光伏充电器设计毕业论文设计

光伏充电器设计毕业论文设计 摘 要 太阳能是清洁无污染的可再生能源，利用太阳能是世界能源发展战略的重要内容之一，其中太阳能发电最受瞩目，而太阳能电池作为把太阳能转换为电能的功能型材料和器件已被广泛应用。本文主要阐述了光伏充电系统的设计，其中本设计中主电路采用BUCK变换器，控制电路核心采用的是TI公司电压型PWM控制芯片TL494。BUCK变换器结构简单，动态性能比较好；
TL494是典型的固定频率脉宽控制集成电路，它包含了控制开关电源所需的全部功能，价格便宜。本设计中最关键的部分就是光伏电池的MPPT的控制方式，通过各种方式的优缺点比较，本课题中采用CVT（CVT：Constant Voltage Tracking）型最大功率点跟踪算法实现光伏阵列最大功率点跟踪，CVT型控制算法具有结构简单、良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。

关键词：BUCK变换器；
TL494；
MPPT；
光伏电池 目 录 摘 要 I 目 录 II 第一章 绪 论 1 1.1引言 1 1.2光伏发电的国内外研究现状与趋势 1 1.2.1世界的光伏发电现状与趋势 1 1.2.2我国的光伏发电现状与趋势 2 1.2.3光伏产业的发展趋势 3 1.3本课题研究的主要的内容与目的 4 第二章 光伏电池特性 5 2.1光伏电池特性介绍 5 2.3 硅光伏电池的原理及其特性 5 2.3.1硅光伏电池的结构及工作原理 5 2.3.2硅光伏电池的特性 6 2.3.3硅光伏电池结温和日照强度对光伏电池输出特性的影响 8 第三章 最大功率点跟踪原理 11 3.1常用的最大功率点跟踪原理 11 3.2常用的最大功率点跟踪原理 11 3.2.1最大功率点追踪算法 12 3.2.2 扰动观察法(爬山法)及其改进自适应算法 12 3.2.3增量电导法 12 3.2.4 恒定电压法与短路电流法: 12 3.2.4滞环比较法 13 第四章 充电器电路设计 15 4.1 控制芯片TL494简介 15 4.1.1 TL494功能特性 15 4.1.2 TL494管脚配置及其功能 15 4.1.3 TL494的极限参数 16 4.2本设计光伏电池的MPPT控制方式 16 4.3光伏充电系统控制原理框图 17 4.4光伏充电系统主电路设计 18 4.4.1光伏充电系统主电路结构 18 4.4.2 主电路参数设计 18 4.5控制电路设计 19 第五章 实验结果与实验装置 23 5.1充电系统实验结果及实验装置 23 5.1.1 工作点调节实验波形 23 5.1.2 实验装置 24 第六章 总结与展望 27 6.1本课题的必要性 27 6.2本课题所作的主要工作 27 6.3 结论 27 致 谢 28 参考文献 29 附录1 总电路图 30 附录2 实物图 31 第一章 绪 论 1.1引言 随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有能源主要有3种，即火电、水电和核电。

火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；
二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是大阳能。

1.2光伏发电的国内外研究现状与趋势 光伏发电的国内外是一种朝阳产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界许多国家的高度重视。

1.2.1世界的光伏发电现状与趋势 日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50 %以上；
德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，出口额占世界贸易额的80 %以上。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3 000 Mw 增加到2020年的70GW。(w 为峰瓦)，光伏发电将解决非洲30% 、经济合作与发展组织(OECD)国家10% 的电力需求。当2010年欧洲风力发电达到约40 GW、光伏发电3GW 和太阳能集热器100 Mm 时，总计可提供154～ 167万个就业机会。日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从1994年开始以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的制度。要求第一年有1000户家庭、2000年时有7万户家庭装上太阳能发电设备。据日本有关部门估计日本2100万户个人住宅中如果有80％装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的14％，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的30％－40％。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的3千瓦发电系统，需600万至700万日元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到100万到200万日元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。

不久前，美国德州仪器公司和SCE公司宣布，它们开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径不到1毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约50平方厘米的面积上便分布有1，700个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变换效率只有8％—10%，但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，挂在向阳处便可发电，非常方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要15至2美元，而且每发一度电的费用也可降到14美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上，每年就可获得一二千度的电力。

世界能源组织对太阳能光伏发电的未来发展做出如下预测：2020年世界光伏发电的发电量占总发电量的1%，2040年占总发电量的20%。欧洲光伏工业协会(EPIA)对光伏发电的预测为：2020年世界太阳能光伏组件年产量将达到40GWp，光伏发电总装机容量195GWp，发电量274TWh，占全球发电量的1％，太阳电池的组件成本下降到1美元IWp；
2040年光伏发电量7368TWh，占全球发电量的21%。2020年世界的光伏发电累计装机容量将达到200GWpa。其中美、日、欧安装总量超过世界总量的50%%。随着光伏市场和产业的快速发展，光伏发电的成本也随之下降并逐步接近和达到常规发电成本水平。近年来光伏发电发展速度比以前任何时候预测的要快得多，因此光伏发电成本的下降速度也比以前预测的要快，尽管近年来多晶硅材料短缺减缓了成本的下降速度。如预测的那样，随着常规发电成本的不断提高，到2020年左右光伏发电与常规发电相比，完全具有竞争能力。

综上所述，世界各种权威机构对可再生能源替代速度和光伏发电未来前景的预测具有高度一致性。我们有理由相信这些预测结果具有很高的科学性和可信度，因而具有重要的参考价值。这些预测充分说明可再生能源替代化石燃料的紧迫性和必然性，说明光伏发电未来的重要战略地位。

1.2.2我国的光伏发电现状与趋势 我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米４千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米７千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家10-15年，甚至明显落后于印度。但是，我国光伏产业正以每年30%的速度增长，2006年底国内光伏电池生产能力已达450MW以上。在国家各部委立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达21%，可商业化光伏组件效率达14-15%，一般商业化电池效率10-13%。目前我国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2000年的40元/瓦降到2003年的33元/瓦，2004年已经降到27元/瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。

1.2.3光伏产业的发展趋势 技术进步是降低光伏发电成本、促进光伏产业和市场发展的重要因素。几十年来围绕着降低成本的各种研发工作取得了显著成就，表现在电池效率不断提高、硅片厚度持续降低、产业化技术不断改进等方面，对降低光伏发电成本起到了决定性的作用。

商业化电池效率不断提高。先进技术不断向产业注入，使商业化电池技术不断得到提升。目前商业化晶硅电池的效率达到15%~20%（单晶硅电池16%~20%，多晶硅15%~18%）；
商业化单结非晶硅电池效率5%~7%，双结非晶硅电池效率6%~8%，非晶硅／微晶硅迭层电池效率8%~10%，而且稳定性不断提高。电池效率的提高是光伏发电成本下降的重要因素之一。

商业化电池硅片厚度持续降低。降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面。30多年来，太阳电池硅片厚度从1970年的450~500μm降低到目前的180~200μm，降低了一半以上。硅材料用量的大幅度降低是技术进步促进成本降低的重要范例之一。

产业化规模不断扩大。生产规模不断扩大和自动化程度持续提高是太阳电池生产成本降低的重要因素。太阳电池单厂生产规模已经从上世纪80年代的1~5MWp/年发展到90年代的5~30MWp/年，2006年25~500MWp／年，2007年25~1000MWp／年。对于太阳电池来说，30年统计的结果，是所有可再生能源发电技术中最大的，是现代集约化经济的最佳体现者之一。

光伏组件成本和发电大幅度降低。光伏组件成本30年来降低了2个多数量级。2003年世界重要厂商的成本为2~2.3美元/Wp，售价2.5-3美元/Wp，2004年以后因材料紧缺价格有所回升。其中技术的革新是促使产品成本降低的主要原因。

光伏工业专用设备制造业的发展。30年来光伏产业专用设备制造业的技术提升是光伏工业发展的重要标志之一，它对光伏工业发展和光伏发电成本降低起到举足轻重的作用。

1.3本课题研究的主要的内容与目的 本课题共分为五章节，首先第二章针对光伏电池的特性进行系统性分析，对光伏电池的原理、负载特性和输出特性曲线等深入掌握和了解，在以上基础上确定光伏充电器的系统结构，本设计即主电路采用BUCK变换器，控制电路核心采用的是TI公司电压型PWM控制芯片TL494；
其次第三章是对TL494的功能特点、引脚功能及数据、等方面的论述；
进而第四章是对各种MPPT控制方式的优缺点和使用中的问题分析和原理性介绍；
最后第五章是电路的总体性设计，包括主电路和控制电路。本设计的目的是根据太阳能光伏电池组件的P-V特性曲线，设计出一台太阳能光伏充电器，本充电器可实现太阳能电池组件最大功率点跟踪，使太阳电池组件输出功率最大。

光伏充电系统的原理图如图2.4所示，主电路采用BUCK变换器，控制电路核心采用的是TI公司电压型PWM控制芯片TL494。BUCK变换器结构简单，动态性能比较好；
TL494是典型的固定频率脉宽控制集成电路，它包含了控制开关电源所需的全部功能，价格便宜。

图1-1 光伏充电系统原理 第二章 光伏电池特性 2.1光伏电池特性介绍 太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。

按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。

光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在.为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能，其制造工艺、组合安装，以及在设计配套的控制系统时，都要考虑改善光伏电池外特性的问题。

2.3 硅光伏电池的原理及其特性 2.3.1硅光伏电池的结构及工作原理 单个硅太阳能电池外形结构如图2.1所示。这是一种N+/P型硅太阳能电池，它的基体材料为P型单晶硅，厚度在0.4mm以下，上表面层为N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个P-N结。在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率；
另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到90%以上。

图2-1 硅太阳能电池外形结构图 硅太阳能电池的工作原理为：对于半导体材料而言，当其中的P-N结处于平衡状态的时候，在P-N结处会形成一个耗尽层，存在由N区指向P区的势垒电场。当每一个入射光子的能量大于禁带宽度(Eg)，即整个入射太阳光的能量大于硅禁带宽度的时候，太阳光子照射入半导体内，把电子从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生了一个电子-空穴对。因此，当能量大于禁带宽度的光子进入电池的N区、空间电荷区和P区中时，会激发产生光生电子-空穴对。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被势垒电场分离，光生电子被推向N区，光生空穴被推向P区。在N区和P区中产生的光生电子-空穴对会向P-N结交界面处扩散，当达到势垒电场边界时，立即受到势垒电场的作用，使光生电子留在N区，光生空穴留在P区。而在N区中的光生空穴由于内建电场的作用被推到P区，P区中的光生电子同样被推到N区。最后就形成了N区中积累了过剩的电子，P区中积累了过剩的空穴，而在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。这就是所谓的“光生伏打效应”。当接上负载后，电流就从P区经过负载流向N区，负载即获得功率。

2.3.2硅光伏电池的特性 当有太阳光照射时，太阳能电池便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可将太阳能电池看作恒流电源。太阳能电池为PN结型二极管, 因为在光的照射下产生正向偏压，所以在PN结为理想状态的情况下，可根据图2.2表示的等效电路来考虑。

图2-2 理想状态的太阳能电池等效电路图 使用这种等效电路时，加给负载的电压V和流过负载的电流I之间的关系，可由下式给出：
(2.1) 式中：IF，IL是流过二极管的正向电流和光电流；
q是载流子的电荷；
k是玻耳兹曼常数；
T是温度[K]；
I0是二极管的饱和电流。

在实际的太阳能电池中，存在着与漏泄电流相当的二极管并联电阻Rsh，和串联电阻Rs。此时的等效电路可根据图2.4来描述: 图 2-3 实际太阳能电池等效电路图 其伏安特性可由下式给出：
(2.2) 式中：α是取决于PN结特性的常数，一般取该值近似于1。

将式(2.2)给出的太阳能电池的输出特性用曲线图表示出来，则得到图2.5。太阳能电池的伏安特性曲线是系统分析最重要的技术数据之一。从图中可以看出，它具有强烈的非线性。

太阳能电池的额定功率定义条件为：当日照S=1000W/m2，太阳电池温度T=25℃，大气质量AM=1.5时，太阳电池输出的最大功率便为它的额定功率，对应于图2.5中的M点。太阳电池额定功率的单位是“峰瓦”，记作“WP”。曲线上的M点表示在相应日照强度下太阳电池输出最大功率的位置，称“最大功率点(MPP)”。

假定负载为纯电阻负载，和特性曲线相交于M点，根据公式RL=VM/IM 可以画出负载线为一条直线，其斜率由负载的阻值决定。

图 2-4 太阳电池的输出特性 根据图中所示特性曲线，定义如下几个主要参数：
短路电流Isc(short circuit current)：当V=0时，对应的最大电流值；

开路电压Voc(open circuit voltage)：当I=0时，对应的最大电压值；

工作点(working point)：负载线与伏安特性曲线的交点。

特性曲线上任意一点均为太阳电池的工作点。每一点都对应着负载电阻从太阳电池处获得的功率，即图中矩形0IMMVM0所围成的面积。当调节负载电阻的阻值RL时。总可以找到一点M，对应的IM·VM为最大，此时，称M点为最佳功率点，也称为最大功率点(Maximum Power Point,简记为MPP)。这一点所对应的电流IM为最佳工作电流，电压VM为最佳工作电压，负载RM为最佳负载电阻，PM功率为最大输出功率。

2.3.3硅光伏电池结温和日照强度对光伏电池输出特性的影响 由式(2.2)和等效电路可知日照强度和电池结温是影响太阳能电池阵列功率输出的最重要的参数，温度上升将使太阳能电池开路电压Voc下降，短路电流Isc则略微增大，如图2.5所示；
总体效果会造成太阳能电池的输出功率下降，如图2.6所示。注意这里是指太阳能电池结温的变化，而不是指环境温度。太阳能电池结温和环境温度的关系依赖于日照强度，如图2.7所示。

图2-5 不同温度下的I-V曲线 图2-6 不同温度下的P-V曲线 图2-7太阳电池温度和日照强度之间的关系曲线 日照强度在极大的程度上影响太阳能电池阵列的输出电流。图2.8和图2.9给出了不同日照强度下典型的I-V和P-V特性。

图2-8不同日照强度下的I-V曲线 图2-9不同日照强度下的P-V曲线 由图2.8和图2.9中光伏电池在标准温度及标准光强下的P-V特性可以看出，光伏电池的输出特性受环境变化影响很大，其中光照强度主要影响光伏电池电流，而光伏电池电压主要受温度影响，因此简单的CVT控制技术是不能满足光伏电池最大功率输出要求的，从而使得MPPT控制技术更加适用。

第三章 最大功率点跟踪原理 “最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）简称“MPPT”，所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。

3.1常用的最大功率点跟踪原理 在人类面临严重能源问题和环保压力下，太阳能的利用越来越受到人们的重视。光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受太阳辐照度、环境温度负载情况影响。只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。由于目前光伏电池的光电转换效率比较低，为了有效利用光伏电池，对光伏发电进行最大功率跟踪显得非常重要。目前，国内外文献提出了多种跟踪方法其实质上是一个寻优过程，即通过太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。太阳能电池阵列的输出功率特性曲线如图3-1 图3-1光伏电池输出功率特性 由图可知，当太阳能电池工作于最大功率点Vmax左侧时，其输出功率随电池端电压的上升而增加；
当太阳能电池工作与最大功率点电压Vmax右侧时，其输出功率随电池端电压的上升而减少。此外，MPPT控制也可以先根据采集到的太阳能电压电流值以及功率值来判断其运行在那个工作区，然后根据不通的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制. 3.2常用的最大功率点跟踪原理 最大功率点跟踪分为自寻优和非自寻优方法两大类型。其中，自寻优方法主要包括扰动观察法（爬山法）、增量电导法、恒定电压法或短路电流法以及基于爬或扰动观测法的改进自适应算法。非自寻优方法则主要包括曲线拟合法等。

3.2.1最大功率点追踪算法 由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，因此可以采用搜索算法进行最大功率点跟踪。其搜索算法可分为非自寻优和自寻优两别。所谓非自寻优算法是根据外界环境因素(如光照和温度)的变化，利用数学型或表方法确定最大功率点。该方法在实际中很少采用，本文不进行详述。自寻优算是不直接检测外界环境因素的变化，而是通过直接测量得到的电信号，判断最大率 点的位置，从而进行追踪。目前文献己提出的自寻优算法主要包括扰动观察法增量电导法、恒定电压法、短路电流法以及基于爬山法或扰动观测法的改进自适应算法。

3.2.2 扰动观察法(爬山法)及其改进自适应算法 扰动观察法是目前常用的最大功率跟踪方法，它通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。其原理是先扰动输出电压值，然后测其功率变化，与扰动之前的功率值相比，如果功率值增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向扰动；
如果扰动后功率值小于扰动前的值，则往相反的方向扰动。扰动观察法的优点是简单可靠，容易实现，缺点是难以选择合适的步长：步长过小，跟踪时间拉长而影响系统的动态响应特性；
步长过大，输出功率波动加大，其均值大大小于最大值，稳态误差变大。据此，文献[6]提出了一种改进自适应算法，通过加入步长a 的自动在线调整器使问题得到解决，同时保证系统的动、稳态性能。

3.2.3增量电导法 增量电导法也是MPPT 控制常用的算法，它能够判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系，对于功率P 有下式：P=I×V （1）将式（1）两端对V 求导，并将I 作为V 的函数，可得：dPdV= d(IV)dV=1+V dIdV（2）从式（2）可知，当dPdV>0 时，V 小于最大功率点电压；
当dPdV<0时，V 大于最大功率点电压；
当dPdV=0 时，V 即为最大功率点电压。增量电导法的最大优点是，当外界日照强度发生迅速变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，从而保证最大功率的输出。

3.2.4 恒定电压法与短路电流法: 相对于电池板温度变化引起的光伏阵列输出功率的变化而言，辐照度的变化对光伏阵列输出功率的影响更大。而不同辐照度下最大功率点对应的输出电压Vopt 变化不大。实验表明同一辐照度下的Vopt 与开路电压Vopen 的比值只与光伏组件的参数有关，而对环境温度的变化不敏感，可近似认为是一常数。因此，基于以上特性设计的最大功率追踪算法被称为恒压法。短路电流法是根据同一辐照度下最大功率点对应的输出电流Iopt 与短路电流Ishort 的比值近似等于0.91 而设计的算法。该算法的实施需要不断将光伏阵列短接，以测量阵列的短路电流。因此，短路电流法与恒定电压法的原理实质是一致的。

3.2.4滞环比较法 在外界环境并不时常快速变化的系统中，常用滞环比较法[16]代替爬山法实现太阳能电池的MPPT，它能避免一旦外界环境快速变化时，爬山法可能会引起控制器的“误判”现象。滞环比较法控制原理在于使系统的工作点不随外界环境快速改变而变化，而是等其变化缓慢后再跟踪太阳能电池的最大功率。滞环比较法原理详述如下：
从太阳能电池的输出功率P与DC/DC变换器占空比D的特性曲线P-D中(图3-2所示)可知，如果在曲线最大功率点处任意选取三个不同的位置A，B，C(对应占空比依次增大)，则曲线段可分为五种形式，如图2.19所示。在分析如何改变DC/DC变换器占空比变化的方向以实现太阳能电池的MPPT之前，程序设定了一个符号运算变量F，其初始值为0。F赋值原则为：当A点输出功率小于B点的时，F=F+1，否则F=F−1；
同时当C点输出功率小于B点的时，F=F−1，否则F=F+1。比较完毕后，如果F=2，则判断DC/DC变换器的占空比D需增加一个增量α；

F=−2则认为D需减小一个a；
F=0，则认为系统当前工作在最大工作点而保持当前D不变。在A，B，C三点功率检测上，控制器先默认当前工作点为B点并读取其输出功率，然后控制D增加一倍α以读取C点的功率，最后再减小两倍α以读取A点的功率。连续检测三点功率后再比较计算出变量F的值来判断占空比改变的方向。

图3-2 最大功率点附近P-D曲线的五种形式 以上是基于系统外界环境变化缓慢场合的分析，当由于一些因素使得外界环境快速变化时，最大功率点附近的P-D曲线除图3-2所示的五种形式外还存在三种形式，如图3-3所示。而根据以上的滞环比较法原理，图3-3中的三种形式中F均为0，系统并不跟随外界环境的变化而变化DC/DC变换器的占空比，这避免了爬山法带来的“误判”现象。

图3-3 外界环境快速变化时工作点附近P-D曲线 滞环比较法控制流程如图3-4所示。图中，D、α为系统中DC/DC变换器的占空比和占空比增量；
F为符号运算变量，其值在0、2、−2间选择；
VA、IA、PA、DA；

图3-4 滞环比较法控制流程图 VB、IB、PB、DB；

Vc、Ic、Pc、Dc分别代表A、B、C 三点的电压、电流、功率和DC/DC变换器的占空比。

滞环比较法消除了爬山法的“误判”问题，但在外界环境快速变化过程中，无法实现MPPT而导致能量损失，因此此种方法只适应于外界环境并不时常快速变化的系统中。另外，滞环比较法同样面临了爬山法中占空比增量α和采样时间选取的问题。

以上的分析可知，由于太阳光辐射度的不确定性、太阳能电池工作温度的变化、负载的变化以及太阳能电池输出特性强烈的非线性特征，均使得系统的最大功率点随外界环境和负载的变化而时刻变化的。针对这样的非线性特征，采用模糊逻辑控制法(Fuzzy Logic Control-- FLC)实现光伏系统中的MPPT控制，可克服常规算法带来的采样时间选取和α的问题，当通过微控制器执行时，能够获得比较理想的效果。

第四章 充电器电路设计 4.1 控制芯片TL494简介 4.1.1 TL494功能特性 TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下：
1. 集成了全部的脉宽调制电路。

2. 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅一个电阻和一个电容。

3. 内置误差放大器。

4. 内止5V参考基准电压源。

5. 可调整死区时间。

6. 内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。

7. 推或拉两种输出方式。

4.1.2 TL494管脚配置及其功能 图4-1 TL494管脚图 TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图4-1是它的管脚图，其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；
3脚是相位校正和增益控制；
4脚为间歇期调理，其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线怀变化到100%；
5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；
7脚为接地端；
8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；
12脚为电源供电端；
13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；
14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；
15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。

4.1.3 TL494的极限参数 表4-1 TL494的极限参数  名称 代号 极限值 单位 工作电压 Vcc 42 V 集电极输出电压 Vc1,Vc2 42 V 集电极输出电流 Ic1,Ic2 500 mA 放大器输入电压范围 VIR -0.3V—+42 V 功耗 PD 1000 mW 热阻 RθJA 80 ℃/W 工作结温 TJ 125 ℃ 工作环境温度  TL494B  TL494C  TL494I  NCV494B  -40—+125 0—+70 -40—+85- 40—+125 ℃ 额定环境温度 TA 40 ℃ 4.2本设计光伏电池的MPPT控制方式 光伏阵列是一种非线性电源。其输出特性曲线可以视为由恒电流区域与恒电压区域组成，这两块区域的交界点即为最大功率点。因而在不同的光照强度下，光伏阵列都会存在着这样的一个最大功率点，从功率的角度上可以将他们视为当前工况下的最优点。由于光照强度与温度的变化将会分别改变这些恒电流与恒电压区域，所以最大功率点跟踪也是随之变化的。

由前面的分析可知，当忽略温度效应时，硅型光伏组件的输出特性如图2.5所示，光伏组件在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在某一个恒定的电压值Um附近。假如曲线L为负载特性曲线，a、b、c、d和e为相应光照强度下直接匹配时工作点。显然如果采用直接匹配，其阵列的输出功率比较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失，采用恒定电压（CVT：Constant Voltage Tracking）控制策略，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即整列的工作点稳定在Um附近。保证光伏阵列的输出功率接近最大功率点输出点。

在CVT型MPPT中,可以把不同日照下的最大功率点处理为一根近似的直线Um=const，也就是说，只要使系统在运行过程中光伏阵列一直保持其工作电压为Um=const，就可以保证光伏阵列始终具有在当前日照下的最大功率输出。

本文采用CVT型最大功率点跟踪算法实现光伏阵列最大功率点跟踪，CVT型控制算法具有结构简单、良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。

图4-2 光伏组件输出特性与负载匹配曲线 4.3光伏充电系统控制原理框图 图4-3 光伏充电系统控制原理框图 CVT型MPPT控制方式采用了典型的电压、电流双闭环控制，如图2.6所示。电压环为外环，电流环为内环，动态调节速度非常快，完全可以满足系统调节的快速性要求。对光伏独立发电系统来说，其最大功率跟踪部分主要体现在光伏阵列对蓄电池的充电环节。因此，结合蓄电池的充电特性，本控制方式采用电压外环为复合控制结构，可实现蓄电池的过充保护和恒压涓流充电功能。在图4-3中，USP*为给定光伏阵列的CVT工作电压,，其值是根据经验再加上实测获得，USP为实时检测出的光伏阵列实际电压值，Ug*为给定蓄电池的过充电压，Ug为实时检测出的蓄电池实际电压值。

4.4光伏充电系统主电路设计 4.4.1光伏充电系统主电路结构 图4-4 充电系统主电路结构 本文设计的光伏充电系统的主电路采用BUCK电路拓扑，主要由光伏电池、功率器件、滤波电感、电容、续流二极管、蓄电池组成，主电路拓扑如图4-4所示。

4.4.2 主电路参数设计 参数设计指标：
V—90V，V, ，， ， 1. 功率器件的选择 根据BUCK电路开关管的电压应力要求[31]VT = Ui，即等于最大直流输入电压90V，考虑到留有一定的电压裕量，选择IR公司的IRFP150N，VDSS = 100V， RDS(on) = 0.036，ID = 42A。

2. 滤波电感设计 在充电过程中电感电流工作在连续模式，滤波电感的计算公式如下所示[32]：
(2.4) 上式中为电感电流波形系数。

(1)采用AP法[33][34]确定磁芯规格 电感可储能量：
(2.5) 计算面积积AP值：
(2.6) 式中 为铁氧体最大工作磁感应强度取0.3T, 为窗口有效使用系数，为电流密度系数，X为常数 取X = -0.17。

故选用的铁氧体磁环的参数为D=31mm, T=8mm, d=19mm 。

(2)计算电流密度, (2.7) (3)计算线圈截面积：
(2.8) 。

(4) 计算线圈匝数 (2.9) (2.10) 3. 输出电容的计算：
取纹波电压为 (2.11) 取C=100uf,耐压100V电解电容。

4.5控制电路设计 控制电路核心是TI公司电压型PWM芯片TL494，TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。控制电路采用电流内环、电压外环的双闭环控制[34]，实现充电系统的快速启动，对负载波动具有很好的抗扰作用，并可实现无静差调节。控制电路核心部分如图4-5所示：
图 4-5 TL494的控制电路原理图 1. 开关频率选择 TL494的开关频率是由RT CT决定的，设计电路时选,：
(2.12) 2. 电流检测电路设计 电流检测电路采用霍尔电流互感器HDC50BS，电流检测电路如图4-6所示：
图4-6 电流检测电路 3. 过充保护电路设计 为了防止蓄电池过充电，损坏蓄电池的性能，影响蓄电池的使用寿命，在蓄电池充满后控制电路进入过冲保护，当蓄电池检测电压达到设定值之后，充电电路停止工作。

4. 蓄电池过流保护 为了防止充电池发生过流、短路等严重故障，在电路中加入了过流保护，防止过流对蓄电池造成损坏，发生过流保护之后TL494输出脉冲被锁定，系统停止工作。

5. 驱动电路设计 驱动电路采用日本东芝公司的光耦集成电路TLP250,其最大开关频率为25K，最大输出电流为1.5A，其隔离电压为2500V以上。

图4-7驱动电路原理图 6. 续流二极管D的选择 续流二极管一般选择反向恢复时间短，耐压高，正向电流大的快恢复二极管。续流二极管的耐压为最大输入电源电压，电流为通过的负载电流，考虑到安全裕量，故选择DESI20-02A快恢复二极管，其VRRM = 200 V，IFAVM = 20A，trr = 35 ns。

7. LED 指示功能 为了便于观察和反映系统当前的工作状况，在系统中加入了LED指示灯来显示电源、充电、充满、过流4个状态，电路如图4-8所示：
图4-8 LED 指示电路 实现LED显示的电路控制芯片采用MC1413，比较器采用LM339构成 1）
控制电路接上电源时电源指示灯LED4亮。

2）
充电电路开始工作时充电指示灯（LED1）亮。

3）
蓄电池电压达到过充保护值时充满指示灯LED3亮，同时将LED1关闭。

4）
当电流检测电压高于给定电压时，蓄电池过流保护灯亮。

第五章 实验结果与实验装置 5.1充电系统实验结果及实验装置 5.1.1 工作点调节实验波形 根据SABER软件对系统控制算法进行仿真的基础上，对充电装置进行实验调试。由于使用光伏电池组件的开路电压为21.6V，最大功率点电压为17.6V，根据4节光伏电池组件的输出电压，选择了PV输出电压范围为60~88V。试验中测得的波形如下：
1. 给定电压为3V（实际工作电压为60V）时，MOSFET占空比如图5-1所示，给定电压、反馈电压波形如图5-2所示，波形中1为给定电压，波形2为反馈电压。

图5-1 占空比波形 图5-2工作电压波形（1给定、2反馈）
图5-3 占空比波形 图5-4工作电压波形（1给定、2反馈）
2.给定电压为4V（对应实际工作电压80V）时，MOSFET占空比波形如图5-3所示，给定电压、反馈电压波形如图5-4所示。

3. 给定电压为4.3V时（对应实际工作电压86V）时，MOSFET占空比波形如图5-5所示，给定电压、反馈电压波形如图5-6所示。

图5-5 占空比波形 图5-6 工作电压波形（1给定、2反馈）
4. 给定电压为4.4V时（实际工作电压为88V），MOSFET的占空比波形如图5-7所示，给定电压、反馈电压波形如图5-8所示：
图5-7 占空比波形 图5-8 工作电压波形（1给定、2反馈）
实验结论：
根据以上工作电压波形与占空比变化波形说明系统能够根据装置的工作环境调整最大功率工作点电压，占空比随着最大功率点右移而逐渐减小，当最大工作点设定电压为88V时，MOSFET的占空比波形基本为0，即系统停止工作，这也证明充电装置的控制算法是遵循光伏电池P-V曲线特性，可以充电装置实现最大功率点跟踪。

5.1.2 实验装置 充电系统的实验装置如图5-9所示，上面为基于TL494的控制电路，下面为充电系统主电路。

图59 充电系统实验装置 第六章 总结与展望 6.1本课题的必要性 不可再生能源的日渐减少和环境污染的日益严重，如何解决这一对难题成为困扰世界经济发展的首要任务。各种可再生能源的优越性日渐突出。于是,人们将目光纷纷投向了太阳。太阳时时刻刻都在向地球发送着能量, 太阳能因其实是绿色能源，取之不尽，用之不竭的能源，首当其冲的当上了新能源的头把交椅，太阳能光伏充电器系统的的研究对光伏发电技术的应用与推广具有非常重要的意义，很多光伏研究所及大学都进行了相关技术的研究。其中对太阳能电池板的最大功率跟踪和系统转换效率的提高是充分利用太阳能的关键核心技术们本文就已上方面做了大量的实验与研究。

6.2本课题所作的主要工作 本文光伏充电器为研究对象，主要做了以下各方面工作：
1、调研了太阳能发电系统的基本结构。研究了太阳能电池的原理和电气特性，分析了DC/DC变换器实现太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT)的原理；
总结归纳了当前光伏系统中实现MPPT的控制方法。

2、分析研究了光伏系统中各种常用的DC/DC的拓扑结构，根据分析，设计制作了基于半桥式结构的DC/DC变换器实验装置。

6.3 结论 本研究将太阳能电池和控制器作为整个系统，以蓄电池为负载，在分析光伏电池输 出特性及最大功率点跟踪原理的基础上，提出了一种增强型的扰动法，该方法具有实现简单的特点和快速 响应 的特性，在日照强度急剧变化时仍能保证负载的最大功率输入。为进一步减小系统损耗，提高发电效率，本研究还设计 了升压 DC—DC转换电路，利用 AT89S52单片机作为控制器，以完成最大功率点跟踪。通过实验，本研究测定了 DC—DC转换电路在不同PWM控制信号下的转换效率，其结果表明，系统具有较好的输出响应，能量损耗小，控制方式简便易行。

致 谢 经过数月的艰辛论文终于完成了，此期间感觉压力很大，因为第一次独立进行毕业论文的写作，在论文完成的过程中，遇到了不少的困难，首先就是要对相关知识进行系统的了解和掌握，对于自己完全陌生且深奥的知识学习确实并非易事。但还是努力克服重重困难，在我的指导老师XX老师的亲切关怀和悉心指导下完成论文的写作。从论文的选题、资料查询及定稿过程中到论文的最终完成，刘老师都始终给予我无私的帮助和悉心的指导及不懈的支持，在此对刘老师表示真诚地感谢和深深的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。

感谢我身在远方的父母！你们给我生活上的关怀和精神上的鼓励是我学习的动力。

另外，我还要感谢我的同学给予我的关心和无私的帮助。谢谢你们陪我走过这样的一段青葱岁月，在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时在工作过程中还得到许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。谢谢你们一路给我的支持和帮助。

在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向母校表达由衷的敬意和谢意。

最后，衷心地感谢各位老师能在百忙之中参加我的论文评阅和答辩！ 参考文献 [1] 陈兴峰, 曹志峰, 许洪华, 焦在强. 光伏发电的最大功率跟踪算法 研究[J]. 可再生能源.2005, 1(119):8- 11. [2] 赵庚申,王庆章,许盛之.最大功率点跟踪原理及实现方法的研究。

[3] 韩婓，潘天良，高效能光伏充电系统研究[J]机电工程， [4] 太阳能学报.2009.12 27(10):997- 1001. [5] 叶秋香,郑建立.光伏电池最大功率跟踪器的研究与开发。

[6] 春鹏,张廷元,周封.太阳能光伏发电综述[J], 电工材料2006,NO.3:45-48. [7] E. Koutroulis, K. Kalaitzakis and N.C. Voulgaris. Development of a micro-controller based on photovoltaic maximum power point tracking control system[J]. IEEE Trans. Power Electronics Jan, 2001vol. 16, pp. 46-54 附录1 总电路图 附录2 实物图