專利名稱：帶最大功率跟蹤的充放電控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種太陽能技術(shù)，具體涉及一種帶最大功率跟蹤的充放電控制
O
背景技術(shù)目前我國已成為全球僅次于美國的第二大電力消費國，增長速度為全球之冠，現(xiàn) 有的發(fā)電能力不能滿足消費需求，且石油漲價、煤炭告急，傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減 少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時全球還有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。這個時候， 全世界都把目光投向了新能源，希望新能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠(yuǎn)的可持續(xù) 發(fā)展。太陽能作為綠色能源，具有無污染，無噪音，取之不盡，用之不竭等優(yōu)點，越來越受到 關(guān)注，在未來的供電系統(tǒng)中將占有重要地位，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太 陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力。因此，研究太陽能控制器的設(shè)計有著廣闊的前景和意 義。限制光伏系統(tǒng)的主要因素有兩點(1)初期投資比較大；( 太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效 率低。目前通常使用的光伏電池效率在15%左右。因此如何進(jìn)一步提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效 率，如何充分利用光伏陣列所轉(zhuǎn)換的能量，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。光伏發(fā)電的基本原理是先由一種光伏電池吸收光能如自然界的太陽光轉(zhuǎn)化為電 能，該電能再經(jīng)過各種電力電子變換器的電能儲存和轉(zhuǎn)變從而實現(xiàn)電能的實際應(yīng)用，其中 光伏電池是作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)中功率輸出源頭，但由于其物理特性以及制造工藝的影響 造成了其轉(zhuǎn)換效率低且價格昂貴。根據(jù)光伏電池的物理特性可以得知它的輸出特性呈非線 性且受外界環(huán)境影響大，如溫度和光照輻射強(qiáng)度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變 化，這些特性直接影響了光伏發(fā)電的最大功率輸出，如果控制太陽能電池總是工作在最大 功率狀態(tài)，年發(fā)電量可以提高10% 25%。所以充分利用光伏電池所轉(zhuǎn)換的能量是光伏發(fā) 電系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)要求，而要解決這個問題可在光伏電池與負(fù)載間加入最大功率點跟 蹤裝置，使光伏電池始終能夠工作在最大功率點，以便優(yōu)化的利用太陽能，為此提高太陽能 的利用率，設(shè)計最大功率點跟蹤(MPPT)成了一個亟需解決的問題
實用新型內(nèi)容
本實用新型針對現(xiàn)有太陽能技術(shù)中光伏電池效率低的問題，而提供一種帶最大功 率跟蹤的太陽能充放電控制器，控制太陽能電池總是工作在最大功率狀態(tài)，繼而可將光伏 組件工作效率最大提高30% (平均17% )。為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)方案帶最大功率跟蹤的充放電控制器，該控制器包括穩(wěn)壓電源模塊、太陽板電壓和電 流采集模塊、蓄電池電壓和電流采集模塊、溫度采集模塊、最大功率跟蹤控制模塊、充電控 制模塊、放電控制模塊、工作狀態(tài)指示模塊以及中央處理模塊，所述中央處理模塊分別控制 連接穩(wěn)壓電源模塊、太陽板電壓和電流采集模塊、蓄電池電壓和電流采集模塊、溫度采集模 塊、最大功率跟蹤控制模塊、充電控制模塊、放電控制模塊以及工作狀態(tài)指示模塊。[0007]根據(jù)上述技術(shù)方案得到的本實用新型具有以下優(yōu)點1)、根據(jù)太陽能電池板的特性，通過PWM控制功率器件的導(dǎo)通，實施阻抗匹配，使 光伏陣列在各種不同日照和溫度環(huán)境下智能化地輸出最大功率。2)、采用大規(guī)模集成電路和單片機(jī)，提高電路性能，降低功耗。3)、采用自變步長逼近算法，在搜索過程中不斷調(diào)整搜索步長，從而提高最大功率 跟蹤的速度和精度。4)、帶溫度補償?shù)娜塈-U曲線充電控制可以顯著地延長蓄電池的壽命

以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來進(jìn)一步說明本實用新型。圖1為本實用新型的系統(tǒng)框圖。圖2為本實用新型的電路原理圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下 面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實用新型。參見圖1，本實用新型為解決現(xiàn)有光伏電池利用率低的問題，而提供的帶最大功率 跟蹤的充放電控制器由穩(wěn)壓電源模塊101、太陽板電壓和電流采集模塊102、蓄電池電壓和 電流采集模塊103、溫度采集模塊104、最大功率跟蹤控制模塊105、充電控制模塊106、放電 控制模塊107、工作狀態(tài)指示模塊108以及中央處理模塊100組成。其中，中央處理模塊100為整個控制器的核心，其接收控制器中各部件傳送的數(shù) 據(jù)進(jìn)行綜合計算，并根據(jù)計算的結(jié)果對各部件進(jìn)行相應(yīng)的控制。穩(wěn)壓電源模塊101給中央處理模塊100提供穩(wěn)定的工作電源太陽板電壓和電流采集模塊102采集太陽板的輸出電壓和輸出電流，并傳至中央 處理模塊100，用于計算太陽板的輸出功率，實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。蓄電池的電壓和電流采集模塊103采集電池的端電壓和充放電電流，并傳至中央 處理模塊100，用于實現(xiàn)電池的充放電保護(hù)。溫度采集模塊104采集電池溫度，并傳至中央處理模塊100，用于實現(xiàn)電池充放電 的溫度補償。最大功率跟蹤控制模塊105受中央處理模塊100控制，用于實現(xiàn)太陽能電池板的
最大功率輸出。充電控制模塊106受中央處理模塊100控制，用于實現(xiàn)蓄電池的充電控制。放電控制模塊107受中央處理模塊100控制，用于實現(xiàn)蓄電池的放電控制。工作狀態(tài)指示模塊108受中央處理模塊100控制，用于指示充電狀態(tài)、蓄電池狀態(tài) 和負(fù)載狀態(tài)。根據(jù)上述技術(shù)方案的本實用新型具體運行時，中央處理模塊100實時通過太陽板 電壓和電流采集模塊102采集太陽板的輸出電壓和輸出電流，并計算得到太陽板的輸出功 率；中央處理模塊100根據(jù)計算得到的太陽板輸出功率，通過控制最大功率跟蹤控制模塊 105以實現(xiàn)實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率輸出。[0027]與此同時，中央處理模塊100控制充電控制模塊106和放電控制模塊107用于實 現(xiàn)對蓄電池的充電和放電的控制；這個過程中中央處理模塊100通過蓄電池的電壓和電 流采集模塊103實時采集電池的端電壓和充放電電流，并由此實現(xiàn)對于蓄電池的充放電保 護(hù)；同時中央處理模塊100還通過溫度采集模塊104實時采集蓄電池的溫度，并根據(jù)蓄電池 的溫度補償系數(shù)，對蓄電池的充放電參數(shù)進(jìn)行溫度補償，使蓄電池適應(yīng)溫度變化，延長蓄電 池的使用壽命。最后，中央處理模塊I00將整個控制器的工作狀態(tài)通過工作狀態(tài)指示模塊108進(jìn) 行直觀的顯示出來。根據(jù)上述的工作原理，本實用新型的具體實施如下參見圖2，本實用新型中中央處理模塊100為一 PIC系列單片機(jī)，用于整個控制器 的數(shù)據(jù)處理。穩(wěn)壓電源模塊12V蓄電池經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓至5V給控制電路提供工作電源。R12、U3、C6共同組成 2. 5V的穩(wěn)定電壓送入單片機(jī)RA3/AN3作為采樣信號的參考電壓源。太陽板電壓和電流采樣模塊太陽板電壓合電流采集模塊采集太陽板的輸出電壓和輸出電流，用于計算太陽板 的輸出功率，實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。R23、R31、ClO組成太陽板電池的取樣分壓電路，此電壓送給單片機(jī)RA0/AN0作A/ D轉(zhuǎn)換后測量太陽板電池電壓；RlO是太陽板輸出電流采樣，電流信號經(jīng)RlO轉(zhuǎn)換成電壓信 號后經(jīng)過U4放大，放大后的信號送入單片機(jī)RB1/AN10作A/D轉(zhuǎn)換后測量太陽板輸出電流。 由太陽板電池的輸出電壓和輸出電流可以計算得出太陽板的輸出功率，根據(jù)太陽板輸出功 率的變化來改變控制信號的占空比，最終使太陽板的輸出功率達(dá)到最大。蓄電池電壓和電流采樣模塊蓄電池的電壓、電流采集模塊采集電池的端電壓和充放電電流，用于實現(xiàn)電池的 充放電保護(hù)。R25、R33、C13組成蓄電池電壓的取樣分壓電路，此電壓送給單片機(jī)RA1/AN1作A/ D轉(zhuǎn)換后用于測量蓄電池電壓；R7是蓄電池充放電電流采樣，電流信號經(jīng)R7轉(zhuǎn)換成電壓信 號后經(jīng)過U4放大，放大后的信號送入單片機(jī)RB0/AN12作A/D轉(zhuǎn)換后測量蓄電池充放電電 流。由蓄電池的電壓可以判斷蓄電池的過充或過放，實現(xiàn)對蓄電池的充放電保護(hù)。由蓄電 池的放電電流可以判斷負(fù)載是否短路，實現(xiàn)對控制電路的保護(hù)。最大功率跟蹤控制模塊最大功率跟蹤控制模塊用于實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率輸出。最大功率跟蹤控制模塊為一個DC/DC變換電路。通過改變Q1、Q2的導(dǎo)通率來實現(xiàn) 阻抗匹配，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤功能。當(dāng)Q1、Q2導(dǎo)通時，太陽板電池、電感Ll和蓄電池組 成回路，此時Ll的電流從太陽板流向蓄電池；當(dāng)Ql、Q2截止時，電感Li、蓄電池和D4組成 回路，此時Ll的電流維持原來的電流方向不變，D4為續(xù)流二極管。電池充電控制模塊充電控制模塊用于實現(xiàn)蓄電池的充電控制。當(dāng)太陽板電壓高于蓄電池電壓時，允許對蓄電池充電，此時單片機(jī)的RC2/CCP1輸出PWM脈沖，當(dāng)RC2/CCP1為高電平時，Q5導(dǎo)通，Q5的集電極輸出低電平，Q4導(dǎo)通，Q5截止， Q4、Q5的發(fā)射極輸出低電平，Q1、Q2的柵極電位為低電平，Q1、Q2導(dǎo)通；當(dāng)RC2/CCP1為低電 平時，Q5截止，Q5的集電極輸出高電平，Q4截止，Q5導(dǎo)通，Q4、Q5的發(fā)射極輸出高電平，QU Q2的柵極電位為高電平，Q1、Q2截止。電池放電控制模塊放電控制模塊用于實現(xiàn)蓄電池的放電控制。當(dāng)蓄電池容量可以正常放電時，打開放電回路，此時單片機(jī)的RCl輸出高電平，Q6 導(dǎo)通，Q7截止，則Q7的集電極為高電平，Q8、Q9導(dǎo)通，允許負(fù)載工作；當(dāng)蓄電池容量過低時， 關(guān)閉放電回路，此時單片機(jī)的RCl輸出低電平，Q6截止，Q7導(dǎo)通，則Q7的集電極為低電平， Q8、Q9截止，禁止負(fù)載工作；通過對蓄電池放電回路的控制，實現(xiàn)蓄電池的過放保護(hù)。溫度補償模塊溫度采集模塊采集電池溫度，用于實現(xiàn)電池充放電的溫度補償。高精度溫度采樣模塊接入接插件P1，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入單片機(jī) RA2/AN2，根據(jù)蓄電池的溫度補償系數(shù)，對蓄電池的充放電參數(shù)進(jìn)行溫度補償，使蓄電池適 應(yīng)溫度變化，延長蓄電池的使用壽命。工作狀態(tài)指示模塊工作狀態(tài)指示模塊用于指示充電狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)。LEDl為綠色指 示燈，用于指示充電狀態(tài)，當(dāng)為最大功率跟蹤充電時，LEDl常亮；當(dāng)處于均充充電階段時， LEDl以IHz頻率閃爍；當(dāng)處于浮充充電階段時，LEDl以2Hz閃爍。LED2為紅綠雙色指示 燈，用于指示蓄電池狀態(tài)，當(dāng)蓄電池容量可以正常放電時，LED2為綠色；當(dāng)蓄電池容量低于 警戒線，LED2為橙色；當(dāng)蓄電池容量過低時，LED2為紅色，此時關(guān)閉放電回路，禁止輸出。 LED3為紅色指示燈，用于指示負(fù)載狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載正常工作時，LED3不亮；當(dāng)負(fù)載過流或短路 時，LED3為紅色常亮，表示負(fù)載故障。根據(jù)上述技術(shù)方案得到的本實用新型能夠保證太陽能陣列全天時、全天候進(jìn)行最 大功率的工作，從而使得光伏組件工作效率最大提高30 %，平均工作效率達(dá)到17 % ；同時本 實用新型還帶有電池的智能充放電管理功能。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述 的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還 會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型 要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.帶最大功率跟蹤的充放電控制器，其特征在于，所述控制器包括穩(wěn)壓電源模塊、太陽 板電壓和電流采集模塊、蓄電池電壓和電流采集模塊、溫度采集模塊、最大功率跟蹤控制模 塊、充電控制模塊、放電控制模塊、工作狀態(tài)指示模塊以及中央處理模塊，所述中央處理模 塊分別控制連接穩(wěn)壓電源模塊、太陽板電壓和電流采集模塊、蓄電池電壓和電流采集模塊、 溫度采集模塊、最大功率跟蹤控制模塊、充電控制模塊、放電控制模塊以及工作狀態(tài)指示模 塊。
專利摘要本實用新型公開了帶最大功率跟蹤的充放電控制器，該控制器由中央處理模塊分別控制連接穩(wěn)壓電源模塊、太陽板電壓和電流采集模塊、蓄電池電壓和電流采集模塊、溫度采集模塊、最大功率跟蹤控制模塊、充電控制模塊、放電控制模塊以及工作狀態(tài)指示模塊組成。本實用新型能夠控制太陽能電池總是工作在最大功率狀態(tài)，繼而可將光伏組件工作效率最大提高30％(平均17％)。
文檔編號H02J7/00GK201868900SQ201020208438
公開日2011年6月15日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者付光霞, 韋紅光, 馬志紅 申請人:珈偉太陽能科技(上海)有限公司