【技术大神】基于16位MCU的太阳能离网充放电控制器设计

时间： 2019-09-05 来源：技术大神活动文章

在经济欠发达的地区，如我国四川南部，新疆等部分地区及一些国外贫困地区，他们由于种种原因无法市电接入，因此无法看电视，无法使用电灯照明。所以在这些地区利用廉价的太阳能资源给蓄电池充电的太阳能离网发电系统就显得非常重要，而实现这一过程就需用到太阳能离网充放电控制器。

太阳能离网充放电控制器的主要功能有以下4个方面：防反流充电，负载开关控制，状态指示，三段式充电的功能。下面我就以我们公司产品为实例，通过瑞萨RL78/G13系列R5F100LE 单片机实现上述功能。

先上一个系统结构图（如图1），方便我们来讲述实现原理：

图1

通过太阳能离网充放电控制器的原理简图可以看出，我们设计的此款控制器是共正极设计，这样的设计可以减少高端驱动带来的成本增加。

由于太阳能板的物理特性所致，太阳能板（以下称PV）不能接受反向充电（即电流倒灌入），因此，我们增加上图所示Q2的MOS管来实现在PV低电压时，蓄电池（以下称Bat）电流不会反向流入。实现方式也比较简单，即通过RL78/G13实时采样监测PV端电压与Bat端电压，当PV端电压等于Bat端电压时，关闭Q2，这时就能有效防止反流现象的发生，从而保护PV板。而负载开关Q5与状态指示灯功能也只是简单的RL78/G13单片机引脚IO高低电平控制。

三段式充电，这个是太阳能离网控制器的核心部分，分别指快速充电阶段、慢速充电阶段与均衡充电阶段。当Bat电压低于提升恢复电压时，控制器进入快速充电阶段，此时，RL78/G13将Q1管全部打开，将PV板所产生的全部电流直接灌入Bat端，以达到快速充电的阶段。随着电量的不断增加，Bat端的电压也不断提高，当达到提升电压时，此时如果再增加Bat电压，则会导致Bat的损坏，因此，RL78/G13要控制Bat电压将其稳压在提升电压点防止过充，即通过PWM波调制的方式来驱动Q1管。之后，稳压充电约2小时后，Bat基本满电，此时要将Bat电压点稳定到浮充电压点，来保养Bat，延长Bat的使用寿命。下面我们看一下上述功能在RL78/G13单片机上的嵌入式软件实现流程图（如图2）。

图2：嵌入式软件实现流程图

有了嵌入式软件流程图，我们就可以编写对应的程序了。这时，我们请出来瑞萨官方提供的代码生成器Applilet3来辅助编写RL78/G13的代码。我们要配置Serial模块，A/D Converter模块，Timer模块，Port模块等。限于篇幅原因，这里重点讲Timer模块，其余模块按软件提示直接操作即可。

R5F100LE单片机共有8个通道，我们使用Channel 0的Timer用做PWM波输出引脚，使用Channel 2用做周期采样软触发。PWM波输出需要设置两个变量，其中，PWM周期为固定值20ms（50Hz），占空比为可变值，依AD采样电压通过PID算法反馈处理。由于采样斩波电路，较低的开关频率可以减少MOS管开关所导致的发热量聚集。

图3

这里要特别说明一点，通过Applilet3生成的程序代码里并没有修改PWM占空比的API函数，我们只需要直接修改TDR00这个寄存器值即可。

总体而言，瑞萨RL78/G13系列单片机很好地实现了太阳能离网控制器所需要的功能，出色完成了PWM波的调制驱动功能。R5F100LE单片机不仅适用于此型号控制器的单路PWM输出，而且其最大支持4通道PWM互补输出，为我们公司多路驱动充电MOS管提供了同源设计参考，减少了我们设计研发成本。基于R5F100LE的PWM太阳能离网充放电控制器经过两年多的测试暂未发现一起由于单片机控制或烧毁而导致的返修事件。该控制器系统能够有效监测蓄电池充放电状态，采取相应的充电与放电方式，达到快速充电，延长蓄电池使用寿命的目的。

作者：lemonboard