CN101902065A

CN101902065A - 复合电源多级电压输出装置及多电源选择控制方法

Info

Publication number: CN101902065A
Application number: CN2010102270007A
Authority: CN
Inventors: 陈明; 卜涛; 冯国富; 孔祥红; 朱文婷; 王明
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University; Shanghai Ocean University
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2010-12-01

Abstract

本发明综合太阳能光伏电池、交流市电和锂电池组三类电源复合循环供电，以太阳能最大功率点跟踪理论为基础设计多路电源的控制算法，建立推理规则集，使用微处理器模块进行电源选择的智能控制，结合智能充电芯片对锂电池组进行自动充电管理，在装置输出端并行连接多路不同类别DC-DC线性稳压模块，提供四级电压多路输出。本系统专为室内外等不同环境下的各种低压设备的实际需要进行设计，提供长时间安全稳定的能量输出，安全环保、高效可靠、方便耐用，解决了多路电源共同使用时能量利用最优化这一难题。

Description

复合电源多级电压输出装置及多电源选择控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于综合太阳能光伏电池、交流市电和锂电池组供电的复合电源多级电压输出装置，为手提设备和野外无线监控设备长时间供电。

背景技术

太阳能光伏发电技术的成熟和成规模化的商业推广使用为本设计的研究奠定了基础。目前，野外无线测控等设备主要使用锂蓄电池供电，其存储的电量有限，持续使用时间短并且充电方式主要通过人工拆卸，使用220V交流市电充电器，特别体现在野外设备的使用时便显得极其不便，增加了工作复杂度并浪费人力资源。本设计能够解决太阳能供电电压的不稳定性，使用太阳能最大功率点跟踪方法提供太阳能电池功率的最大输出，并且与交流市电、锂电池组相结合，实现了长时间全天候多环境下为低压负载设备提供稳定的电压，输出电压种类基本满足了当前低压直流设备的不同需求。

发明内容

本设计的目的在于为低压手提和野外无线监控设备提供一种使用复合电源包括太阳能光伏电池、交流市电和锂电池组进行供电的多级电压输出的电源装置，增强了太阳能光伏供电设备的电压稳定性，完成了锂电池组的充放电自动控制，解决了为多梯次电压负载设备提供稳定电量并对电源选择控制设备进行实时自动控制的难题。

为了实现以上目的，本项设计提供了的一种使用太阳能光伏电池、交流市电和锂电池组进行供电的复合电源多级电压输出电源装置和多电源选择控制方法，其特征在于通过ADC0809模数转换模块采集太阳能电压和交流市电电压数据后，根据优先级设置方法所建立的模糊判断规则集对数据进行处理，微处理器可向转换控制开关发送控制指令从而实现对三种供电电源的自动选择和跟踪锂电池状况并对其实现实时充电功能；同时电源电压经过DC-DC线性稳压模块系列后对负载设备提供12V、9V、5V和3.3V安全稳定的电压量输出。

本发明的有益效果为：本设计在太阳能光伏供电技术基础上融合交流市电和锂电池组作为系统设备的附加电源装置，通过微处理器进行信号采集和控制，是一种以新型绿色能源为主体，专为野外无线检测设备和低压手提设备设计的电源装置。本设计能够自动跟踪太阳能电池电压，并进行反馈，保证太阳能光伏电量输出时，其功率在最大功率点附近，同时在太阳能光伏电池电量信号低下时能够自动选择使用交流市电或锂电池组供电，并且可以实时通过外加电源对锂电池进行充电，保证电量充足；电源电压通过DC-DC线性稳压模块系列后，提供的电压波形稳定，最大误差控制在1％左右。本设计使用三种供电电源复合为手提低压设备和野外无线监控设备提供了极其充足的能量来源，极大地延长了无人情况下负载设备的工作时长，节省了巨大的人力和物力资源，并为绿色能源的使用及推广做出了一定贡献。

附图说明

图1为本发明的组成模块示意图。

图2、图3、图4、图5为本发明的硬件设计示意图。

图6为本发明的系统软件总流程图

具体实施方式

以下结合附图及实例对本发明作进一步描述。

复合电源多级电压输出装置，在温度为25℃的条件下，选取最大功率为15W的太阳能电池和4节3.7V2000mAh的锂电池串联成的电池组作说明，其组成模块示意图如图1所示，主要有太阳能电池模块、交流市电模块、锂电池组模块、ATMEL89C51微处理器模块、ADC0809模数信号采集模块、多级电源选择模块和四级电压多路输出模块。其中太阳能电池模块包括太阳能电池和直流稳压电路；交流市电模块包括交流电接口、变压整流电路和直流稳压电路；锂电池模块包括一个锂电池组和由充电芯片组成的充电电路；多电源选择模块分为一级和二级电源选择电路，受微处理器模块控制。

图2为微处理器模块和信号采集模块的电路部分。其中，ADC0809的IN1口的接口⑧和IN2口的接口⑥分别采集太阳能电池和交流市电的电压情况，将电压信号转为数字信号传入微处理器；同时，单线数字温度传感器DS18B20也将数字温度量传入微处理器，微处理器通过与ADC0809和DS18B20的通讯连接获取所需数据。微处理器的I/O口P1.1、P1.0控制一级和二级多电源选择模块，而P1.2通信智能充电芯片部分。单片机和ADC0809由接口①处锂电池组通过AMS1117-5输出的5V电压供电，且当系统电量不足时，通过LED灯熄灭来进行报警工作。

图3为太阳能电池模块、交流电模块和一级多电源选择模块的电路部分。交流市电经过220V/18V变压器、桥式电路输出的18V电压通过接口⑥被ADC0809采集，再经过由LM2576-15组成的线性稳压电路后输出稳定15V电压；太阳能电池通过接口⑧被ADC0809采集，再经过由LM2576-15组成的线性稳压电路后输出稳定15V电压。两路电压输出通过9013三极管和15V继电器组成的一级多电源选择电路选通，该电路由接口⑦连接单片机进行控制，常闭口选通太阳能电池，上电启动后选通交流电且由市电电源提供工作电量。

图4为二级多电源选择电路和四级电压多路输出模块电路。其中接口④连接锂电池组，后通过AMS1117-5为单片机与ADC0809等器件提供5V电。二级多电源选择电路器件组成与一级相同，由接口②连接单片机进行控制，常闭口选通锂电池组，上电启动后选通一级多电源选择模块选通的输出电源且由以上电源提供工作电量。后续电路通过由LM2576-12、LM7809、AMS1117-5和AMS1117-3.3线性稳压芯片组成的四级电压多路输出模块电路后，输出稳定的12V、9V、5V、3.3V电压。

图5所示锂电池模块，其主要根据智能充电芯片MAX1924和锂电池组为主建立充电电路，接口③为充电电压输入端。该芯片为锂电池智能充电芯片，最多可同时充电四节锂电池，在锂电池过放电情况下可进行具有保护功能的涓流充电，并根据当前电池电量选择是否充电，使用接口⑤与单片机通信，接收使能控制信号。

图6为系统程序流程图。本系统程序基于多电源选择控制方法设计，算法中将交流电、太阳能电池和锂电池电源由高至低分为三个等级，如程序流程图中所示，首先判断交流市电电压是否高，电压高则表示交流市电接入设备，使用其供电并使能充电芯片，否则进入下一流程；其次判断太阳能电池电压情况，由于太阳能电池输出电量随太阳光照强度变化而变化，当光照强度弱如阴雨天，太阳能电池的电量输出并不能为负载提供足够功率，本发明使用基于模糊聚类理论的太阳能最大功率点跟踪控制方法选通太阳能电池的最大功率输出，该方法采用一定的控制算法预测当前条件下可能的最大功率输出，是一种需要进行大量前期基础实验的自动寻优过程，通过选取功率对电压的变化量E(k)和变化率的变化量ΔE(k)作为系统的输入变量：

ΔE(k)＝E(k)-E(k-1)，将目标数据集

根据最小二次方公式进行最小隶属度函数划分，然后利用模糊计算技术，采用三角形隶属函数，对计算得到的最小隶属度进行模糊计算，得出将太阳能输出电压划分为包含5个非线性状态元素的模糊控制子集(如下表所示，T＝25℃)

表1、太阳能输出电压模糊控制集合

J_m	太阳能电压数据	状态数值X表示	功率状态模糊语言描述
				(0，1]	(0，7)V	0	无功率输出
(1，2]	(5.5，11.5)V	1	输出功率极低
				(2，3]	(11，15.8)V	2	输出功率较低
(3，4]	(15.5，18.5)V	3	输出功率良好
				(4，+∞)	(18.4，20.2)V	4	输出功率最大

又由实验得知太阳能电池最大功率点及该点电压随温度的降低而升高，则在此基础上根据相似性聚类建立IF…THEN…的控制规则集，如下所示

IF T小于25℃AND X属于区间[0，2]时，THEN判断太阳能输出功率低下，电量不足；

IF T小于25℃AND X属于区间[3，4]时，THEN判断太阳能输出功率良好，电量充足；

IF T大于25℃AND X属于区间[0，3]时，THEN判断太阳能输出功率低下，电量不足；

IF T大于25℃AND X＝4时，THEN判断太阳能输出功率良好，电量充足；

根据上述规则集所示，当太阳能电池功率输出复合要求时，使用其供电并使能充电芯片，否则进入下一流程，使用锂电池组供电并关闭充电芯片。

本发明装置采用的主要技术如下：

1.嵌入式技术

对于系统整个装置的设计，是基于嵌入式技术进行的。嵌入式的优点是可处理大量采集信号，处理速度快，实时性好，主控制器采用ATMEL89C51，51单片机以测控为其专长，通过嵌入整个系统模块，运用自身的布尔处理功能(布尔变量也即开关变量，它是以位(bit)为单位进行操作的)来达到智能控制的效果，定时器可以实现对温度和光电信号采集时间定时功能，当定时时间到时伴随其强大的中断功能触发系统采集传感器信号或者控制继电选择开关。

2.多电源选择控制方法

多电源选择控制方法将交流市电、太阳能电池和锂电池电源由高至低设定功能优先级，根据具体电压采集情况选择供电电源，其中太阳能电池的输出功率检测使用最大功率点跟踪控制(MPPT)策略，首先预测各种电压条件下太阳能电池的最大功率输出，随后将采集的太阳能电池电压代入预测机制判断，以满足最大功率输出的要求。此算法是一个自动寻优过程，即通过检测三类电源的接入与功率输出情况，使设备在各种不同条件下进行功率最优化输出。本发明中，为简化计算复杂度，提高系统效率，以基于模糊聚类MPPT方法为基础，集合复合电源的分级机制，建立模糊规则集，设计多电源选择控制方法，实现精确控制。

Claims

1.复合电源多级输出装置，其特征在于该装置综合太阳能光伏电池、交流市电和锂电池组三类电源复合循环供电，依据多路电源的控制算法，使用ATMEL89S51进行电源选择的智能控制，结合智能充电芯片对锂电池组进行自动充电管理，提供四级电压多路输出。

2.复合电源多级输出装置，其特征在于使用单片机两个I/O口分别控制串联继电器开关组的选通达到三类电源智能选择的目的，即：单片机I/O口外接三极管和继电器的硬件电路部分及其串行连接方式。

3.复合电源多级输出装置，其特征在于能够同时提供3.3V、5V、9V和12V四级电压多路输出，即：在系统硬件的输出端分接DC-DC线性稳压芯片AMS1117-3.3、LM2576-5、LM7809和LM2576-12，产生多级电压输出的硬件电路连接部分。

4.复合电源多级输出装置，其特征在于设计的将交流市电、太阳能电池和锂电池电源由高至低设定功能优先级、根据具体电压采集情况选择供电电源的以结合模糊聚类理论的太阳能最大功率点跟踪策略为基础的多电源选择控制方法，即：三类电源的优先级设置方式、推理演算出的算法控制规则集及其相应的系统程序设计。