CN101728851B - 太阳能电池充电电路、装置及具有该装置的太阳能车辆 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电池充电电路，用于为蓄电池充电，其特征在于，所述太阳能电池充电电路输入端用于连接太阳能面板，输出端用于连接蓄电池，包括一用于太阳能面板与蓄电池间功率转换的直流/直流转换器，所述直流/直流转换器与输出端和输入端之间均串联有滤波器；还包括并联于所述输出端与所述输入端之间的一个实现对所述太阳能面板输出电压进行稳压控制的电压控制电路单元。本发明还公开了一种具有本发明太阳能电池充电电路的太阳能电池充电装置及具有该充电装置的太阳能车辆。具有本发明太阳能电池充电电路的太阳能车辆，不再有需要定期充电的不便。

Description

太阳能电池充电电路、装置及具有该装置的太阳能车辆

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池充电系统，尤其与一种用于城市轿车或高尔夫球车的太阳能电池充电电路有关。

背景技术

现有技术的高尔夫球车通常是通过电池供给电力来驱动的，而电池需要定期的由交流电源充电。因此，在高尔夫轿车的使用过程中，就带来一个需要经常充电的不便。在重要的场合下，需要将电池提前充满，以备不时之需；而在太阳能车辆需要长时间使用时，电池的有限电量就难以满足该使用需求。

另一方面，高尔夫球车或城市轿车的使用的电能，其可以被其他形式的能源所替代，如太阳能。太阳能有着一种无法比拟的优势，太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境保护越来越受关注的今天，这一点是极其宝贵的。同样，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。而且，太阳能也是取之不尽的，根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。可以在太阳能车辆上加装太阳能面板来为高尔夫球车或城市轿车提供能量，这方面有大量的科研与开发工作要做。其中包括太阳能电池面板设计与功能的优化、电池充电系统的设计，电路设计及防护设计。

普通的太阳能车辆，其太阳能电池所存储的电量有限，因此在持续光照不足的情况下，可能存在电能供应不足的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种太阳能电池充电电路。

本发明的第二个目的在于提供一种具有本发明太阳能电池充电电路的太阳能电池充电装置。

本发明的第三个目的在于提供一种具有本发明太阳能电池充电装置的太阳能车辆。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种太阳能电池充电电路，用于为蓄电池充电，其特征在于，所述太阳能电池充电电路输入端用于连接太阳能面板，输出端用于连接蓄电池，包括一用于太阳能面板与蓄电池间功率转换的直流/直流转换器，所述直流/直流转换器与输出端和输入端之间均串联有滤波器。

为实现本发明的第一个目的，具有本发明太阳能电池充电电路的电路板，对太阳能面板具有最大灵能点追踪的功能，以使该充电电路能够发挥最大的效用。

优选的，所述的灵能点追踪需借助一个最适宜电压，该最适宜电压是一个电压常数，该电压常数可被作为一个离线参数测得，尽管太阳能电池的电能输出随着光照强度的变化而变化，(其中光照强度是指照射在太阳能面板上的光强度)，但是，通过该最适宜电压的设置，就可以最好最简洁的从太阳能面板上获取能量。

优选的，本发明的太阳能电池充电电路，其电压采样电路通过一个电压分压器获得电压，在这里，太阳能面板具有比电压控制电路单元更高的电压是至关重要的一点。所述电压控制电路单元，在本发明的太阳能电池充电电路中，实现对充电电路输入电压的稳压控制。

本发明的太阳能电池充电电路，从太阳能面板提升电压的电路由仅仅只是以滤波器、三极管和二极管作为主要电路要素。该方法将电压提升到一个合适的水平到蓄电池或蓄电池组。

优选的，本发明的太阳能电池充电电路，通过一个升压转换器，来完成从太阳能面板到蓄电池(组)的电压提升。

优选的，本发明的太阳能电池充电电路，可以在该最适宜电压下通过程序控制运行。

本发明的太阳能电池充电电路，，在太阳能面板输出端获得的电压采样同样也是充电电路的输入电压。

本发明的太阳能电池充电电路，优选的，所述直流/直流转换器为开关模式的直流/直流电压转换器，所述直流/直流电压转换器包括电感、晶体管、二极管、电容等元件，所述电感输出端连接所述二极管输入端，所述晶体管一端连接于所述电感与所述二极管间，所述电容一端连接于所述二极管输出端，所述晶体管另一端与所述电容另一端相连接。

本发明的太阳能电池充电装置，包括一壳体与所述壳体内置的电路板，所述电路板上布置有本发明的太阳能电池充电电路，从所述壳体上分别引出连接线缆用于连接所述太阳能面板和所述蓄电池。

本发明的太阳能电池充电装置，优选的，所述太阳能电池充电电路还包括并联于所述输出端与所述输入端之间的一个实现对所述太阳能面板输出电压进行稳压控制的电压控制电路单元，所述电压控制电路单元能够增减负荷比，所述电路板上设置有显示所述负荷比增减情况的LED指示灯串，所述壳体上设置有用于调节所述输出电压的旋钮及所述LED指示灯串的安装位。

本发明的太阳能电池充电装置，优选的，所述负荷比通过步进方式增加，所述LED指示灯串通过亮灯数量的变化，显示所述负荷比步进变化。

本发明的太阳能车辆，包括车辆本体、为所述车辆提供能源的蓄电池，还包括太阳能面板与本发明的太阳能电池充电装置，所述太阳能电池充电装置与所述太阳能面板连接，为所述蓄电池充电。

本发明的太阳能车辆，优选的，所述太阳能车辆为城市轿车或高尔夫球车。

本发明的太阳能车辆，优选的，所述太阳能车辆为敞篷车，在所述车辆本体四个顶角部均设置有连接杆，所述太阳能面板支撑于各所述连接杆顶端，所述太阳能电池充电装置通过所述连接线缆连接于所述太阳能面板，所述太阳能电池充电装置通过设置在所述连接杆内的所述连接线缆连接于所述蓄电池。

本发明的太阳能车辆，优选的，所述太阳能面板可对开折叠，所述太阳能面板用于连接所述太阳能电池充电装置的连接插口设置在折叠后的所述太阳能面板相对内侧。

由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：本发明的太阳能电池充电电路，能够及时迅速的对蓄电池进行充电，以使蓄电池能够长久稳定的为用电器供电。本发明的太阳能电池充电装置，便于对蓄电池进行充电。本发明的具有太阳能电池充电装置的太阳能车辆，能够满足长时间不间断的使用需求，减少了电池维护的复杂性，克服了传统太阳能电池需定期通过交流电源充电的不便。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的太阳能电池充电电路的典型电路结构图；

图2为本发明实施例的太阳能电池充电电路的电压采样电路；

图3为本发明实施例的太阳能电池充电电路的升压转换器电路图；

图4示出了本发明的太阳能电池充电电路的主晶体管的门极驱动电路的负电压；

图5示出了图3电路图的信号波形；

图6为本发明实施例的太阳能电池充电电路的电压控制器工作原理图；

图7为本发明的太阳能电池充电电路中的升压转换器另一实现电路图；

图8为本发明实施例的太阳能电池充电电路的电压控制器的电压调节流程图；

图9为本发明实施例的太阳能电池充电装置的太阳能面板的电压与电流变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的太阳能电池充电电路，所述太阳能电池充电电路输入端用于连接太阳能面板，输出端用于连接蓄电池，包括一直流/直流转换器(DC/DC converter)，从太阳能面板(Solar Panel)到蓄电池(Batteries)，提供开关模式的功率转换，所述直流/直流转换器与所述输入端与所述输出端之间均连接有滤波器(Filter)。直流/直流转换器(DC/DC converter)通常以升压转换器(Boost Converter)实现，图3和图7分别示出了两种不同的升压转换器的实现电路。

本说明书中提到的蓄电池，既可以是单个蓄电池，也可以是多个蓄电池组成的蓄电池组。其可为车用蓄电池，也可为其他用途的能够充电的电池。因为本发明的蓄电池由太阳能面板提供充电能源，因此，本发明的蓄电池使用的完全是太阳能这一清洁能源，实质也是“太阳能电池”。

下面结合如图1和图4所示的一个参考的升压转换器电路，来说明本发明的太阳能电池充电电路。这一简单电路的操作对本领域普通技术人员来讲是显而易见的。如图4所示，三极管T作为提供开关功能的主晶体管(maintransisitor)，既可以是单晶体管，也可以是并行晶体管(paralleled transisitor)，包括两到多路实现电流共享的并行晶体管。晶体管Q1和Q2为门极驱动晶体管，他们为主晶体管提供信号状态。负电压被标记为-Vss，该负电压由耦合线圈L提供。负电压用以在升压转换器截止时激励主晶体管，还起到一个加速关断过程的作用。

如图1所示，本发明的太阳能电池充电电路，主要由直流/直流电压变换器组成，该变换器起到升压变化器的作用。太阳能面板提供能量给直流/直流电压变换器，之前要经过一个滤波器，该滤波器是将电压弄平(smooth out)。直流/直流电压变换器的输出通过另一个滤波器后提供充电电流给电池组。如图3所示，耦合线圈L是主输入电感，在其二次侧提供电压-Vss。主晶体管T的电流是可测的，借助其通过的传感电阻(sensing resistor)Rsen提供一个反馈电流控制。

如图2所示，图2为电压采样电路，在图2中，左侧为太阳能面板方向，右侧为MCU方向。太阳能面板侧的电压为Vin，从电压分压器减少的电压被反馈给微程序控制器(简称MCU)，以实现电压回授控制(voltage modecontrol)。

本发明的太阳能电池充电电路，为了实现最大灵能点的追踪，能够供给最大能量的太阳能面板的最适宜电压值是能够得到的。该电压值，尽管依赖于光照水平，动力等，但在很多场合，其变化的范围在7％以内，因此该值可以被视作一个常量，且能够测量得到。或者可以来源于出厂数据。

如图3所示，图3直流/直流电压变换器的电路，应用在本发明的太阳能电池充电电路中是一个升压变换器，它有如下的电子元件组成：晶体管T，电感L，功率二极管D和滤波电容C。说明本发明的太阳能电池充电电路具有成本低、简单易实现的优点。

如图5所示，门极驱动电压是由MCU提供的，其上主晶体管的负荷比是确定的。所述的晶体管当门电压处于高位时是导通状态，当所述晶体管导通状态时，二级管电压为0。当电感电流小时，电感转入非连续模式，“Dis”模式触发。

图5示出了图3电路图的信号波形，纵向上，最上面的是晶体管T的门极电压(Gate of T)，中间的是漏源电压(Darin-source of T)，下面是正向电压(Diode voltage)。在横向上，一个周期(Period)中，前端处于接通负载(turn-on duty)状态，即增加负荷比，末端处于放电模式(“dis”模式)，即降低负荷比。如图5所示，本发明的太阳能电池充电电路，其电压控制逻辑如下：

当以下三个条件满足之一时：

1)  当输入电压Vin高于最适宜电压Vop；

2)  当输出电压Vo低于电池极值电压Vbm；

3)  运行功率Pp＜极值功率Pmax；

负荷比增加一个数字单位，否则，降低负荷比(duty ratio)。该负荷比的步进增加，通过在电路板上连接的LED灯串显示出来。

其中Pp可由MCU计算得到，即将测量所得Vin和Iin相乘即可。该方法是基于步进式变化的，要明显好于线性控制。测量得到Vin和Iin需要有电压传感电路单元实现，该电压传感电路单元上具有电压测量装置和电流测量装置。

如图6所示，本发明的太阳能电池充电电路以控制器(Controller)为核心，控制器(Controller)与直流/直流转换器(dc/dc converter)、太阳能面板(solar cell)、蓄电池(batteries)都是直接关联的。通过检测太阳能面板(solar cell)及蓄电池(batteries)的电压电流等数据，再以控制器(Controller)控制直流/直流转换器(dc/dc converter)的输入与输出。

如图7所示，本发明的太阳能电池充电电路，使用升压转换器(BoostConverter)原理，并以MCU的脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)控制器改变开关电路的负载循环，从而控制直流/直流转换器(dc/dcconverter)的输入与输出。

如图8所示，本发明的太阳能电池的充电电路，其电压控制器对太阳能电池面板的电压的控制流程如下：

首先检测太阳能电池面板的输入与输出电流/电压，同时也检测蓄电池的输入电压。然后计算太阳能电池面板的输出电压与电流，并通过LED显示屏或指示灯显示，判断太阳能电池面板的输入电压是否在产品说明书的建议值之内，如果其在说明书的建议值之内，则继续进行电压/电流的检测、判断步骤；如果输入电压不在说明书的建议值之内，则需要通过改变电路的阻抗来适应太阳能面板。

如图9所示，通过如下方式选择太阳能电池面板的电压：在MCU内部内置一表示电压与电流关系的对数表，依据模数转换器探针(ADC PIN)量度出来的太阳能面板的电压与电流，按照对数表再决定加大或减小PWM的负载循环，由于改变负载循环会改变线路的内阻值，从而把太阳能面板的功率提升至接近极限。

本发明的太阳能电池充电电路，为了对蓄电池起到有效的保护作用，当所述蓄电池电压超过标称电压的20％时关断充电电路。

本发明实施例的太能电池充电装置，具有本发明实施例的太阳能电池充电电路。在本发明实施例的太阳能电池充电装置中，包括一个壳体和该壳体内置有一个电路板，该电路板上布置本发明的太阳能电池充电电路。该电路板分别通过穿过所述壳体的连接线缆与蓄电池与太阳能面板相连接，太阳能面板可以设置于本发明太阳能电池充电装置的上表面。

本发明优选实施例的太阳能电池充电装置，所述太阳能电池充电电路还包括并联于所述输出端与所述输入端之间的一个实现对所述太阳能面板输出电压进行稳压控制的电压控制电路单元，所述电压控制电路单元能够增减负荷比，为了直观的显示该负荷比的变化，所述电路板上设置有显示所述负荷比增减情况的LED指示灯串，在所述壳体上预留有所述指示灯串向外显示的通孔。

本发明优选实施例的太阳能电池充电装置，所述负荷比通过步进方式增加，所述LED指示灯串通过亮灯数量的变化，显示所述负荷比步进变化。

本发明的太阳能车辆，包括车辆本体、为所述车辆提供太阳的蓄电池，还包括本发明实施例的太阳能电池充电装置，所述蓄电池通过所述太阳能电池充电装置充电。

本发明的太阳能车辆，可为城市轿车或高尔夫球车。

以高尔夫球车为例，本发明实施例的太阳能车辆，所述高尔夫球车原为无顶棚的敞篷车，在所述车辆本体四个顶角部均设置有连接杆，所述太阳能面板支撑于各所述连接杆顶端，所述太阳能电池充电装置设置于所述太阳能面板下表面，所述太阳能电池充电装置通过所述连接线缆连接于所述太阳能面板，所述太阳能电池充电装置通过设置在所述连接杆内的所述连接线缆连接于所述蓄电池。所述蓄电池的电能，既可用于为所述高尔夫球车提供动力，也可用于车载设备的电力供给，而不必有需要定期充电的不便。而太阳能面板也可替代遮阳顶棚。

本发明优选实施例的太阳能车辆，所述太阳能面板可对开折叠，所述太阳能面板用于连接所述太阳能电池充电装置的连接插口设置在折叠后的所述太阳能面板相对内侧。这样，在使用时，太阳能电池充电装置设置在太阳能面板下表面，既可便于驾驶员进行状态监控与调节，也增加了太阳能面板的受光面积。太阳能面板折叠后，其两相对外侧没有插口，表面平整，利于装箱，便于携带与运输。

以上所述的仅为本发明的较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池充电电路，用于为蓄电池充电，其特征在于，所述太阳能电池充电电路输入端用于连接太阳能面板，对太阳能面板具有最大灵能点跟踪的功能，输出端用于连接蓄电池，包括一用于太阳能面板与蓄电池间功率转换的直流/直流转换器，所述直流/直流转换器与输出端和输入端之间均串联有滤波器；还包括并联于所述输出端与所述输入端之间的一个实现对所述太阳能面板输出电压进行稳压控制的电压控制电路单元；当输入电压高于最适宜电压，或当输出电压低于蓄电池极值电压，或运行功率小于极值功率时，所述电压控制电路单元增加负荷比，否则降低负荷比，所述电路还包括用于显示所述负荷比增减情况的指示灯电路和用于手动调节所述输出电压的手动调节电路。

2.如权利要求1所述的太阳能电池充电电路，其特征在于，所述负荷比通过步进方式增加，所述指示灯电路通过亮灯数量的变化，显示所述负荷比步进变化。

3.如权利要求1所述的太阳能电池充电电路，其特征在于，所述电压控制电路单元上连接有电压传感电路单元，该电压传感电路单元包括为所述电压控制电路单元提供电压与电流测量值的电压测量装置和电流测量装置。

4.如权利要求1所述的太阳能电池充电电路，其特征在于，所述蓄电池电压超过标称电压的20%时所述充电电路关断。

5.如权利要求1所述的太阳能电池充电电路，其特征在于，所述直流/直流转换器为开关模式的直流/直流电压转换器，所述直流/直流电压转换器包括电感、晶体管、二极管和电容元件，所述电感输出端连接所述二极管输入端，所述晶体管一端连接于所述电感与所述二极管间，所述电容一端连接于所述二极管输出端，所述晶体管另一端所述电容另一端相连接，所述指示灯电路的指示灯为LED指示灯。

6.一种太阳能电池充电装置，包括一壳体与所述壳体内置的电路板，其特征在于，所述电路板上布置有权利要求1-5任一所述的太阳能电池充电电路，从所述壳体上分别引出连接线缆用于连接所述太阳能面板和所述蓄电池。

7.如权利要求6所述的太阳能电池充电装置，其特征在于，所述太阳能电池充电电路还包括并联于所述输出端与所述输入端之间的一个实现对所述太阳能面板输出电压进行稳压控制的电压控制电路单元，所述电压控制电路单元能够增减负荷比，所述电路板上设置有显示所述负荷比增减情况的LED指示灯串，所述壳体上设置有用于调节所述输出电压的旋钮及所述LED指示灯串的安装位。

8.如权利要求7所述的太阳能电池充电装置，其特征在于，所述负荷比通过步进方式增加，所述LED指示灯串通过亮灯数量的变化，显示所述负荷比步进变化。

9.一种太阳能车辆，包括车辆本体、为所述车辆提供能源的蓄电池，其特征在于，还包括太阳能面板与权利要求6-8任一所述的太阳能电池充电装置，所述太阳能电池充电装置与所述太阳能面板连接，为所述蓄电池充电；所述太阳能面板可对开折叠，所述太阳能面板用于连接所述太阳能电池充电装置的连接插口设置在折叠后的所述太阳能面板相对内侧。

10.如权利要求9所述的太阳能车辆，其特征在于，所述太阳能车辆为敞篷的城市轿车或高尔夫球车，在所述车辆本体四个顶角部均设置有连接杆，所述太阳能面板支撑于各所述连接杆顶端，所述太阳能电池充电装置通过所述连接线缆连接于所述太阳能面板，所述太阳能电池充电装置通过设置在所述连接杆内的所述连接线缆连接于所述蓄电池。

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