基于超級電容-鉛酸蓄電池混合儲能的太陽能充電器

　　摘要： 獨立型太陽能照明系統(tǒng)存在鉛酸蓄電池使用壽命短且弱光條件下系統(tǒng)充電能力不足的缺點， 為了改進系統(tǒng)性能， 文中設(shè)計了基于超級電容-鉛酸蓄電池混合儲能的太陽能充電器， 采用UC3909 智能管理芯片實現(xiàn)對鉛酸蓄電池具有溫度補償功能的的四階段充電管理； 并利用超級電容器組及升降壓轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)弱光充電功能， 優(yōu)化鉛酸蓄電池充放電過程， 提高系統(tǒng)效率及穩(wěn)定性。

　　0  引言

　　近年來隨著能源短缺問題日益突出， 太陽能、風(fēng)能等新型無污染的替代能源應(yīng)用日益受到重視。獨立型太陽能照明系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、無需鋪設(shè)電纜， 且搭建、攜帶較為方便等特點在照明領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

　　但目前急需解決的有鉛酸蓄電池使用壽命較短及系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足這兩大問題。系統(tǒng)儲能元件鉛酸蓄電池設(shè)計壽命約三年， 但由于充電方式、存儲方式以及人為等諸多因素的影響導(dǎo)致其使用壽命過短，需要經(jīng)常更換， 不僅加大了使用成本也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外大部分已使用的系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足， 導(dǎo)致系統(tǒng)太陽能板利用率不高； 傳統(tǒng)提高弱光充電能力的方法是采用組態(tài)優(yōu)化控制來實現(xiàn)， 即根據(jù)外界光照強弱采用繼電器控制太陽能板組件按照串聯(lián)或并聯(lián)等不同的組合方式給蓄電池充電， 確保太陽能板組件輸出電壓始終達到設(shè)定充電電壓。這種方法雖然可以實現(xiàn)弱光充電， 但在組態(tài)變化的瞬間， 電路輸出電壓波動較大， 影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外， 由于采用繼電器控制， 繼電器的機械開關(guān)觸點在工作較長時間后容易磨損失靈甚至引起誤操作。為了有效提高系統(tǒng)弱光充電能力， 本文采用超級電容器組及升降壓電路來實現(xiàn)弱光條件下有效充電， 并采用UC3909 實現(xiàn)對膠體密封鉛酸蓄電池智能化充電管理， 延長蓄電池使用壽命。

　　1  鉛酸蓄電池充電特性

　　鉛酸蓄電池的充電特性是由其最大接受充電能力來體現(xiàn)， 是在保證蓄電池析氣率較低、溫升較低時所能承受的最大充電電流。其充電特性曲線方程式為：

　　式中， I 為充電電流； I 0為初始最大充電電流； a 為最大接受力比； t 為充電時間。

　　在實際的電池充電管理過程中， 要使蓄電池的充電過程完全吻合該充電特性曲線存在較大困難。因此本著提高充電效率、保障蓄電池使用壽命、實現(xiàn)合理有效充電的原則， 參考充電特性曲線， 采用智能控制芯片UC3909 實現(xiàn)對膠體密封鉛酸蓄電池分段充放電控制管理。

　　2  基于UC3909 控制器的四階段充電

　　目前獨立型太陽能照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制器一般采用的是三階段充電方式，即先恒流充電、再恒壓充電、后浮充充電。但由于某些應(yīng)用場合的蓄電池會經(jīng)常出現(xiàn)過度放電的情況， 如果一開始就直接進入較大電流充電的恒流充電階段， 容易造成熱失控， 易損壞蓄電池。所以在最開始的時候應(yīng)該采用小電流IT 充電的涓流充電模式， 等蓄電池的端電壓達到設(shè)定的充電使能電壓UT 時， 再進行恒流充電。UC3909 芯片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個階段合理充電， 如圖1 所示。

圖1  UC3909 的四階段充電曲線

　　狀態(tài)1: 涓流充電。

　　當蓄電池電壓低于充電使能電壓UT , 充電器提供很小的涓流IT 進行充電， IT 一般約為0. 01C（ C 為蓄電池容量）狀態(tài)2: 恒流充電。

　　當蓄電池的電壓達到充電使能電壓UT 時， 充電器提供一個大電流I BULK 對蓄電池進行恒流充電， 這一階段是充電的主要階段， 蓄電池端電壓上升很快， 直至電壓上升到過壓充電電壓UOC 時進入恒壓充電階段。

　　狀態(tài)3: 恒壓充電。

　　在此階段， 充電器提供一個略高于蓄電池額定值的電壓UOC進行恒壓充電， 電路的充電電流將按指數(shù)規(guī)律逐漸減小， 直至電流大小等于充電終止電流I OCT（約為10 % IBULK ） , 蓄電池已被充滿， 充電器進入浮充充電狀態(tài)。

　　狀態(tài)4: 浮充充電。

　　浮充充電階段， 充電器提供浮充電壓UF 對蓄電池以很小的浮充電流進行充電， 以彌補蓄電池自放電造成的容量損失。同時由于蓄電池的浮充電壓隨溫度變化而變化， 因此需要選擇與蓄電池相同溫度系數(shù)的熱敏電阻進行溫度補償， 確保在任何溫度下都能以精確的浮充電壓進行浮充充電。溫度系數(shù)一般選擇- 3. 5~ - 5 mV/ .