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具最大功率追蹤功能之電池儲能系統設計實做
MCU創意設計與應用系列(20)

【作者: 陳良瑞, 朱能億】   2009年10月18日 星期日

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隨著人類科技的發展與經濟活動的熱絡,地球能源的消耗速度快速增加,能源危機隱然出現。而台灣地小人稠,能源需求大都仰賴進口,尤其近日石油危機的再度出現,能源危機的警訊更已逐步浮現在日常生活中,造成人們憂心重重。基於開源困難節能必然的理念,再生能源的發展為一必要的途徑,其中太陽光電能發電為極具開發潛力之再生能源之一。現今商業化太陽能電池產品之光電效率約在12%~14%左右,為了有效地使用太陽能電池所產生的電力,使用上需搭配一太陽光電儲能系統(Photovoltaic Power Storage System)之目的在於當太陽能發電量大於供應所需能量時,能將多餘能量儲存於電池中,而當太陽能發電量小於供應所需能量時,電池會放出電量,達到供電平穩。故太陽光電儲能系統的關鍵技術在於:




  • (1)如何將太陽能最有效率地轉換為電能,以獲取最大能量;



  • (2)如何將該轉換的電能最有效率儲存於電池中,使電池在電化學轉換過程的能量損失達到最低。





將太陽能最有效率地轉換為電能的控制方法稱之為最大功率追蹤控制,其能使太陽能板依據不同的工作環境自動調適輸出最大功率,使太陽能達到最有效率之轉換。故本文提出一兼具最大功率追蹤功能之太陽光電儲能系統,以盛群半導體之控制器HT46R24為控制核心,其具有追蹤太陽能板最大功率點與監控蓄電池狀態之功能,其能使太陽能板依據不同工作環境自動調整輸出最大功率,並且具有監控儲能電池狀態之功能,可有效地避免蓄電池有過度充電之情形發生,使其蓄電池之使用壽命可有效地延長。



兼具最大功率追蹤功能之電池儲能系統


圖一為本文所提的兼具太陽能最大功率追蹤功能之電池儲能系統方塊圖,其主要以一微控制器為控制核心,搭配一直流/直流轉換器等電路所組成。其動作原理如下:一開始,微控制器會透過內部的類比/數位轉換器ADC,讀取太陽能電池輸出電壓vpv和輸出電流ipv。其輸出電壓vpv輸出電流ipv資料透過擾動觀察法的程式,運算出下一筆的最佳的直流/直流轉換器之工作週期,再改變其直流/直流轉換器控制訊號,以控制太陽能板之最佳的輸出功率。其太陽能電池所輸出的能量將對輸出端之電池充電,微控制器會透過內部的類比/數位轉換器ADC讀取電池電壓vbatt以得知電池之狀態,確保電池不會有過度充電與過度放電問題之問題,以延長電池使用壽命。




《圖一 太陽光電儲能系統方塊圖》




電路動作原理


其直流/直流轉換器之電路圖如圖二所示,其是由兩個功率MOSFET S1、S2,一輸入電容器Ci、一輸出濾波電容器C0、一濾波電感器Lp和一電池組Vb所組成,其中二極體D1和D2為功率MOSFET S1、S2之本體二極體(Body Diode),電路結構可視為一同步降壓轉換器(Synchronous Buck Converter)。圖三為系統電路動作時序圖,其電路動作原理如下:



《圖二 直流/直流轉換器之電路圖》


《圖三 電路之時序圖》


當0≦t≦DTS


等效電路圖如圖四所示,功率MOSFET S1為導通狀態而功率MOSFET S2為截止狀態。濾波電感Lp兩端電壓為Vpv-Vb,並開始以線性模式充電。此時功率MOSFET S2之本體二極體D2為逆向截止。



《圖四 0≦t≦DTS等效電路圖》


當DTS≦t≦TS


等效電路圖如圖五所示,功率MOSFET S1為截止狀態。其功率MOSFET S2之本體二極體D2因濾波電感器Lp反電動勢而順向導通,接著功率MOSFET S2之閘極與汲極兩端送入一驅動電壓而導通,其功率MOSFET S2之源極與汲極的兩端電壓開始減少至0V。此時,濾波電感Lp兩端電壓為-Vb,其流過濾波電感Lp之電流開始以斜率-Vb/Lp線性下降,其濾波電感Lp開始放電。



《圖五 DTS≦t≦TS之等效電路圖》


由上述電路動作原理,可推導直流/直流轉換器之輸入電流Ii等於:



公式一



  • Ii=iLp˙D=Ib˙D ---(1)



  • 其中Ii為直流/直流轉換器之輸入電流,



  • iLp為流經濾波電感Lp之電流,



  • Ib為直流/直流轉換器之電池充電電流,



  • D為功率MOSFET之驅動訊號的工作週期。





由公式一可得知,可藉由控制功率MOSFET之驅動訊號的工作週期D,配合擾動觀察法則,以控制其直流/直流轉換器之輸入電流Ii大小,進而達到太陽能最大功率輸出之功能。



改良型擾動觀察法



由於太陽能板之輸出功率會受日照量、溫度等因素影響,為了使太陽能板能在不同工作環境下皆能汲取出最大功率,其控制太陽能電力系統之功率電路需搭配一最大功率追蹤法。先前已有許多文獻著作提出許多最大功率追蹤法,其中以擾動觀察法因具有快速之響應、量測參數較少、結構簡單和環境適應能力佳等優點,所以被普遍地應用在太陽能的最大功率追蹤上。



由於本文所提之兼具太陽能最大功率追蹤功能之電池儲能系統,因須兼顧太陽能最大功率追蹤與電池充電調節等功能,傳統擾動觀察法因為搜尋速度過慢的問題,故本文所提系統採用一改良式擾動觀察法,其保有傳統擾動觀察法之快速之響應、結構簡單和環境適應能力佳等優點,並且改善傳統擾動觀察法之最大功率點搜尋速度。其圖六為改良型擾動觀察法之流程圖,改良型擾動觀察法與傳統擾動觀察法差別為工作週期之變化量會隨著其太陽能板之輸出功率差值而改變,以加快最大功率點之搜尋速度。



《圖六 改良型擾動觀察法之流程圖》


電池充電保護機制


鉛酸電池自西元1859年法國普朗特(G. Plante)發明以來,至今已130餘年,是世上發展最成熟的二次電池,其具有極適合於浮動充電狀態使用、瞬間放電率高、價格便宜等的優點,故本文之蓄電池採用鉛酸電池。鉛酸蓄電池正極使用鉛(Pb),負極使用二氧化鉛(PbO2),電解液使用稀硫酸。其充放電的化學反應式如公式二所示。從反應式得知,鉛酸電池與其他電池不同之處在於電解液(硫酸),在放電時會被消耗,故被稱為活性物質(即參與起電/發電的材料),鉛酸電池在充電過程由正極所產生的氧氣被負極吸收時,會直接與周圍的電解液自然反應,負極回復成硫酸鹽,亦即原來的放電生成物。



《公式二》


鉛酸電池之單顆電池的電壓為2V,一般常串聯成6V或12V鉛酸電池使用。一般常見之充電法有定電流充電法、定電壓充電法和定電壓定電流充電法,其中以定電壓定電流充電法因電路簡單、不會有過充電和初始電流過大的優點,所以被普遍地應用在許多產品上。鉛酸電池在使用上需注意一顆電池單體的放電終止電壓為1.75V,若作超過放電終止電壓的深度放電,電池壽命將會縮短。以定電壓定電流充電時,需設定初始電流之大小,若以過大的充電電流對電池充電,其電能無法有效地轉換成化學能,其會轉換成熱能對電池產生溫升,影響電池使用壽命,故通常設定初期電流在0.8C以下。



圖七為本系統之電池充電保護機制示意圖。在0~t0期間,電池電壓小於電池充電汽化電壓,此時本系統執行最大功率追蹤功能,其充電電流會隨著太陽能發電功率和負載消耗電流而改變,以完成最大功率追蹤之功能,其充電電流需小於電池充電電流最大值,以避免有過大的充電電流對電池產生溫升,影響電池使用壽命。在t0~t1期間,電池電壓等於電池充電汽化電壓時,此時本系統執行定電壓充電功能,以定電壓對電池充電,以避免電池有過量充電之問題發生。



(a)



(b)



《圖七 電池充電保護機制示意圖 (a)電池充電電壓(b)電池充電電流》


實驗結果


為了驗證本文所提之兼具最大功率追蹤功能之電池儲能系統的可行性與優越性,本文實際製作一200W之系統。表一為本系統之相關電氣參數,而圖八其系統外觀圖。圖九和圖十為太陽能板之實際量測出的特性曲線,與本文所提之電池儲能系統追蹤最大功率點之關係圖,從圖中可清楚的看到,本文所提之電池儲能系統可成功追蹤到所實驗的太陽能板之最大功率點,使太陽能板產生最大功率之輸出。



(表一) 本系統之相關電氣參數















輸入電源

單晶矽太陽能電池 ─ Maximum Power:175W


Open Circuit Voltage:44V


Short Circuit Current:5.2A


Maximum Power Voltage:36.7V


Maximum Power Current:4.8A


Module Efficiency:13.4%

儲能單元

鉛酸電池 ─ 電池電壓:12V


電池容量:50Ah

轉換器電路

電路功率:200W


轉換效率:80%




《圖八 本文所提之兼具最大功率追蹤功能之電池儲能系統外觀圖》



《圖九 太陽能板特性曲線與所追蹤的最大功率點之關係圖(ipv vs vpv曲線)》





《圖十 太陽能板特性曲線與所追蹤的最大功率點之關係圖(ipv vs Ppv曲線)》




結語


本文成功研製一兼具最大功率追蹤功能之電池儲能系統,其是以一控制器為控制核心,其具有太陽能最大功率追蹤功能與監控儲能電池狀態等優點,可有效地增加太陽能板之發電效率與避免蓄電池有過度充電之情形發生,本文所提出之電池儲能系統可直接應用在住宅、學校或辦公室大樓等太陽能儲能系統,可利於再生能源應用之推廣,其可視為未來生活必需之商品。



---作者陳良瑞教授現任教於國立彰化師範大學電機工程學系;朱能億現就讀國立台灣科技大學電機工程學系博士班---



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