CN101834458B - 基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，该装置设置在光伏阵列与蓄电池之间，用于实现光伏阵列与蓄电池之间的最大能量收集，包括BOOST/BUCK能量变换模块、微处理控制器模块、切换开关模块和系统参数采集开关模块；本装置所采用的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集方法充分利用以微控制器为核心的可变BUCK/BOOST拓扑结构框架，较好地提高了蓄电池的电荷收集能力，实现了光伏阵列在光照、温度等复杂气候下的最大能量收集，同时采用廉价单片机芯片的系统有利于降低弱光使用条件下的系统成本，同时，本发明还公开了一种基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集方法。

Description

基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置及其方法

技术领域

本发明涉及光伏设备领域，特别涉及一种基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，同时还给出了利用这种动态拓扑结构的光伏阵列最大能量收集装置进行最大能量收集的方法。

背景技术

光伏发电是一种具有广阔应用前景的新型可再生能源，利用蓄电池储能的独立光伏发电系统在通讯、野外作业、偏远地区照明灯领域中得到广泛应用。该系统的关键是把光伏电池组件收集电能高效的存储到蓄电池中。基于二极管保护的电压差式充电法是广为应用的充电方法之一。但是由于受日照、环境温度、蓄电池工作情况的影响，PV阵列的输出电压、电流随时间变化，其输出功率输出不稳定，从而导致光伏系统不能持续工作在最大功率输出点，甚至可能由于低压差和负压差出现PV阵列收集的电能不能充进蓄电池的情况，降低了系统能量转换效率。

为此，一般在PV阵列和蓄电池之间串联具有最大功率跟踪(MPPT)的充电控制电路。目前常用的最大功率跟踪算法有扰动观察法、增量导纳法等。多数的MPPT实现算法涉及复杂的智能处理算法以及昂贵的硬件设备，包括DSP、数据存储器、控制器等，适用于大、中型光伏系统。而在小功率的光伏系统，比如以太阳能-LED型路灯照明系统，则更需要考虑控制方法的实现难易程度、经济成本等因素。

针对以上问题，有必要提出一种简单、易实现、性价比高的MPPT充电控制方法及研究出相关的设备，实现基于蓄电池储能的独立光伏系统的最大能量收集。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，本发明的目的之二是提出一种利用该基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置进行最大光伏能量收集的方法，该方法经过严密的计算研究得出，能够有效提高光伏阵列的能量收集能力，解决了各种失配条件下的最大功率跟踪和最大能量收集的问题。

本发明的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置是通过以下技术方案实现的：该基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置设置在光伏阵列与蓄电池之间，用于实现光伏阵列与蓄电池之间的最大能量收集，所述系统包括可变BOOST/BUCK模块、微处理控制器模块、切换开关模块、光伏阵列参数采集开关和蓄电池参数采集开关；

所述BOOST/BUCK能量变换模块包括BOOST模块与BUCK模块，所述BOOST模块与BUCK模块的输入端通过切换开关模块分别与光伏阵列的输出端口相联接，所述BOOST模块与BUCK模块的输出端通过充电控制开关与蓄电池的输入端相联接；

所述微处理控制器模块包括PWM控制模块I和PWM控制模块II，所述PWM控制模块I和PWM控制模块II分别接入BOOST模块与BUCK模块中，实现脉宽调制；

所述光伏阵列参数采集开关一端接光伏阵列的输出端口，另一端通过第一电阻接地；

所述蓄电池参数采集开关包括第一开关和第二开关，第一开关的一端接BOOST/BUCK能量转换模块的输出端，另一端通过第二电阻接地，第二开关K3-2的一端接BOOST/BUCK能量转换模块的输出端，另一端与蓄电池输入端连接；

所述微处理控制器模块还包括4个模数转换通道ADC0～3，其中，所述ADC0通道与光伏阵列的输出端口连接，用于采集光伏阵列的开路电压，所述ADC1通道接在光伏阵列参数采集开关和第一电阻之间用于采集光伏阵列的短路输出电流参数，所述ADC2通道接在第二开关的输出端与蓄电池的输入端之间，用于采集蓄电池的开路电压，所述ADC3通道接在第一开关和第二电阻之间，用于采集蓄电池的短路电流；

进一步，所述切换开关模块包括第一切换开关和第二切换开关，所述第一切换开关与BOOST模块相联接，所述第二切换开关与BUCK模块相联接；

进一步，所述BOOST模块包括第一电感、第一二极管和第一电容，所述第一电感的一端接第一切换开关，另一端接第一二极管的正极，所述第一二极管的负极与蓄电池的正极输入端相联接，所述第一电容的正极与蓄电池的正极输入端相联接，负极与蓄电池的负极输入端相联接，所述PWM控制模块I一端联接在第一电感和第一二极管的公共接点上，另一端与第一电容的负极相联；

所述BUCK模块包括第二电感、第二二极管和第二电容，所述第二电感的一端接第二切换开关，另一端与PWM控制模块II联接后，再与第二二极管的负极相联接，所述第二电容的正极与第二二极管的负极相联接，两者的公共接点接蓄电池的正极输入端；所述第二电容的负极与第二二极管的正极相联接，两者的公共接点接蓄电池的负极输入端；

进一步，所述切换开关模块、光伏阵列参数采集开关和蓄电池参数采集开关均通过微处理控制器模块进行控制；

进一步，所述微处理控制器模块采用STC12C5201AD单片机为核心部件，所述切换开关模块、光伏阵列参数采集开关和蓄电池参数采集开关均采用场效应管。

本发明提出的一种基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集方法，是通过以下以下步骤实现的：

1)通过微处理控制器模块的A/D转换通道实时采集光伏阵列的开路电压U_ADC0，闭合光伏阵列参数测试开关后，通过微处理控制器模块的A/D转换通道实时采集第一电阻上的电压值U_ADC1，根据U_ADC1＝R₁/ERs×U_ADC0，得到光伏阵列的等效内阻为

利用断开/闭合蓄电池参数采集开关，通过微处理器的A/D转换通道采集蓄电池的开路电压U_ADC2以及第二电阻上的电压值U_ADC3，根据U_ADC3＝R₂/(R₂+Er)×U_ADC2，得到蓄电池的等效内阻为

2)由以上测得的数值，通过以下公式得到最大充电电流

$I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}=\frac{-\mathrm{EE}+\sqrt{{\mathrm{EE}}^2+4\×\mathrm{Er}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}\×{(\mathrm{EU}/2)}^2/\mathrm{ERs}}}{2\×\mathrm{Er}},$

其中，EE＝U_ADC0，为光伏阵列的开路电压；EU＝U_ADC2，为蓄电池的开路电压，η_convers为能量变换模块的能量转换效率；

3)通过得到的最大充电电流

由以下公式得到变压比K(D)的大小；

$K\left(D\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}}{2I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}}\×\frac{\mathrm{EU}}{\mathrm{ERs}},$

当K(D)＞1时，调节PWM使V_out＞V_in，即微处理器通过切换开关仅使BOOST拓扑结构电路与光伏阵列联接，实现升压变换，使光伏阵列输出电压小于蓄电池电压时，系统仍然能进行电荷收集，并实现充电电流最大化；当K(D)在0到1之间的范围内变化时，调节PWM使V_out＜V_in，即微处理器通过切换开关仅使BUCK拓扑结构电路与光伏阵列联接，实现电压变换，降低各电阻上的损耗，提高电荷收集能力，实现充电电流最大化；

进一步，通过微处理器设定循环周期，重复步骤1)～3)，实现最大充电电流的动态跟踪。

设计思路说明：

如图1所示，其中，光伏阵列采用串并组合连接，根据戴维南定理，光伏阵列可以等价为一个电压源EU和内阻ERs串联的模型，其中等效内阻ERs为m个PV电池内阻Rs_i串联，然后再对n个串联支路进行并联(//)所得：

光伏阵列的等效(开路)电压 $\mathrm{EU}=\underset{j=1:n}{\mathrm{\Σ}}({\left(\underset{i=1:m}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{EU}}_i\right)}_j/{\left(\underset{i=1:m}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Rs}}_i\right)}_j)\×\mathrm{ERs}.$

当采用基于二极管保护的简单充电控制时，直接对等效电路图1进行分析知：只有当V_in＞V_out+V_D时(这里的D，常用低压差肖特基二极管，其V_D约为0.3V)，太阳能光伏阵列模块才对蓄电池进行充电，其电流为，

I_charge＝(EU-EE-V_D)/(ERs+Er)         (1)

因此，蓄电池对PV阵列转换电荷(或电能)的收集能力，不仅取决于光伏阵列的等效电压EU和当前蓄电池电压EE的高低(注：以下讨论忽略V_D的影响)，还受光伏阵列内阻ERs和蓄电池内阻Er的制约。当EU与EE电压差越大时，充电电流I_charge也越大，此时消耗在内阻上的功率越大，同时引起光伏阵列和蓄电池温度升高，导致光伏阵列的温度效应越突出，另外温度升高对蓄电池可靠性也极其不利。当EU与EE电压差越小时，充电电流I_charge也越小，特别的当EU小于EE时，太阳能收集的电荷已不能存储到蓄电池中。

因此提出利用智能控制策略改进简单开关控制方法，实现以下要求：

(1)当EU＜EE时，仍然能进行电荷收集，并且实现电荷收集的最大化；

(2)当EU≥EE时，降低各内阻上的损耗，提高电荷最大收集能力即：改进策略充电电流

大于简单开关充电电流I_charge(方程(1))；

(3)对于(1)和(2)条件，还能够实时反应出光伏阵列失配和电池温升等引起的等效内阻和电压参数的动态变化，以保持动态最大电荷收集。

如果V_in和V_out的大小可以通过充电控制器进行动态改变，当控制变换输出V_out高于电池电压EE时，那么始终可以满足以上条件(1)；相应地，想获得充电电流

的最大化，只需不断的增加V_out的大小。然而，V_out的大小不可能任意变化，它受限于光伏阵列的输入功率(或等效电压和等效内阻)、能量变换效率、电池电压高低和内阻等。因此，基于智能控制策略的蓄电池电荷收集最大化的本质是：以光伏阵列和蓄电池的等效电压及内阻参数为输入变量，并考虑能量变换的物理实现条件，求解最优能量变换输出电压V_out，使充电电流最大。

由此，提出以微处理控制器为核心的基于动态拓扑结构的充电控制方法，通过系统参数动态采集、最优充电电流计算、利用PWM控制实现最优充电电流、动态跟踪保持最优充电等过程，实现蓄电池储能的光伏系统最大能量收集。

本发明的有益效果是：

1.本发明的最大能量采集方法充分利用了以微控制器为核心的BUCK/BOOST可变拓扑结构框架，较好的描述了系统的使用环境这一先验信息，提高了光伏阵列的能量采集能力，实现了光伏阵列在局部阴影和温度等复杂气候下的最大能量收集，降低了失配影响；

2.根据本发明提出的最大能量采集方法实现装置，从性价比来看，基于廉价单片机芯片的系统缓解了太阳能电池的过大功率配置，有利于降低弱光使用条件下的系统成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于二极管单向导电性的简单开关控制策略下的光伏阵列模组对蓄电池的充电等价电路图；

图2为本发明的光伏最大能量收集装置的连接示意图；

图3为BUCK/BOOST能量变换拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，设置在光伏阵列1与蓄电池6之间，用于实现光伏阵列1与蓄电池6之间的最大能量收集，系统包括BOOST/BUCK能量变换模块2、微处理控制器模块3、切换开关模块4、蓄电池参数测试开关5和光伏电池参数测试开关K1；

BOOST/BUCK能量变换模块2包括BOOST模块21与BUCK模块22，BOOST模块21与BUCK模块22的输入端通过切换开关模块4分别与光伏阵列1的输出端口相联接，BOOST模块21与BUCK模块22的输出端通过蓄电池参数测试开关5与蓄电池6的输入端相联接；

微处理控制器模块3包括PWM控制模块I 31和PWM控制模块II 32，PWM控制模块I 31和PWM控制模块II 32分别接入BOOST模块21与BUCK模块22中，实现脉宽调制；

光伏阵列参数测试开关K1的一端接光伏阵列的输出端口，另一端通过第一电阻R1接地；

蓄电池参数测试开关包括第一开关K3-1和第二开关K3-2，第一开关K3-1的一端接BOOST/BUCK能量转换模块的输出端，另一端通过第二电阻R2接地，第二开关K3-2的一端接BOOST/BUCK能量转换模块的输出端，另一端与蓄电池6的输入端连接；

微处理控制器模块3还包括4个模数转换通道ADC0～3，其中，所述ADC0通道与光伏阵列的输出端口连接，用于采集光伏阵列的开路电压，所述ADC1通道接在光伏阵列参数测试开关K1和第一电阻R1之间，用于采集光伏阵列的短路输出电流参数，所述ADC2通道接在蓄电池参数测试开关的第二开关K3-2的输出端与蓄电池6的输入端之间，用于采集蓄电池的开路电压，所述ADC3通道接在蓄电池参数测试开关的第一开关K3-1和第二电阻R2之间，用于采集蓄电池6的短路电流。

切换开关模块4包括第一切换开关K2-1和第二切换开关K2-2，第一切换开关K2-1与BOOST模块相联接，第二切换开关K2-2与BUCK模块相联接。

本实施例中，微处理器模块采用STC12C5201AD单片机为主要部件，光伏阵列参数测试开关K1、第一切换开关K2-1、第二切换开关K2-2、蓄电池参数测试开关的第一开关K3-1和第二开关K3-2采用场效应管且分别连接到微处理器模块的微控制(UPC)端口，见图中的P1～P5，从而可以按相关时序控制开关的工作状态。

如图3所示，本发明的实施例中，BOOST模块包括第一电感L1、第一二极管D1和第一电容C1，第一电感L1的一端接第一切换开关K2-1，另一端接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极与蓄电池的正极输入端相联接，第一电容C1的正极与蓄电池的正极输入端相联接，负极与蓄电池的负极输入端相联接，PWM控制模块I 31一端联接在第一电感L1和第一二极管D1的公共接点上，另一端与第一电容C1的负极相联；

BUCK模块包括第二电感L2、第二二极管D2和第二电容C2，第二电感L2的一端接第二切换开关K2-2，另一端与PWM控制模块II 32联接后，再与第二二极管D2的负极相联接，第二电容C2的正极与第二二极管D2的负极相联接，两者的公共接点接蓄电池的正极输入端；第二电容C2的负极与第二二极管D2的正极相联接，两者的公共接点接蓄电池的负极输入端。

另外，本发明提出的基于动态拓扑结构的光伏阵列最大能量收集方法，包括以下步骤：

1)通过微处理控制器模块的A/D转换通道实时采集光伏阵列的开路电压U_ADC0，闭合光伏阵列参数测试开关K1后，通过微处理器的A/D转换通道实时采集第一电阻R₁上的电压值U_ADC1，根据U_ADC1＝R₁/ERs×U_ADC0，得到光伏阵列的等效内阻为

利用断开/闭合蓄电池参数测试开关K3-1和K3-2，通过微处理控制器模块的A/D转换通道采集蓄电池的开路电压U_ADC2以及第二电阻R₂上的电压值U_ADC3，根据U_ADC3＝R₂/(R₂+Er)×U_ADC2，得到蓄电池的等效内阻为 $\mathrm{Er}\left(t\right)=\frac{U_{\mathrm{ADC}2}-U_{\mathrm{ADC}3}}{U_{\mathrm{ADC}3}}\×R_2;$

2)由以上测得的数值，通过以下公式得到最大充电电流

$I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}=\frac{-\mathrm{EE}+\sqrt{{\mathrm{EE}}^2+4\×\mathrm{Er}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}\×{(\mathrm{EU}/2)}^2/\mathrm{ERs}}}{2\×\mathrm{Er}},$

其中，EE＝U_ADC0，为光伏阵列的开路电压；EU＝U_ADC2，为蓄电池的开路电压，η_convers为能量变换模块的能量转换效率；

3)通过得到的最大充电电流

由以下公式得到变压比K(D)的大小；

$K\left(D\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}}{{2I}_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}}\×\frac{\mathrm{EU}}{\mathrm{ERs}},$

当K(D)＞1时，调节PWM使V_out＞V_in，即微处理器通过切换开关仅使BOOST拓扑结构电路与光伏阵列联接，实现升压变换，使光伏阵列输出电压小于蓄电池电压时，系统仍然能进行电荷收集，并实现充电电流最大化；当变压比K(D)在0到1之间的范围内时，调节PWM使V_out＜V_in，即微处理器通过切换开关仅使BUCK拓扑结构电路与光伏阵列联接，实现电压变换，降低各电阻上的损耗，提高电荷收集能力，实现充电电流最大化；

本方法在实施过程中，通过微处理器设定循环周期，重复步骤1)～3)，实现最大充电电流的动态跟踪。

本发明以光伏阵列和蓄电池的等效电压及内阻参数为输入变量，并考虑能量变换的物理实现条件，求解最优能量变换输出电压V_out，使得充电电流

最大，从而实现最大能量的收集。

关于充电电流

的最优化数学描述如下：

$I_{\mathrm{ch}\arg e}^{*\mathrm{itlg}}=\arg \max \left(I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}\right)=\arg \max ((V_{\mathrm{out}}-\mathrm{EE})/\mathrm{Er})---\left(2\right)$

约束条件：

P_pvcell＝P_batterys+P_c-loss                 (3)

其中，

$P_{\mathrm{batterys}}=V_{\mathrm{out}}\×I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}},$ $I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}=(V_{\mathrm{out}}-\mathrm{EE})/\mathrm{Er};$

P_c-loss＝P_c-in×(1-η_convers)，P_c-in＝V_in×I_c-in，

I_c-in＝(EU-V_in)/ERs；

该约束条件体现的是：蓄电池的充电功率P_batterys，能量变换的损耗P_c-loss(由效率η_convers确定)和光伏阵列提供功率P_pvcell应满足能量守恒。

根据(2)和(3)式，当V_in＝EU/2且P_pvcell有限时，易得出最大充电电流为，

$I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}=\frac{-\mathrm{EE}+\sqrt{{\mathrm{EE}}^2+4\×\mathrm{Er}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}\×{(\mathrm{EU}/2)}^2/\mathrm{ERs}}}{2\×\mathrm{Er}}---\left(4\right)$

与常见简单控制策略的充电电流式对比可知：

的大小不完全受限于光伏阵列和电池电压差，而是系统参数θ(＝{EU，ERs；EE，Er；η_convers})。

单凭系统参数θ(＝{EU，ERs；EE，Er；η_convers})，实现电荷收集的最大化过程是相当困难的。因此，引入隐含变量H＝{V_in，V_out}，即能量变换器的输入电压和输出电压。

根据电力电子技术中的基于脉宽调制(PWM)的BUCK/BOOST能量变换基本原理，输出电压V_out＝f(V_in，f，D；L)，即输入电压V_out、PWM占空比D，PWM频率f以及电感L确定了输出V_in的大小。通过改变占空比D，实现V_in和V_out的变换，并且近似满足，

V_out＝K(D)×V_in    (5)

其中，变压比K(D)由占空比D确定的常数。

又根据(4)式，

$V_{\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}\×P_{c-\mathrm{in}}}{I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}}---\left(6\right)$

那么，联立(5)和(6)式，所对应的PWM占空比满足下列等式，

$\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}\×{(\mathrm{EU}/2)}^2/\mathrm{ERs}}{I_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}}=K\left(D\right)\×(\mathrm{EU}/2)$

即：

$K\left(D\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{convers}}}{{2I}_{\mathrm{ch}\arg e}^{\mathrm{itlg}}}\×\frac{\mathrm{EU}}{\mathrm{ERs}}---\left(7\right)$

当变压比K(D)满足：(1)K(D)＞1时，有V_out＞V_in，BOOST(升压)拓扑结构实现变换；(2)0＜K(D)＜1时，V_out＜V_in，BUCK(降压)拓扑结构实现变换。

根据以上讨论得出如图2所示的基本的能量变换结构。

上述的电荷收集过程及结构分析，建立在系统参数θ(＝{EU，ERs；EE，Er；η_convers})为时不变(或静态)的基础上，失配条件的光伏阵列对蓄电池充电过程是时变(或动态)参数θ(t)系统，即θ随时间t改变。因此，需要实时更新参数θ(t)的取值，从而在本系统增加了如图2所示的通过单片机实现的动态智能追踪结构。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，设置在光伏阵列(1)与蓄电池(6)之间，用于实现光伏阵列(1)与蓄电池(6)之间的最大能量收集，其特征在于：所述装置包括BOOST/BUCK能量变换模块(2)、微处理控制器模块(3)、切换开关模块(4)、蓄电池参数测试开关(5)和光伏阵列参数测试开关(K1)；

所述BOOST/BUCK能量变换模块(2)包括BOOST模块(21)与BUCK模块(22)，所述BOOST模块(21)与BUCK模块(22)的输入端通过切换开关模块(4)分别与光伏阵列(1)的输出端口相联接，所述BOOST模块(21)与BUCK模块(22)的输出端通过蓄电池参数测试开关(5)与蓄电池(6)的输入端相联接；

所述微处理控制器模块(3)包括PWM控制模块I(31)和PWM控制模块II(32)，所述PWM控制模块I(31)和PWM控制模块II(32)分别接入BOOST模块(21)与BUCK模块(22)中，实现脉宽调制；

所述光伏阵列参数测试开关(K1)一端接光伏阵列的输出端口，另一端通过第一电阻(R1)接地；

所述蓄电池参数测试开关(5)包括第一开关(K3-1)和第二开关(K3-2)，第一开关(K3-1)的一端接BOOST/BUCK能量转换模块的输出端，另一端通过第二电阻(R2)接地，第二开关(K3-2)的一端接BOOST/BUCK能量转换模块的输出端，另一端与蓄电池(6)的输入端连接；

所述微处理控制器模块还包括4个模数转换通道ADC0～3，其中，所述ADC0通道与光伏阵列的输出端口连接，用于采集光伏阵列的开路电压，所述ADC1通道接在光伏阵列参数测试开关(K1)和第一电阻(R1)之间，用于采集光伏阵列的短路输出电流参数，所述ADC2通道接在蓄电池参数测试开关(5)的第二开关(K3-2)的输出端与蓄电池(6)的输入端之间，用于采集蓄电池(6) 的开路电压，所述ADC3通道接在蓄电池参数测试开关(5)的第一开关(K3-1)和第二电阻(R2)之间，用于采集蓄电池(6)的短路电流。

2.根据权利要求1所述的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，其特征在于：所述切换开关模块包括第一切换开关(K2-1)和第二切换开关(K2-2)，所述第一切换开关(K2-1)与BOOST模块相联接，所述第二切换开关(K2-2)与BUCK模块相联接。

3.根据权利要求2所述的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，其特征在于：所述BOOST模块包括第一电感(L1)、第一二极管(D1)和第一电容(C1)，所述第一电感(L1)的一端接第一切换开关(K2-1)，另一端接第一二极管(D1)的正极，所述第一二极管(D1)的负极与蓄电池的正极输入端相联接，所述第一电容(C1)的正极与蓄电池的正极输入端相联接，负极与蓄电池的负极输入端相联接，所述PWM控制模块I(31)所控制的开关(PWM1)的一端联接在第一电感(L1)和第一二极管(D1)的公共接点上，另一端与第一电容(C1)的负极相联；

所述BUCK模块包括第二电感(L2)、第二二极管(D2)和第二电容(C2)，所述第二电感(L2)的一端接第二切换开关(K2-2)，另一端与PWM控制模块II(32)所控制的开关(PWM2)联接后，再与第二二极管(D2)的负极相联接，所述第二电容(C2)的正极与第二二极管(D2)的负极相联接，两者的公共接点接蓄电池的正极输入端；所述第二电容(C2)的负极与第二二极管(D2)的正极相联接，两者的公共接点接蓄电池的负极输入端。

4.根据权利要求3所述的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，其特征在于：所述切换开关模块(4)、蓄电池参数测试开关(5)和光伏阵列参数测试开关(K1)均通过微处理控制器模块(3)进行控制。

5.根据权利要求4所述的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置，其特征在于：所述微处理控制器模块(3)采用STC12C5201AD单片机为主要部件，所述切换开关模块(4)、蓄电池参数测试开关(5)和光伏阵列参数测试开关(K1) 均采用场效应管。 

6.利用如权利要求1至5任一所述的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置进行光伏阵列最大能量收集的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过微处理控制器模块的A/D转换通道实时采集光伏阵列的开路电压U_ADC0，闭合光伏阵列参数测试开关后，通过微处理控制器模块的A/D转换通道实时采集第一电阻上的电压值U_ADC1，根据U_ADC1＝R₁/ERs×U_ADC0，得到光伏阵列的等效内阻为 

利用断开/闭合蓄电池参数测试开关，通过微处理控制器模块的A/D转换通道采集蓄电池的开路电压U_ADC2以及第二电阻上的电压值U_ADC3，根据U_ADC3＝R₂/(R₂+Er)×U_ADC2，得到蓄电池的等效内阻为 

R1为第一电阻；R2为第二电阻；

2)由以上测得的数值，通过以下公式得到最大充电电流

其中，EE＝U_ADC0，为光伏阵列的开路电压；EU＝U_ADC2，为蓄电池的开路电压，η_convers为能量变换模块的能量转换效率；

3)通过得到的最大充电电流 

由以下公式得到变压比K(D)的大小；

当K(D)＞1时，调节PWM使V_out＞V_in，即微处理控制器通过切换开关仅使BOOST拓扑结构电路与光伏阵列联接，实现升压变换，使光伏阵列输出电压小于蓄电池电压时，系统仍然能进行电荷收集，并实现充电电流最大化；当K(D)在0到1之间的范围内变化时，调节PWM使V_out＜V_in，即微处理控制器通过切换开关仅使BUCK拓扑结构电路与光伏阵列联接，实现电压变换，降低各电阻上的损耗，提高电荷收集能力，实现充电电流最大化。

7.如权利要求6所述的基于动态拓扑结构的光伏最大能量收集装置进行光 伏阵列最大能量收集的方法，其特征在于：通过微处理控制器设定循环周期，重复步骤1)～3)，实现最大充电电流的动态跟踪。 

Images