基于Atemga128太阳能智能小车充电系统的研制
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【摘要】为了提高太阳能智能小车光伏组件的充电效率和可靠性，论文给出了智能小车充电控制器的设计方案，实现了一套基于太阳能自动循光的充电控制系统，系统以Atmel公司的Atmega128单片机为控制核心，对太阳能电板获取的直流电进行合理的转换和存储，具有浮充、过充等功能。系统设计简单，控制精度较高，性能可靠。
【关键词】Atmega128；充电控制；PWM；BUCK
近年来，石油资源日渐枯竭，且石油能源的开发利用对生态环境造成了严重的破坏，因此可持续发展、绿色能源的利用日渐成为人类急需解决的问题。太阳能作为一种绿色可再生能源，开始得到了广泛的利用[1]。当今，各国纯电动汽车的研究开发不断升温，我国多个汽车厂商开发了具有商业化的纯电动汽车。近年来，各科研院所对太阳能汽车技术进行了深入了的研究[2]，本论文以太阳能智能小车为应用领域，设计了一套基于智能小车的太阳能充电控制系统。
1.太阳能智能小车控制系统框图
智能小车由于采用太阳能实现供电，因此能实现全天候工作。智能小车通过其驱动系统，能随时调整方位，采用最大功率跟踪（MPPT）技术提高太阳能发电效率。由于太阳能电池的输出电压随时间而变化，因此不能直接给智能小车供电，也不能直接储存到蓄电池中，因此，太阳能充电控制器在太阳能充电系统中起着重要的作用。
Atmega128单片机采用通过控制算法，通过实施检测充电电压、电流，调整PWM波形，控制MOSFET的通断，改变BUCK电路来调整输出电压。为了保证输出电压的稳定，系统对输出电压、电流进行采样，通过A/D转换送入单片机，与参考值进行比较，调整PWM的反馈值。其控制系统的框图如图1所示：
图1 智能太阳能充电系统结构图
系统采用两段式充电模式，为了保证充电电池不过充，单片机设定了阈值充电电压，当充电电池两端电压未达到阈值电压时候，太阳能采用恒流充电方式充电；当充电电池两端电压达到设定的阈值电压时，采用恒压模式充电，当充电电视的电压达到设定的浮冲电压时候，充电自动停止。
2.系统硬件设计
2.1 BUCK DC/DC降压型电路
由于太阳能电池的输出电压受多种因素的影响，因此系统中引入了基于AVR单片机的PWM控制方案的DC/DC转换器，来实现光伏-充电电池的能量控制系统，通过改变PWM的占空比，来改变电路的电流电压。智能小车采用的光伏组件为12V/15W规格，镍氢充电电池采用8.4V规格，因此选用Buck降压式DC/DC转换电路。具体电路如图2所示：
图2 BUCK电路
其中，MOSFET管采用IRF540 N沟道的MOS管，其内阻小于77，续流二极管采用肖特基二极管IN5822，此快恢复二极管的反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。电感L采用环形磁芯来绕制，计算结果电感值为75μH，取80μH，输出电容取25v1200μF。
2.2 MOSFET驱动电路的设计
MOSFET驱动需要5～10V的电压，Atmega128的输出电压为5V，不能饱和导通MOSFET管，因此采用IR2101半桥驱动芯片，VCC电压由充电电池提供。IR2101是专门用来驱动耐高压高频率的N沟道MOSFET和IGBT，它是一个8管脚的芯片，门极提供的电压范围是10～20V。Atmega128单片机产生的PWM波，经过IR2101芯片，在芯片的5管脚输出的开关信号接到MOSFET的门极G端，控制BUCK电路。驱动电路如图3所示：
图3 IR2101驱动电路
2.3 采样电路
控制器中主要有四路采样信号：充电组件的输出电压、电流，蓄电池电压、电流。其中电压采样信号通过高阻值的精密电阻分压得到，电流采样电路利用霍尔电流传感器ACS712将电流信号转换为电压信号。ACS712是Allegro公司新推出的一种线性电流传感器，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压，其测量精度符合本系统的要求，具有低噪声，响应时间快。
系统选用的Atmeag128单片机，内部集成了高速10位A/D转换器，采集的4路信号输入到单片机的AD转换引脚，通过转换，获取电压值，并计算出相应的电流值，防止蓄电池的过放或者过充。
3.系统的软件设计
ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATme-ga128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz。包括6路分辨率可编程（1到16位）的PWM，8路10位ADC。
系统上电后，调入初始参数，设定系统的工作状态。智能小车的通过光敏电阻来检测太阳的方位角，并控制电机调整太阳能电板的方位，实现最高效的太阳能利用。同时，通过对太阳能电板的电压、电流以及蓄电池的电压、电流的实时监测和分析，来决定太阳能极板是否对蓄电池进行充电。其软件程序的流程如下：
图4 充电模块流程图
4.调试
在良好光照的情况下，实验太阳能板测试数据如下所示，充电效率提高30～35%。具体数据如表1所示：
5.结论
本文以Atmega128作为主控芯片，通过PWM信号控制BUCK的MOS管的通断实现充电电压、电流的实时监测和控制，实现了双阶段的充电方式，系统转换效率高，同时能有效的保护充电电池，提高了充电效率和充电电池的使用寿命。
参考文献
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注：湖南农业大学东方科技学院大学生创新项目资助；湖南农业大学“求真杯”课外学术科技作品。