如何计算太阳能充电控制器的合适尺寸？

什么是太阳能充电控制器？ PWM 和 MPPT 充电控制器的类型、尺寸和选择

太阳能充电控制器是任何太阳能装置的重要组成部分。它们保护您的电池存储组件，并确保它在您的设备的整个生命周期内平稳可靠地运行。在接下来的文章中，我们将讨论太阳能光伏系统中的 DC-DC 电源转换器、充电控制器和 MPPT 简介 .

什么是太阳能充电控制器？

太阳能装置中的充电控制器位于能源（太阳能电池板）和储藏室（电池）之间。充电控制器通过限制电池的容量和充电强度来防止电池过度充电。如果存储电量低于 50% 容量，他们通常会通过关闭设备来避免电池耗尽。电池以正确的电压水平充电。有助于保护电池的生命和健康。

DC-DC 转换器：

DC-DC 转换器广泛用于将未调节或不受控制的直流电压转换为已调节或受控的直流电压电平，如图 1 所示。

除了不受控电压到受控电压这些转换器将电压从一个电平转换为另一个电平（高或低）。例如，我们有一个光伏系统产生 24 V 直流输出电压，但逆变器的交流输出需要为 230 V，因此我们需要在逆变器的输入端提供更高的输入直流电压。

因此，我们在光伏阵列和逆变器之间连接了一个直流-直流转换器。这些 DC-DC 转换器在我们的太阳能光伏系统中发挥着非常重要的作用。它们用作充电控制器、最大功率点跟踪器，并作为不同类型负载的光伏电源接口。它们的应用还包括电源总线调节、电流升压和噪声隔离。

在直流到直流转换器中，输入侧和输出侧都有直流电流。如果知道输入电压和电流，就可以确定输入直流功率，同样，如果知道输出电压和电流，就可以确定输出功率。一旦我们知道了输入和输出功率，就可以很容易地确定电源转换器的效率。

让我们以连接 50 V 电池并提供 8 A 输入电流的 DC-DC 转换器为例。在转换器的输出端测量电压显示电压为 100 V，电流测量显示电流为 3.6 A。确定转换器的输入和输出功率、功率损耗以及转换器的效率。

• 输入电压 =50 V
• 输入电流 =8 A
• 输出电压 =100 V
• 输出电流 =3.6 A

因此，输入功率=输入电压×输入电流

输入功率 =50 × 8 =400 瓦

同理，输出功率可以如下确定；

输出功率=输出电压×输出电流

输出功率 =100 × 3.6 =360 瓦

转换器中的功率损耗可以确定如下；

功率损耗=输入功率-输出功率

功率损耗 =400 – 360 =40 瓦

转换器的效率确定如下；

效率% =（输出功率/输入功率）×100

效率% =(360/400) × 100 =90 %

充电控制器的工作和功能：

通俗的讲，你可以将太阳能充电控制器视为延长太阳能电池寿命的正常调节器。在大多数太阳能充电控制器中，电流通过半导体作为阀门来调节电流。

充电控制器通常通过减少电池流量以超过特定电压来防止电池过度充电。电池的过度充电对电池本身的危害尤其大，因此充电控制器尤为关键。

控制器帮助控制进出电池的充电流量。它通过防止电池深度放电和过度充电来保持较长的电池寿命和性能。当光伏组件通过充电控制器连接到电池时，充电控制器会断开光伏与电池的连接，以避免过度充电。

同理，当电池通过充电控制器连接到负载时，如果控制器检测到过放电，就会断开负载与电池的连接。充电控制器的这种能力有助于延长电池的寿命和性能。

通过测量所连接电池的电压水平来检测电池的过充和深度放电。在过充电时，电池电压会升高到某个电压水平以上，类似地，在深度放电的情况下，电池电压会降低到某个电压水平以下。

充电控制器可以在上述两种情况下断开电池。当电压水平达到正常工作水平时，充电控制器还会重新连接电池。

由于过充电，电池电压达到高电平，充电控制器断开电池与光伏组件（或充电直流电源）的连接，但当电压下降时由于负载使用电池，充电控制器会检测到此电压降并重新连接光伏模块（或充电直流电源）以对电池充电。

当电池由于电压下降到一定水平以下而被切断（从负载）时，在深度放电的情况下也可以观察到类似的情况。现在，如果电池处于充电不足的状态，由于充电过程，端电压电平会在一段时间后上升。检测到这种电压升高，如果高于低截止电压，控制器会将电池重新连接到负载，以便负载可以利用电池中存储的能量。

太阳能充电控制器还提供其他几个基本功能，包括过载安全、低压断开和反向电流阻断。

过载保护： 充电控制器具有防止过载的重要作用。如果流入电池的电流远高于电路的处理能力，则设备可能会过载。它可能导致过热甚至爆炸。充电控制器避免了过载的发生。在较大的系统中，断路器或熔断器的双重安全保护也是必不可少的。

低压断开： 当电压低于定义的阈值时，这会自动断开非关键负载与电池的连接。当它通电时，它将立即重新连接到电池。避免过放电。

阻止反向电流流动： 太阳能电池板通过电池单向发送电流。在晚上，面板当然可以以相反的顺序转移一些电荷。它可以触发电池的轻微放电。负载控制通过充当阀门来避免这种情况发生。

充电控制器类型：

以下是两个广泛使用的充电控制器；

1. 最大功率点跟踪 (MPPT) 充电控制器
2. 脉宽调制 (PWM) 充电控制器

在MPPT充电控制器的情况下，电池组和光伏阵列两端的电压是不同的。这种类型的充电控制器在光伏阵列的最大功率点运行，以提供最大可能的辐照功率。

这种充电控制器使得光伏阵列电压高于连接到我们系统的电池组的电压成为可能。优点是电压越高，相同功率流的电流就越小。因此，我们可以使用小规格的电线，从而降低系统中的电线成本。

另一方面，脉宽调制 (PWM) 充电控制器在光伏阵列和连接到系统的电池组上具有相同的电压。

充电控制器的各种功能：

充电控制器的各种电压电流等级可定义如下；

1. 标称系统电压：此电压表示太阳能光伏系统中充电控制器和电池的运行电压。
2. 标称负载电流：这表示充电控制器应处理的最大负载电流。
3. 标称光伏阵列电流：这表示充电控制器应该能够处理的最大光伏阵列电流。它是整个光伏阵列的短路电流。在设计 1.25 的安全系数时，考虑了在非 STC（标准测试条件）下确定的短路电流的变化。
4. 充电调节器设定点：充电控制器的功能是对电池进行充电和放电，它会感应端电压（即充电状态或通常称为 SOC）并决定将其与负载断开以避免深度放电或将其与光伏阵列电源断开，以避免电池过度充电。这种控制器具有设定点，根据这些设定点来决定连接或断开负载或充电源（即光伏阵列）。

1. 电压调节设定点 (VR)：这表示电池可以充电而不会过度充电的最高电压。如果达到此设定点，则控制器将断开电池组与 PV 电源的连接，或者它可以调节电池的电流供应。
2. 电压调节滞后 (VRH)：这表示 VR 与充电控制器将电池重新连接到 PV 电源进行充电时的电压之间的差异。如果此差异非常小，则控制将出现振荡（频繁连接和重新连接），最终将导致电池性能和寿命下降。但是存在差异也可能导致每个循环中的一些过度充电。因此，在说明 VRH 时必须进行平衡。 VRH 还可以帮助我们了解充电控制器在为电池充电时的效率。
3. 低电压断开 (LVD)：这表示允许电池放电而不进入深度放电的最低电压。这也称为电池的放电深度 (DOD)。强烈建议避免低于此水平放电，以免电池寿命和性能恶化。如果充电控制器检测到 LVD 并避免电池深度放电，则充电控制器可以断开电池与负载的连接。
4. 低电压断开迟滞 (LVDH)：这表示 LVD 与电池可以重新连接到负载的电压之间的差异。它不能保持太小，因为这可能会导致频繁的连接和断开连接。这会进一步缩短电池的使用寿命。

如何选择合适的额定太阳能充电控制器？

以下两个示例展示了如何为太阳能电池板和阵列系统选择合适尺寸的太阳能充电控制器，在给定的额定电压和负载（瓦特）下具有适当的额定电流（安培） .

示例1：

我们现在举个例子来了解一下上面的参数，一个客厅有如下直流负载，额定电压为24V；

1. 三个 20 W 灯
2. 一个 25 W 风扇

上述所有负载均由两个并联的光伏组件供电，每个光伏组件的最大功率点电流IMP为5A，短路电流ISC为7A . 充电控制器的标称系统电压、标称光伏阵列电流和标称负载电流是多少？

总直流负载=（灯数×每盏灯瓦数）+（风扇数×每个风扇瓦数）

总直流负载 =(3 × 20) + (1 × 25) =60 + 25 =85 W

充电控制器标称系统电压与负载和光伏阵列的额定电压相同（充电控制器标称系统电压=24V）

光伏阵列标称电流=2×7（每个光伏组件短路电流7A，并联）

标称光伏阵列电流 =14 A

在非STC（标准测试条件）下确定的短路电流的变化考虑了1.25的安全系数。

考虑安全系数1.25，光伏阵列标称电流为1.25 × 14 =17.5 A

标称负载电流 =总直流负载 / 标称系统电压 =85 / 24

标称负载电流 =3.5416 A

因此，充电控制器应该能够在输出端处理大约 3.5416 A 的电流。

示例2：

我们再举个例子来实践一下；一个礼堂有以下额定电压为 12 V 的直流负载；

1. 三个 30 W 灯
2. 一个 20 W 风扇

上述所有负载均由两块并联光伏组件供电，每块光伏组件最大功率点电流IMP为3A，短路电流ISC为5A . 充电控制器的标称系统电压、标称光伏阵列电流和标称负载电流是多少？

总直流负载=（灯数×每盏灯瓦数）+（风扇数×每个风扇瓦数）

总直流负载 =(3 × 30) + (1 × 20) =90 + 20 =110 W

充电控制器标称系统电压与负载和光伏阵列的额定电压相同（充电控制器标称系统电压=12V）

光伏阵列标称电流=2×5（每个光伏组件短路电流5A，并联）

标称光伏阵列电流 =10 A

在非STC（标准测试条件）下确定的短路电流的变化考虑了1.25的安全系数。

考虑1.25的安全系数，光伏阵列标称电流为1.25 × 10A =12.5 A

标称负载电流 =总直流负载 / 标称系统电压 =110W / 12V

标称负载电流 =9.1666 A

因此，充电控制器应该能够在输出端处理大约 9.1666 A 的电流。

最大功率点跟踪（MPPT）：

光伏组件连接的负载决定了组件输出的功率，请看下图3所示的I-V和P-V曲线。

从上图中可以看出，在短路条件，即在 V =0 时，最大电流由称为短路电流 ISC 的模块提供。但是，如果我们通过改变负载来逐渐增加负载两端的电压，那么传递给负载的功率也会增加。

所以，电压的增加会导致功率增加到某一点，超过该点电压的增加会进一步导致功率的下降，称为最大值电源点 (MPP)。因此，光伏组件的 I-V 曲线有一个点对应于最大功率，称为最大 PowerPoint 或简称 MPP。

要求连接到光伏组件的负载工作在与该最大功率点对应的电压和电流下，才能从光伏组件获得最大功率。工作点是光伏组件的I-V特性与负载的交点。

制造商对其光伏组件的峰值功率输出进行了评级。但光伏组件的输出功率不仅取决于可用的太阳辐照度，还取决于电压和电流的组合。比如在中午太阳高的时候，如果模块处于开路或短路状态，模块将不会供电。

因此，在 I-V 曲线上有一个工作点，电压和电流的乘积将提供最大功率。但是这个最大工作点会随着落在太阳能光伏模块上的辐射强度的变化而变化。因此，为了获得最大功率，有一些电子设备将确保 PV 模块在全天的所有辐照度下以最大功率运行。这种以最大功率运行光伏组件的想法称为最大功率点跟踪（MPPT）。

实际上，由于落在组件上的辐射强度的变化，光伏组件的 I-V 曲线会发生变化。因此，对于选定的负载，不可能将 PV 保持在 MPP 运行。上午 9 点左右太阳辐射较少，并逐渐增加至中午。这种辐射强度的增加会导致模块的I-V曲线发生变化，如下图4所示。

这导致了给定的负载。下午 1 点、上午 11 点和上午 9 点的工作点分别用 A、B 和 C 表示。但是下午 1 点、上午 11 点和上午 9 点的最大工作点分别用 A'、B' 和 C' 表示。

因此，如果我们需要从光伏组件获得最大功率，则工作点 A、B 和 C 应分别靠近 A'、B' 和 C'这是由 MPPT 设备完成的。 MPPT 设备的作用是使工作点更接近不同太阳辐射水平下的最大功率点。

它有助于在任何辐照度和温度下从光伏组件中提取最大可用功率。它使用 MPPT 算法 和一个电子电路来完成这项工作。这个想法是基于匹配光伏组件和连接负载之间的阻抗的原理，这是传输最大功率所必需的。

因此，当光伏源和负载的阻抗匹配时，最大功率从光伏源传输到负载。如果最大功率时的模块电压与最大功率时的模块电流之比与所连接负载的阻抗相匹配，则发生最大功率传输。

但实际上不可能使该比率与负载阻抗匹配，因此 MPPT 设备执行阻抗匹配操作以提供可用的最大功率辐照度和温度。制造商将充电控制器和 MPPT 的功能组合到一个设备中，即广为人知的 MPPT 充电控制器。 MPPT和充电控制器是两个不同且独立的功能，但被广泛用作一个设备来服务两个目的。

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用于最大化功率输出的太阳追踪和 MPPT：

太阳跟踪与MPPT跟踪不同，它是太阳能光伏组件的机械跟踪，使太阳光线入射到组件上的方式总是垂直。模块应机械面向太阳，以在一天中的那个时间获得最大功率。

如果模块不垂直于落在其上的太阳光线，大部分阳光会从模块反射。当光线与组件的角度相互垂直（即 90 ^o )如图5所示。

当光线入射角度小于或大于90度时 ^o 如图 5 所示，则会产生低于模块最大输出功率能力的输出功率。当光线落在大于或小于 90 ^o 的角度时 部分光被反射，模块利用的光比实际落在其上的光少。

这会导致模块产生的输出功率降低。正是由于这个原因，我们必须有机械的太阳跟踪来产生最大可能的电力。

MPPT充电控制器规格：

PV 输入

最大输入功率：这表示MPPT充电控制器可以从连接的光伏阵列处理的最大功率。

最大开路电压：这表示MPPT充电控制器可以处理的最大开路电压。

MPPT跟踪电压范围：这表示MPPT充电控制器可以处理的电压电平范围。

直流输出到电池

标称电池电压：这表示电池在连接系统中的工作电压。

电压调节设定点 (VR)：这是我们可以为电池充电而不会导致过充电的最高电压。一旦达到这个水平，充电控制器将断开电池与光伏电源的连接，或者调节输送到连接电池的电流。

低电压断开（LVD）：表示允许电池放电的最低电压，不会引起深度放电。也称为放电深度 (DOD)。当电池电量达到 DOD 电量时，MPPT 充电控制器会断开连接以避免过度充电。

最大充电电流：表示MPPT充电控制器可以从光伏阵列处理的最大电流。它是光伏阵列短路电流。由于非 STC 操作的变化，设计时使用了 1.25 的安全系数。

直流负载控制

标称电压：这表示充电控制器应该能够处理的最大负载电压。

最大电流：这表示充电控制器应该能够处理的最大负载电流。

如何选择合适尺寸的MPPT充电控制器？

让我们通过一些例子来从数字上理解上述规范。

示例3：

考虑一个 500 瓦光伏阵列，该阵列在 24 V DC 下运行，电池组为 12 V DC。 确定 MPPT 充电控制器额定值 s 对于这个给定的系统。

• 太阳能光伏阵列功率 =500 W
• 太阳能光伏阵列工作电压 =24 V
• 电池组工作电压 =12 V

MPPT控制器的输入功率为500W，太阳能光伏阵列连接在MPPT充电控制器的输入侧，电池连接在充电控制器的输出侧MPPT充电控制器。因此，电池充当系统的负载。数据指定输出电压。假设效率为 100 %，我们可以确定其负载的输出电流。

功率=电压×电流

当前 =功率 / 电压 =500W / 12V =41.66 A

因此，对于上述系统，我们需要一个 12 V、41.66 A MPPT，我们可以将电流值增加 25 %，考虑到某些情况会导致面板产生更多力量。因此，我们可以将其视为 52 A。因此，12 V、52 A MPPT 充电控制器将适用于上述系统。请注意，MPPT充电控制器应该能够处理所连接光伏阵列的开路电压和最大功率点的电压。

让我们再举一个例子，我们必须设计一个 140 WP 的太阳能家用系统，其中的光伏模块为 70 W，开路电压为 20 V，电压为最大功率点为 16 V。电池组的电压为 12 V。为此家用太阳能设计确定合适的 MPPT 充电控制器额定值。

让我们将可用的光伏组件串联起来。

这样，系统的开路电压将变为 =2 × 20 =40 V

最大功率点电压 =2 × 16V =32 V

系统峰值功率 =2 × 70W =140 W

如果我们假设效率为 100%，则 MPPT 充电控制器的输入功率为 140 W。并且可用电池电压为12 V，那么电池组的电流可以确定如下；

功率=电压×电流

当前 =功率 / 电压 =140W / 12V =11.66 A

因此，我们需要 12 V、11.66 A MPPT 对于上述系统，考虑到导致面板产生更多功率的某些情况，我们可以将电流值增加 25%。因此，我们可以将其视为 15 A。因此，12 V、15 A MPPT 充电控制器将是合适的 对于上述系统。

再次需要注意的是，MPPT充电控制器应该能够处理开路电压和所连接光伏阵列最大功率点的电压。

我应该选择哪种太阳能充电？ PWM 还是 MPPT？

在决定控制器尺寸时，您需要知道您使用的是PWM控制器还是MPPT控制器。您知道太阳能充电控制器选择不当会导致太阳能系统损失高达 50% 的能量吗？

太阳能电池板	电池	太阳能充电器
12V	12V	PWM 或 MPPT
24V	24V	PWM 或 MPPT
24V	12V	MPPT（推荐）

太阳能充电控制器是根据您的太阳能电池阵列电流和太阳能系统的电压来测量的。通常，您需要确保您有一个足够大的充电控制器，以容纳面板产生的电量和电流。

通常，充电控制器的电压为 12、24 和 48 伏。额定电流从 1 到 60 安培不等，额定电压从 6 到 60 伏不等。如果您尚未权衡您的设置或估计您的能源需求，我们建议您使用太阳能电池板计算器。它将允许您扩展太阳能电池板和设备的所有其他组件。

如果您的太阳能系统为 12 伏，而您的安培为 14，您将需要一个至少为 14 安培的太阳能充电控制器。但是，出于环境考虑，您需要将太阳能充电器控制器在 17.5 安培的最小安培数增加 25%。但是在这种情况下，您将需要一个额定电压为 12 伏和 20 的太阳能充电器控制器。

这里有更多详细信息，具体取决于您安装在设备上的充电控制器类型。

Battery Condition @ 25 °C (77 °F)	Nominal Battery Voltage
	12V	24V	48V
Battery during equalization charge	Over 15	Over 30	Over 60
Battery near full charge while charging	14.4 to 15.0	28.8 to 30.0	57.6 to 60.0
Battery near full discharge while charging	12.3 to 13.2	24.6 to 26.4	49.2 to 52.8
Battery fully charge with light load	12.4 to 12.7	24.8 to 25.4	49.6 to 50.8
Battery fully charged with heavy load	11.5 to 12.5	23.0 to 25.0	46.0 to 50
No charge of discharge for 6 hours – 100% charged	12.7	25.4	50.8
No charge of discharge for 6 hours – 80% charged	12.5	25	50
No charge of discharge for 6 hours – 60% charged	12.2	24.4	48.8
No charge of discharge for 6 hours – 40% charged	11.9	23.8	47.6
No charge of discharge for 6 hours – 20% charged	11.6	23.2	46.4
No charge or discharge for 6 hours – fully discharged	11.4	22.8	45.6
Battery near full discharge while discharging	10.2 to 11.2	20.4 to 22.4	40.8 to 448

FAQ

Do you need a controller for solar charges?

Typically, yes. No charge controller necessary for small 1 to 5-watt screens. If the panel sets 2 watts or less for every 50 hours of battery life, you usually don’t need a charge controller. It’s far above that.

What’s going to influence my decision-making when I pick a charge controller?

The following considerations should check out when purchasing a charge controller:

• The budget;
• The life of technology
• The temperature where the machine gets installed:specific charge controllers perform well in cooler climates.
• How much electricity is needed, and how many solar panels are available!
• The size, number, and type of batteries that you use on your device

Can you use more than one charge controller?

In cases where a single charge controller is not capable enough to handle the output of your solar panel array, you can use multiple charge controllers with one battery bank. Using an MPPT (Maximum Power Point Tracker) charge controller can be the safest way to connect the device as arrays have different maximum power points.

However, it is recommended to use the same form of the charge controller if you use more than one. Meaning, if you are using a single MPPT charge controller, all your solar charge controllers should be of MPPT type. Make sure that all of your controllers have the same battery setting input as well.

What is the upper voltage limit?

Both charge controllers have a maximum voltage limit. It applies to the highest voltage that controllers can manage safely. Make sure you know what the upper voltage limit of your controller is. Otherwise, you could end up burning off your solar charge controller or causing other safety hazards.

Common charge controller errors and mistakes

Due to all the various components of a solar installation, it can be possible to make an error in the installation process. Here are some widely made mistakes when it comes to solar charge controllers.

• Do not attach AC loads to the load controller. Only DC loads can connect to the output of the charge controller.
• You should mount the charge controller next to the battery as the battery voltage’s accurate calculation is an essential aspect of the solar charge controller’s functions.

结论

If you are in an RV ( off-grid cabin), solar charge controllers are an integral part of your solar installation. Researching and weighing your choices before you make that investment helps mean choosing the right controller for you and your device and avoiding the hassle.