CN101997446A - 用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器 - Google Patents

用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器，包括相互电连接的采样电路、光控检测电路、温度检测电路、电压比较电路、充电控制电路、充电限流保护电路、负载控制电路，负载过载或短路检测电路、多功能开关转换电路、防反接保护电路、状态指示电路、MCU控制电路。具有智能控制、自我智能学习功能，能自动识别使用场所的季节气侯等气象参数，人性化控制控制器的输出；通过控制电路使蓄电池接反时不构成回路，不会烧坏保险丝和损坏控制器内任何部件；控制器中反向隔离器件采用MOS管取代原整流二极管，使充电电路损耗不到传统控制器充电电路损耗的三分之一，本发明发热量小、降低整体的功率损失、有效延长了控制器的使用寿命。

Description

用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器
技术领域
本发明涉及电源控制器，尤其是一种用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器。
背景技术
太阳能电池一般包括太阳能电池板、蓄电池和控制器，目前，现有用于太阳能电池的控制器往往存在如下缺点：1、功能单一，只有简单的过充过放保护功能，部分带有简单的定时功能，不能自动识别环境；2、控制器在蓄电池充满电后，通过对太阳能电池板实施短路以达到过充保护的功能，这样会造成太阳能电池板阵列结温过高，损坏太阳能电池板；3、控制器防反接保护是在蓄电池反接时构成短路，通过熔断保险丝进行保护，这样带来需要更换保险丝的麻烦；4、控制器的充电回路均是简单采用肖特基二极管作为反向隔离器件，其正向压降有0.6V左右，这样一个12A控制器的充电损耗最少也有12*0.6＝7.2W，故其电路损耗大，发热量大，严重缩短了控制器的使用寿命。
发明内容
针对以上现有太阳能电池控制器的不足，本发明的目的是提供一种具有人工智能、自识别环境、自我智能学习功能，高效率，低成本，使用寿命更长的新型人工智能自识别环境太阳能电池多功能控制器。
本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的：
用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器，所述控制器包括相互电连接的电池防反接保护电路、蓄电池电压采样电路、光控检测电路、温度检测电路、太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路、太阳能电池板对蓄电池充电控制电路、充电限流保护电路、负载控制电路、负载过载或短路检测电路、多功能开关转换电路、状态指示电路、MCU控制电路；
构成所述各电路的器件之间的连接关系如下：
电池防反接保护电路：蓄电池正极(BAT+)经二极管D2后，再经电容C4和C6虑波后向IC U2供电，再由U2向IC U1供电，使整个控制器正常工作；当电池接反时，二极管D2反向截止，不会导通，IC U2无电压不会工作，使整个控制器不会工作，此时蓄电池不构成任何回路；
蓄电池电压采样电路：由相互电连接的电阻R58、R7、R8与电容C9、二极管D3组成；
光控检测电路：由相互电连接的电阻R9、R10、R11、R12与三极管Q4、稳压管ZD2组成；
温度检测电路：由相互电连接的热敏电阻NTC1、电阻R38和电容C13组成；
太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路：包括相互电连接的运放U5-D和U5-A及周边相关电阻、电容；
太阳能电池板对蓄电池充电控制电路：包括相互电连接的MOS管Q1、Q19及周边相关电阻、电容；
充电限流保护电路：包括相互电连接的运放U5-B和U5-C及周边相关电阻、电容；
负载控制电路：包括相互电连接的MOS管Q5、Q16及周边相关电阻、电容；
负载过载或短路检测电路：包括相互电连接的运放U4-A及周边相关电阻、电容；
多功能开关转换电路：包括相互电连接的8421编码旋转开关SW4及周边相关电阻、电容；
状态指示电路：包括相互电连接的发光二极管LED1、LED2、LED3及周边相关电阻、电容；
MCU控制电路：包括相互电连接的IC U1、晶振Y1及周边相关电阻、电容。
作为本发明的优选技术方案，所述MCU控制电路中的IC U1中固化有专用软件程序，通过专用软件程序和所述控制器电路相结合的方法，实现智能控制和多种功能选择，具有自我智能学习功能，能够自动识别使用场合的季节气侯等气象参数，从而控制控制器的输出。
作为本发明的优选技术方案，所述控制器通过太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路和太阳能电池板对蓄电池充电控制电路，检测太阳能板的电压和检测蓄电池充电速率，再通过MCU控制电路计算出白天的时长，判断当天天气是晴天、阴天或雨天，同时与前三天记录的数据进行比较校正，然后根据一天等于24小时，计算出当天夜晚的时长，从而实现精确控制。
作为本发明的优选技术方案，所述控制器中负载控制电路采用MOS管作为反向隔离器件，当蓄电池电压比太阳能电池板的电压高时，整流二极管反向载止，从而起到了防止蓄电池对太阳能电池板反向充电，当蓄电池电压比太阳能电池板的电压低时，整流二极管正向导通，此时太阳能电池板对蓄电池充电。
相对于现有技术，本发明采用上述技术方案后，具有以下有益效果：
1、本发明通过硬件、软件的相结合的方法，可以实现10种功能选择，最大限度发挥太阳能控制器的功能，提高产品利用率；利用微电脑智能控制和自我智能学习功能，能够自动识别使用场合的季节气侯等气象参数，从而人性化控制控制器的输出；
2、利用微电脑智能控制技术，采用最大电池板功率跟踪(MPPT)技术和脉宽调制(PWM)充电控制技术以及计算机充电状态(SOC)控制与先进的电池管理技术，提高太阳能利用率的同时有效提高蓄电池使用寿命，并有效避免太阳能电池板产生热斑效应；
3、通过控制电路使蓄电池接反时不能构成回路，不会烧坏保险丝和损坏控制器内任何部件；
4、在控制器中采用MOS管取代原整流二极管作为反向隔离器件，降低充电电路损耗，使实际损耗不到传统控制器充电电路损耗的三分之一，其发热量减小、降低整体的功率损失、有效延长控制器的使用寿命。
附图说明
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明的电路原理示意图；
图2是本发明的电路示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器，包括电池防反接保护电路、蓄电池电压采样电路、光控检测电路、温度检测电路、太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路、太阳能电池板对蓄电池充电控制电路、充电限流保护电路、负载控制电路，负载过载或短路检测电路、多功能开关转换电路、状态指示电路、MCU控制电路。构成所述各电路的器件之间的连接关系如下：
电池防反接保护电路：蓄电池正极(BAT+)经二极管D2后，再经电容C4和C6虑波后向IC U2供电，再由U2向IC U1供电，使整个控制器正常工作；当电池接反时，二极管D2反向截止，不会导通，IC U2无电压不会工作，使整个控制器不会工作，此时蓄电池不构成任何回路；
蓄电池电压采样电路：由相互电连接的电阻R58、R7、R8与电容C9、二极管D3组成；
光控检测电路：由相互电连接的电阻R9、R10、R11、R12与三极管Q4、稳压管ZD2组成；
温度检测电路：由相互电连接的热敏电阻NTC1、电阻R38和电容C13组成；
太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路：包括相互电连接的运放U5-D和U5-A及周边相关电阻、电容；
太阳能电池板对蓄电池充电控制电路：包括相互电连接的MOS管Q1、Q19及周边相关电阻、电容；
充电限流保护电路：包括相互电连接的运放U5-B和U5-C及周边相关电阻、电容；
负载控制电路：包括相互电连接的MOS管Q5、Q16及周边相关电阻、电容；
负载过载或短路检测电路：包括相互电连接的运放U4-A及周边相关电阻、电容；
多功能开关转换电路：包括相互电连接的8421编码旋转开关SW4及周边相关电阻、电容；
状态指示电路：包括相互电连接的发光二极管LED1、LED2、LED3及周边相关电阻、电容；
MCU控制电路：包括相互电连接的IC U1、晶振Y1及周边相关电阻、电容。
本发明将开关电源中的同步整流技术应用于控制器中作为反向隔离器件，使其充电电路损耗只有传统控制器充电电路损耗的三分之一，具体如下：大功率整流二极管导通压降一般是0.6V以上，一个12A的控制器充电时，在整流二极管上的损耗为12A*0.6V＝7.2W。本发明控制器充电回路中，采用的是由太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路产生一个控制信号去控制MOS管Q19的导通与截止，当蓄电池电压比太阳能电池板的电压高时MOS管Q19载止，从而起到了防止蓄电池对太阳能电池板反向充电的目的。当蓄电池电压比太阳能电池板的电压低时MOS管Q19导通，此时太阳能电池板对蓄电池充电，常用的MOS管IRF3205其正向导通内阻为0.008欧母，则一个12A的控制器充电时，在这个MOS管上的损耗为12*12*0.008＝1.152W。由上述可知，采用以上电路其充电电路的损耗相对现有控制器损耗1.152/7.2＝0.16，使得其充电电路损耗不到传统控制器充电电路损耗的三分之一，故发热量小、降低整体的功率损失、有效延长控制器的使用寿命。
本发明通过MCU安装的软件使其具有智能学习功能，控制器只需自我学习三天，从第四天工始就能自动识别使用场所的季节气侯等气象参数，从而人性化控制控制器的输出。
本发明的工作原理如下：
电池防反接保护电路：蓄电池经防反接二极管D2给稳压IC U2供电，再由U2向IC U1供电，故整个控制器会正常工作。当蓄电池接反时，因防反接二极管D2反向截止，不会导通，故IC U2无电压，不会工作，故整个控制器都不会工作，此时蓄电池没有构成回路，所以不会烧保险丝或损坏控制器任何元件，起到真正的防反接作用。
蓄电池电压采样电路：由电阻R58、R7、R8电容C9、二极管D3组成。蓄电池电压经防反接二极管D2后，再由电阻R58、R7、R8分压取样后送入单片机(MCU)IC U1的P1.2脚，单片机通过对此脚进行采样分析，12V/24V系统自动智能识别，当该脚电压大于2V时判断为24V系统，小于2V时判断为12V系统，然后根据不同系统要求自动对充放电电压进行控制。
光控检测电路：由电阻R9、R10、R11、R12，三极管Q4，稳压管ZD2组成。当太阳能电池两端有电压时Q4导通，电压经电阻R12、R9、稳压管ZD2后送入单片机IC U1的P1.3脚，以此判断出太阳能电池两端的实际电压。
温度检测电路：由热敏电阻NTC1，电阻R38，电容C13组成。利用热敏电阻在不同温度下的电阻不同的特点进行温度补偿，当温度越高时NTC1阻值越小，单片机IC U1的P1.7脚的电压就越高。以此对环境温度进行判断，并进行相应的温度补偿。
太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路：由运放U5-D和U5-A及周边相关电阻电容等元件组成。太阳能电池板电压与蓄电池电压经由运放U5-D及其周边元件组成的差动放大电路放大后，再与由运放U5-A及周边相关元件组成的比较电路进行比较。当判断出太阳能电池板电压比蓄电池电压高时开通MOS管Q19，允许太阳能电池板向蓄电池充电，当判断出太阳能电池板电压比蓄电池电压低时关断MOS管Q19，此时太阳能电池板无法向蓄电池充电。传统的控制器均是采用在充电回路中串联二极管作为反向隔离器件，其正向压降有0.6V左右，这样一个12A的控制器的充电损耗最少也有12*0.6＝7.2W，故其电路电路损耗大，发热量大，严重缩短了控制器的使用寿命。本发明既起到防止夜晚蓄电池向太阳能电池板反向充电的目的，又解决了白天太阳能电池板向蓄电池充电时内部损耗过大的问题。
太阳能电池板对蓄电池充电控制电路：由MOS管Q1、Q19及周边相关电阻、电容等元件组成。当MOS管Q19导通时，单片机根据P1.2脚采样到的电压进行相关判断，通过P3.7脚控制MOS管Q1脚的工作状态，使蓄电池在不同的充电阶段得到相应的控制。
充电限流保护电路：由运放U5-B和U5-C及周边相关电阻、电容等元件组成。当充电电流超过额定值时，采样信号经过由运放U5-C及周边相关元件组成的放大电路放大后，再到运放U5-B与额定值进行比较，以控制充电回路中的MOS管Q19的通断。
负载控制电路：由MOS管Q5、Q16及周边相关电阻、电容等元件组成。单片机IC U1的P3.5脚根据不同状态要求对MOS管Q5、Q16进行通断控制。
负载过载或短路检测电路：由运放U4-A及周边相关电阻、电容等元件组成。采样信号经过由运放U4-A及周边相关元件组成的放大电路放大后再经单片机I CU1的P1.4脚送入单片机内部进行相关计算与相应处理。
多功能开关转换电路：由8421编码旋转开关SW4及周边相关电阻、电容等元件组成。各档位分别对应的功能为：
0：只有充电功能，负载无输出功能；
1：光控+定时输出2小时；
2：光控+定时输出4小时；
3：光控+定时输出6小时；
4：光控+定时输出8小时；
5：光控+定时输出10小时；
6：光控+定时输出3小时，中间停止，天快亮时再开始定时输出1小时，
7：光控+定时输出4小时；中间停止，天快亮时再开始定时输出2小时，
8：光控+定时输出6小时，中间停止，天快亮时再开始定时输出2小时，
9：无光控，无定时功能，负载一直有输出，
状态指示电路：由发光二极管LED1、LED2、LED3及周边相关电阻、电容等元件组成。
LED1：灯亮时表示为白天，灯灭时为夜晚；
LED2：负载有输出时灯亮，负载无输出时灯灭；
LED3：当蓄电池完全充满电，闪绿光；
当蓄电池容量有80％以上，使其长亮发绿光；
当蓄电池容量偏低，使其长亮发(绿光+红光)黄光；
当蓄电池损坏时，使其长亮发红光；
当负载过载或短路时使其闪红光；
MCU控制电路：由IC U1，晶振Y1及周边相关电阻、电容等元件组成，是整个控制器的核心。根据不同工作档位，单片机只需自我学习三天，从第四天工始就能准确自动识别使用场合的季节气侯等气象参数，从而人性化控制控制器的输出。
本发明通过采用电池板功率跟踪技术和PWM充电控制技术以及先进的电池管理技术；能够最大限度提高太阳能利用率，同时又能有效提高蓄电池使用寿命，并有效避免太阳能电池板产生热斑效应；使用时用户无需事先设置，只要直接装上即可使用，完全达到傻瓜式操作。

Claims (4)

1.一种用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器，其特征是：所述控制器包括相互电连接的电池防反接保护电路、蓄电池电压采样电路、光控检测电路、温度检测电路、太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路、太阳能电池板对蓄电池充电控制电路、充电限流保护电路、负载控制电路、负载过载或短路检测电路、多功能开关转换电路、状态指示电路、MCU控制电路；
构成所述各电路的器件之间的连接关系如下：
电池防反接保护电路：蓄电池正极(BAT+)经二极管D2后，再经电容C4和C6虑波后向IC U2供电，再由U2向IC U1供电，使整个控制器正常工作；当电池接反时，二极管D2反向截止，不会导通，IC U2无电压不会工作，使整个控制器不会工作，此时蓄电池不构成任何回路；
蓄电池电压采样电路：由相互电连接的电阻R58、R7、R8与电容C9、二极管D3组成；
光控检测电路：由相互电连接的电阻R9、R10、R11、R12与三极管Q4、稳压管ZD2组成；
温度检测电路：由相互电连接的热敏电阻NTC1、电阻R38和电容C13组成；
太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路：包括相互电连接的运放U5-D和U5-A及周边相关电阻、电容；
太阳能电池板对蓄电池充电控制电路：包括相互电连接的MOS管Q1、Q19及周边相关电阻、电容；
充电限流保护电路：包括相互电连接的运放U5-B和U5-C及周边相关电阻、电容；
负载控制电路：包括相互电连接的MOS管Q5、Q16及周边相关电阻、电容；
负载过载或短路检测电路：包括相互电连接的运放U4-A及周边相关电阻、电容；
多功能开关转换电路：包括相互电连接的8421编码旋转开关SW4及周边相关电阻、电容；
状态指示电路：包括相互电连接的发光二极管LED1、LED2、LED3及周边相关电阻、电容；
MCU控制电路：包括相互电连接的IC U1、晶振Y1及周边相关电阻、电容。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器，其特征是：所述MCU控制电路中的IC U1中固化有专用软件程序，通过专用软件程序和所述控制器电路相结合的方法，实现智能控制和多种功能选择，具有自我智能学习功能，能够自动识别使用场合的季节气侯等气象参数，从而控制控制器的输出。
3.根据权利要求1或2所述的用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器，其特征是：所述控制器通过太阳能电池板电压与蓄电池电压比较电路和太阳能电池板对蓄电池充电控制电路，检测太阳能板的电压和检测蓄电池充电速率，再通过MCU控制电路计算出白天的时长，判断当天天气是晴天、阴天或雨天，同时与前三天记录的数据进行比较校正，然后根据一天等于24小时，计算出当天夜晚的时长，从而实现精确控制。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的人工智能自识别环境多功能控制器，其特征是：所述控制器中负载控制电路采用MOS管作为反向隔离器件，当蓄电池电压比太阳能电池板的电压高时，整流二极管反向载止，从而起到了防止蓄电池对太阳能电池板反向充电，当蓄电池电压比太阳能电池板的电压低时，整流二极管正向导通，此时太阳能电池板对蓄电池充电。
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