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昆山科技大学电机系DRR

崑山科技大學電機系

實務專題期中報告

數位式太陽能電池充電系統

班級：

四電機三A

指導老師：

黃昭明

製作學生：

洪郼凡、江浩榆

中華民國九十八年六月

報告內容：

一、專題摘要：

本專題擬設計一套數位式太陽能電池充電系統，將太陽能電池所產生的功率儲存至12V蓄電池，以便於驅動負載。

整個系統主要以微控制器dsPIC30F4011為核心，搭配SEPIC轉換器及LabVIEW軟體構成一套PC-Based太陽能電池充電監控系統。

本系統具有四項特點：

（1）具太陽能最大功率追蹤控制功能；

（2）採定電壓定電流充電法，提高充電穩定性；（3）以微控制器為核心，降低建構成本（4）具人機介面監控功能。

二、專題簡介：

應用太陽能進行發電控制時，會面臨下列幾個問題：

（1）太陽能電池會因大氣環境變化使其PV特性曲線隨週遭溫度與日照強度影響而產生偏移，如此不僅容易導致PV端電壓崩潰而無法提供足夠的能量給負載，並可能造成太陽能電池的燒毀。

（2）充電過程中，容易因過度充電而引起高溫、爆炸之危險。

（3）如單純採用電力電子技術進行充電控制，則無法進行最大功率追蹤控制。

基於上述原因，本專題擬以一顆價格僅一百多元的微控制器dsPIC30F4011為核心，搭配SEPIC轉換器及LabVIEW軟體構成PC-Based太陽能充電監控系統。

本系統不僅能進行太陽能最大功率追蹤控制，同時具備人機介面監控功能；另外，本充電器採用兩段式充電法，不僅提高了充電的穩定性，也防止電池當進行快速充電時，因過度充電而降低電池壽命。

隨著半導體產業的蓬勃發展，傳統控制電路已漸漸由類比式朝向數位式電路發展，其原因在於傳統的類比式電路的體積較龐大，在運算上也可能因外在環境因素造成輸出訊號的誤動作、偏移或失真；而數位化電路除可以大幅降低電路體積、成本及電路耗電量外，隨著16位元及32位元單晶片的誕生，使得運算速度比傳統類比電路更加快速且精準，並且更能省去傳統類比電路須修改電路與調校參數的麻煩。

因此，製作一套數位式太陽能充電器為本專題探討重點。

本專題中，擬將太陽能最大功率追蹤策略寫入微控制器中，以提高充電效率。

微控制器擬採用Microchip公司所生產的dsPIC30F4011，它是一顆16位元的微控制器，內含ADC、PWM、中斷、計時及計數器等功能，加以具備價格便宜及工作性能穩定等優點。

三、專題內容：

3.1控制系統架構

控制系統架構圖1顯示本專題所提出之數位式太陽能電池充電

監控系統。

本系統主要包含下列三部份：

（1）硬體設備：

包含太陽能電池、鉛酸電池、直流負載及個人電

腦。

（2）硬體電路：

包含SEPIC功率轉換器、驅動電路、電壓偵測

電路、電流偵測電路及單晶片微控制器所組成之控制電路。

（3）軟體方面：

包含以單晶片為核心所撰寫之最大功率追蹤控

制、定電壓定電流充電法、及以LabVIEW軟體構成之監控

畫面。

圖2為太陽能電池充電系統各個部份的連結關係。

由圖中可

知，整體系統架構以單晶片為核心，經由內部的A/D轉換

器及外部的電壓電流偵測電路接收太陽能電池與蓄電池之

電壓與電流訊號，據以判斷是否進入最大功率追蹤或定電壓

定電流充電控制；而SPICE轉換電路則由單晶片輸出PWM

訊號加以控制。

另外，C-BasedLabVIEW監控則使用微控制

器內建的UART模組經由RS-485電路並配合RS-485轉TCP

通訊模組和PC進行溝通，以建構PC-Based人機介面。

底

下針對主要部份進行介紹：

1控制核心

單晶片微控制器dsPIC30F4011為本系統的核心控制元件，主要負責

接收太陽能電池與蓄電池的電壓與電流訊號，經內部A/D（類比/數位）

轉換後進行最大功率追蹤控制運算，並送出一適當責任週期的PWM脈

波至SPICE功率轉換器以進行最大功率追蹤控制。

PC-BasedLabVIEW監控則使用微控制器內建的UART模組和PC進行

溝通。

圖3所示為dsPIC30F4011接腳圖，其中腳2~10為9個A/D轉換通道；

腳33~38為三組互為互補的PWM訊號輸出；腳13~14提供外部震盪源

輸入；腳25~26（或26~28）提供主要（替代）的UART模組，以便能和

PC進行溝通。

另外，dsPIC30F4011控制器的所有腳位，除主要重置

（MCLR）、電源（VDD、VSS）以及石英震盪器時脈輸入（OSC1/CLKIN）之

外，全部接腳都以多工處理的方式做為數位輸出入埠與周邊功能使

用。

dsPIC30F401提供了許多的周邊功能供使用者使用，以下將介紹本專

題所使用到的功能：

1.計時器/計數器模組

dsPIC30F4011控制器內建5個16位元的計時器/計數器模組，他們

的編號依序為Timer1至Timer5，其中Timer2與Timer3及Timer4

與Timer4可分別組成32位元的計時器/計數器模組。

2.A/D（類比/數位）轉換模組

dsPIC30F4011內部提供9組A/D（類比/數位）轉換模組（腳2~腳10，

AN0~AN8），本文中應用A/D轉換模組接收太陽能電池與蓄電池的電

壓與電流訊號，據以提供最大功率追蹤的運算。

3.互補式PWM輸出模組

腳33~腳38提供3組互補式PWM輸出，本文中利用PWM輸出模組

提供不同責任週期的PWM訊號至SPICE功率轉換器，以實施最大功

率追蹤控制。

4.通用非同步接收傳輸模組

腳25~腳26提供主要的通用非同步接收傳輸模組，腳27~腳28則

提供替代的通用非同步接收傳輸模組，它們主要提供與PC間的通

訊。

本文中利用LabVIEW監控軟體與dsPIC30F4011之UART模組通

訊，以建構太陽能電池之人機監控界面。

2SEPIC轉換電路

本專題中，DC/DC功率轉換使用SEPIC轉換電路，如圖4所示，其

應用於太陽能電池充電控制具有以下優點：

（1）轉換器電壓可進行升降壓操作，增加選擇太陽能電池電壓範圍的

彈性；

（2）SEPIC轉換器與其他升降壓轉換器相較，輸出電壓沒有極性相反

的問題；

（3）SEPIC轉換器中兩個電感器可使用電感耦合技術，一方面減少體

積，另一方面則可降低電流之漣波值；及

（4）電路輸入端接電感器以降低輸入電流的脈動，進而增加最大功率

點追蹤之精密度。

另外，在充電設計上，本文採用定電壓定電流充電法，如圖5所示。

此種方法結合定電流與定電壓兩者之優點，充電初期以定電流方式充

電，待蓄電池的端電壓達到設定電壓值後，再將之切換到定電壓充

電，並以浮充模式充電直到電池充飽。

3電壓電流偵測電路

（1）電壓偵測電路

電壓偵測電路主要將太陽光電池電壓的訊號正確地傳送至單晶片

dsPIC30F4011的D/A轉換模組。

由於dsPIC30F4011的I/O準位為

0~5V，因此電壓偵測電路主要將太陽光電池電壓經電阻分壓後使其輸

出電壓限制在0~5V之間，以符合A/D轉換時輸入參考電壓限制，如

圖6所示。

（2）電流偵測電路

電流偵測電路如圖7所示，當電流流過一微電阻時，可將電流訊號轉

換為電壓訊號，再將電壓訊號經過一個由OPALM358組成之差動放大

器電路，將電壓訊號限制在0~5V之間，以符合A/D轉換時輸入參考

電壓的限制。

4驅動電路

本系統所採用之單晶片dsPIC30F4011其輸出額定值為5V/25mA，

此訊號的功率無法驅動SEPIC轉換器之功率開關元件（MOSFET），因

此必須將PWM觸發訊號放大。

因所設計的SEPIC轉換器其功率開關

為接地開關，因此訊號不須隔離。

驅動電路如圖8所示，驅動IC採

用MIC4427，用於驅動MOSFET，此驅動電路也適合於驅動具低阻抗、

高電流和快速切換的其它負載（電容性、電阻性或電感性）。

5RS-485轉TCP通訊模組

RS-485轉TCP通訊模組為一全雙工串列通訊及Ethernet通訊資料

轉換器，透過它可以經由RS-485將資料送上LAN、WAN或Internet。

也可藉由遠端經LAN、WAN或Internet，將資料送入連接RS-485之

設備，圖9顯示其接線方式。

本系統利用VisualBasic軟體配合微

控制器之UART模組建構擬人化的人機介面，監控訊號包含太陽能電

池電壓與電流、蓄電池電壓與電流、輸入功率、輸出功率、以及效率

等數值與曲線，以便進一步即時觀察太陽能電池的充電狀態。

3.2最大功率追蹤與充電控制

1最大功率追蹤控制

大地環境瞬息萬變，溫度與照度亦無時無刻都在改變，太陽能電池在

此環境下工作時，其工作點亦會隨負載大小產生變化，因此其輸出功

率必須適當的加以控制，才能取得太陽能電池的最大功率輸出，否則

太陽能電池將可能因週遭環境的變化而無法提供足夠的能量給負載

，因而導致電壓崩潰並造成應用上的缺失。

因此，太陽能電池在應用

上必須進行最大功率的追蹤控制，以使得電池板在任何情況下都可以

得到在當時照度下的最大功率輸出。

dsPIC30F4011提供C程式語言編輯器，因此工程師能非常容易將演

算法植入單晶片中。

一般常見的太陽能最大功率追蹤演算有下列四

種：

（1）電壓迴授法，

（2）功率迴授法，（3）增量電導法，及（4）擾動觀

察法。

表1概要說明上述四種方法之工作原理。

其中擾動觀察法由於

具有設計架構簡單與量測參數少的優點，因此本文採用此方法做為最

大功率追蹤演算準則，圖10所示為擾動觀察法的程式設計流程。

2定電壓定電流充電控制

當進入定電壓定電流充電時，充電初期會以一定電流對蓄電池充電，

因此我們須將充電電流穩定在我們所設定之電流值。

當蓄電池電壓達

到所設定電壓時，則進入定電壓充電，此時以一定電壓對蓄電池進行

浮充，並將充電電壓穩定於所設定的電壓值。

欲使充電電壓與電流值不受外來因素的影響而產生變動，致電壓、電

流偏離，系統必須實現閉迴路的控制。

本文中採用雙迴路控制方法，

如圖11所示，其中電流內迴路與電壓外迴路皆使用PID控制器，以

達到穩定電壓、電流目的。

表1最大功率追蹤方法的工作原理

最大功率

追蹤方法

工作原理

電壓

回授法

事先量測太陽能板在某一日照強度及環境溫度下之最大

功率點的電壓大小，再藉由調整太陽能電池之端電壓來達

到最大功率點追蹤的效果。

功率

回授法

與電壓迴授法類似，但加入了輸出功率對電壓變化率的邏

輯判斷，以便因應大氣的變化而達到最大功率點追蹤。

增量

電導法

基本理念與功率迴授法相同，主要利用電流和電壓的變動

量比值、瞬間電導值等參數判斷輸出電壓增加或減少，藉

以達到最大功率點追蹤的效果。

擾動

觀察法

負載大小增加或減少時，太陽能電池的端電壓及輸出功率

將隨之改變，藉由觀察、比較負載變動前後的輸出電壓及

輸出功率的大小，以決定下一步電壓及功率輸出的增、減

量。

四、製作方法及進行步驟：

（內容須包含工作分配與團隊溝通合作概述）

步驟1：

建立圖1之以以微控制器為核心的控制系統架構，包

含以單晶片微控制器為核心的控制電路、SEPIC轉換電路、電

壓電流偵測電路、驅動電路及RS-485轉TCP通訊模組等設備

的配線及相關電路的設計與製作。

步驟2：

撰寫微控制器dsPIC30F4011之程式語言（C語言）。

其程式功能包含下列三部份：

（1）最大功率追蹤控制。

本專題中擬以擾動觀察法做為最大功率

追蹤演算準則，其程式設計流程如圖10所示。

（2）定電壓定電流充電控制。

如圖11所示，包含內迴路的電流

PID控制與外迴路的電壓PID控制程式。

（3）透過微控制器中UART模組撰寫與PC通訊的監控程式。

步驟3：

修改微控制器之控制程式，適時輸出不同責任週期的

PWM週期，以進行最大功率追蹤控制。

步驟4：

修改PID控制程式，實現定電壓定電流的充電控制。

步驟5：

透過監控畫面觀察各項電壓電流參數值，適時修改監

控程式。

步驟6：

綜整結果及撰寫報告。

五、預期完成工作項目及成果：

（1）完成SEPIC轉換電路、電壓電流偵測電路及驅動電路的硬體

製作。

其中電壓電流偵測電路主要進行定電壓定電流的充電控制，驅動電路則由微控制器輸出不同責任週期的PWM波形。

（2）完成最大功率追蹤控制。

（3）完成定電壓定電流充電控制。

（4）完成LabVIEW之監控功能。

（5）建構一套數位式太陽能充電監控系統。

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