作。图6表示阻值不同的X9111与输入电流的关系，调整范围在1～2 A之间，线性调整率如图7所示。

由图6知，电路R9111调整的电流与理论值基本一致，偏差在0.1%以内。由图7知，当电压输出电压从24 V到36 V变化时，输出电流变化率在2%以内。

图8给出了降压模式下充电的转换效率测试曲线，在输入电压为3 V、充电电流为1.5 A时的转换效率达到95.12%，充电电流为2 A时的转换效率也达到97.75%。

图9给出了升压模式下放电的转换效率测试曲线，在电池电压为24 V、负载电流为1.5 A时的转换效率达到94.7%。实验结果表明，本储能系统不仅实现了充电和放电的双向功能，而且充放电效率高，稳定性好。

4 结论

本文设计了一种基于双向变换器的电池储能供电系统，系统利用LT8705实现升压—降压功能，微控制器STM32以及复用的功率开关控制电流流动方向，X9111精确调整步进值，从而实现了一种双向变换器的电池充放电电路系统。经过测试，当充电电流从0.8 A到2 A变化时，系统具有95%以上的转换效率。当输出电压从24 V到36 V变化时，输出电流变化率在2%以内。

参考文献

[1] 公茂法，贾斌，公政，等.基于TL431的太阳能LED路灯控制器设计[J].电子技术应用，2011，37(6)：65-67.

[2] MARTINEZ-ANIDO C B，BOTOR B，FLORITA A R，et al.The value of day-ahead solar power forecasting improvement[J].SolarEnergy，2016，129：192-203.

[3] 徐进，帅立国.一种新型软开关DC-DCPWM升压变换器设计[J].电子器件，2016，39(2)：312-319.

[4] 刘庆新，程树英.双Buck太阳能LED路灯照明控制系统[J].电子技术应用，2011，37(5)：142-145.

[5] ALI U S.A modified maximum power point tracking control for Bi-directional Z-Source DC-DC converter based solar electric vehicle[J].Applied Mechanics and Materials，2015，4123(787)：828-832.

[6] 陈显东，曹太强，黎凡森.一种新型交错并联型buck变换器[J].电子技术应用，2017，43(7)：153-156.

[7] 张斌，李宏.锂电池化成用双向DC-DC变换器设计[J].微型机与应用，2015，34(9)：40-42，53.

[8] MAZUREK G.Performance study of solar power source for wireless systems[J].International Journal of Electronics and Telecommunications，2013，59(3)：271-276.

作者信息:

李演明，郑怀仓，文常保，杨冠斌，茹 锋，孟 云

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安710064）

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