CN102013710A - 具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置及方法。主要是解决现有技术中太阳能充电装置所存在的在阴雨天以及晴天早晨和傍晚阳光照度较低的情况下无法实现充电，不能及时均衡蓄电池组电压容量和容量差异的技术问题。其包括太阳能电池组、由多个蓄电池串联而成的蓄电池组、DC/DC变换器、蓄电池切换装置、太阳能电池组电压电流检测电路、蓄电池电压电流检测电路，本发明通过蓄电池切换装置可以选择蓄电池组中的蓄电池进行充电，使得太阳能电池组不受蓄电池组负载的限制，蓄电池组在阴雨天以及晴天早晨和傍晚阳光照度较低的情况下也能进行充电，提高了太阳能充电装置的电力续航时间和充电效率。

Description

具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置及方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能充电装置，尤其是涉及一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置及方法。

背景技术

随着倡导低碳节能观念的深入和光伏技术的快速发展，太阳能的照明灯具、信号灯以及其他的一些电子设备被广泛利用。但是，太阳能独立供电系统在使用中受限制性比较大，主要有以下两点：

其一，太阳能独立供电系统的电力续航时间长短取决于光照的强度和充足性。而正是此项因素在很大程度上制约了光伏技术应用的推广。据统计，一年平均的晴天数有200天左右，其余的为阴天和雨天。并且晴天光照充足的时间集中在上午10点至下午2点左右，在此时间段内太阳能电池才能工作在最大输出电压附近，不受蓄电池负载的限制。而在阴雨天以及晴天早晨和傍晚阳光照度较低的情况下，太阳能电池输出电压低受限于蓄电池负载，往往无法实现对蓄电池负载充电。

其二，太阳能独立供电的典型系统如额定电压为24V的太阳能LED路灯，要求它的功率在50W左右，电力续航时间连续抗阴雨至少7天，这就需要2节85Ah的铅酸电池串联。上述系统若采用其他二次电池如锂电池（单节4.2V）等就需要更多节电池串联组成。电池组串联使用过一段时间后，由于电池组内各电池内阻的变化以及老化程度的不同，从而导致电量亏损、电压容量产生差异。如果不能够及时均衡电压和容量差异，情况会愈演愈烈，将严重影响电池组的使用寿命。

如公开号为CN101662159A，名称为太阳能充电装置与方法的发明专利申请，其包括太阳能充电模块、控制模块及第一连接界面。太阳能充电模块用以转换光能为电能而产生充电电源；控制模块耦接太阳能充电模块；第一连接界面一端耦接控制模块，另一端可拆卸地耦接电力储存模块，用以传送经过控制模块的充电电源至电力存储模块。但该太阳能充电装置就存在上述的缺点，在阴雨天以及晴天早晨和傍晚阳光照度较低的情况下无法实现充电，且不能及时均衡蓄电池组电压容量和容量差异，影响蓄电池使用寿命。

因此，解决太阳光低照度条件下，有效实现为蓄电池充电，提高太阳能独立供电系统的续航时间，并能够消除电池组内各电池间的电压容量差异，其意义非常重大。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中太阳能充电装置所存在的在阴雨天以及晴天早晨和傍晚阳光照度较低的情况下无法实现充电，不能及时均衡蓄电池组电压容量和容量差异的技术问题，提供了一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置。

本发明另一个发明目的是提供了一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置，包括太阳能电池组和由多个蓄电池串联而成的蓄电池组，太阳能电池组通过DC/DC变换器与蓄电池组相连，在DC/DC变换器和蓄电池组之间还连接有蓄电池切换装置，在太阳能电池组上连接有太阳能电池组电压电流检测电路，在蓄电池电池组上连接有蓄电池电压电流检测电路，所述太阳能电池组电压电流检测电路和蓄电池电压电流检测电路分别连接到一智能控制器上，所述智能控制器连接到DC/DC变换器和蓄电池切换装置上。

本发明通过蓄电池切换装置可以选择蓄电池组中的蓄电池进行充电，使得太阳能电池组不受蓄电池组负载的限制，蓄电池组在阴雨天以及晴天早晨和傍晚阳光照度较低的情况下也能进行充电，提高了太阳能充电装置的电力续航时间和充电效率。另外，通过蓄电池切换装置可以精确控制蓄电池组中蓄电池进行充电，能够消除蓄电池组内个蓄电池之间的电源容量差异，大大延长了蓄电池组的使用寿命。

太阳能电池组，由两块或两块以上的太阳能电池串联连接组成，其作用是将太阳能转换成电能。

太阳能电池组电压电流检测电路，对太阳能电池组的输出电压值进行检测，并将检测到的信息反馈给智能控制器。

蓄电池电压电流检测电路，对蓄电池组的电压值进行检测，还能对蓄电池组内各蓄电池的电压进行检测，并将检测到的信息反馈给智能控制器。

智能控制器：控制太阳能电池组电压电流检测电路和蓄电池电压电流检测电路工作，根据太阳能电池电压电流检测电路和蓄电池电压电流检测电路反馈回来的信息而决定开始蓄电池组充电模式或选中蓄电池充电模式。根据相应的充电模式，智能控制器控制DC/DC变换器的输出电压值，使之等于蓄电池组或被选中蓄电池的满充电压值。

作为一种优选方案，所述蓄电池切换装置包括正极切换装置和负极切换装置，所述正极切换装置由一系列受控开关元件S1~Sn连接而成，其中n与蓄电池的数量相等，蓄电池组由蓄电池B1~Bn串联而成，所述受控开关元件S1~Sn的输出端依次连接到相应的蓄电池B1~Bn的正极，受控开关元件S1~Sn的输入端分别连接到DC/DC变换器的输出端正极，所述负极切换装置由一系列受控开关元件Sn+1~S2n连接而成，其中n与蓄电池的数量相等，所述受控开关元件Sn+1~S2n的输出端依次连接到相应的蓄电池B1~Bn的负极，受控开关元件Sn+1~S2n的输入端分别连接到DC/DC变换器的输出端负极。每个蓄电池的正极和负极对应连接有一个受控开关元件，即蓄电池Bn的正极连接有受控开关元件Sn，负极连接有受控开关元件S2n。智能控制器控制受控开关元件的开闭，就可以选择其中一个或个蓄电池导通进行充电。

一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电方法，其包括以下步骤：

a. 太阳能电池组电压电流检测电路对太阳能电池组的输出电压值进行检测，并将检测到的信息反馈给智能控制器，蓄电池电压电流检测电路对蓄电池组的电压值进行检测，并将检测到的信息反馈给智能控制器；

b. 智能控制器将太阳能电池电压电流检测电路反馈回来的电压值与蓄电池电压电流检测电路反馈回来的蓄电池组电压值进行比较，当太阳能电池组的电压高于蓄电池组的电压时，则开始蓄电池组充电模式，反之，则开始选中蓄电池充电模式，根据相应的充电模式，智能控制器控制DC/DC变换器的输出电压值，使之等于蓄电池组或被选中蓄电池的满充电压值；

c. 当进入选中蓄电池充电模式时，智能控制器通过蓄电池电压电流检测电路对蓄电池组内各蓄电池的电压值进行检测，根据蓄电池电压电流检测电路反馈的信息判断是否存在电压不均衡的情况，若蓄电池组内各蓄电池间存在电压差异，智能控制器按照蓄电池电压由低到高的优先顺序，依次给各蓄电池进行充电，直至消除电压差异，再开始平均充电补能过程，若蓄电池组内各蓄电池间不存在电压差异，则智能控制器直接开始平均充电补能过程。

本发明的太阳能充电方法使得蓄电池组在阴雨天以及晴天早晨和傍晚阳光照度较低的情况下也能进行充电，提高了太阳能充电装置的电力续航时间和充电效率。另外，能够消除蓄电池组内个蓄电池之间的电源容量差异，且充电结束后，可以做到各蓄电池电压的电压差在合理范围内，避免产生电压不均衡的问题，延长蓄电池组使用寿命。

作为一种优选方案，当进入蓄电池组充电模式时，智能控制器控制正极切换装置中的受控开关元件S1闭合导通，负极切换装置中的受控开关元件S2n闭合导通。在蓄电池组充电模式下，使得整个蓄电池组连接在DC/DC变换器输出端进行充电。

作为一种优选方案，当进入选中蓄电池充电模式时，智能控制器选中一个蓄电池进行充电，假设该蓄电池为Bx，其中1≤x≤n，智能控制器控制正极切换装置中的受控开关元件Sx闭合导通，负极切换装置中的受控开关元件Sn+x闭合导通。使得被选中的蓄电池连接在DC/DC变换器输出端进行充电。

作为一种优选方案，当蓄电池组内各蓄电池间存在电压差异时，智能控制器选取其中电压值最大的蓄电池，将其电压值作为消除差异电压，然后智能控制器按照蓄电池电压由低到高的优先顺序，依次给各蓄电池进行充电，当充电的蓄电池电压达到消除差异电压时，则停止充电，给下一个蓄电池充电，直到所有蓄电池电压都达到消除差异电压。及时消除了各蓄电池间由于电池内阻的变化以及老化程度的不同而产生的电压容量差异，延长了蓄电池组的使用寿命。

作为一种优选方案，当进入平均充电补能过程时，智能控制器根据蓄电池的种类和容量的大小设定充电时的电压台阶△u，所述电压台阶△u小于等于0.1V，然后智能控制器开始控制循环对各蓄电池进行充电。这样在充电结束时，可以做到各蓄电池电压的电压差在合理范围内，避免产生电压不均衡的问题，延长蓄电池组使用寿命。

因此，本发明的优点是：1.解决了在太阳光低照度条件下，太阳能电池输出电压低受限于蓄电池负载，无法为蓄电池组充电的问题；2. 提高了太阳能电池的利用率和充电效率，增强了太阳能独立供电系统的电力续航能力；3. 具备蓄电池组的电压均衡功能，能够消除蓄电池组内各蓄电池间的电压容量差异，防止了蓄电池组物理特性的破坏，延长了蓄电池组的使用寿命。

附图说明

附图1是本发明的一种原理框架示意图；

附图2是本发明中蓄电池切换装置的一种结构示意图；

附图3是本发明的一种工作流程示意图；

附图4是本发明中被选中蓄电池平均充电的一种过程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例： 

本实施例一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置，如图1所示，包括太阳能电池组1和蓄电池组4，在太阳能电池组和蓄电池组之间设置有充电控制系统6，该充电控制系统6包括DC/DC变换器2、蓄电池切换装置3、太阳能电池组电压电流检测电路5、智能控制器7和蓄电池电压电流检测电路8。 太阳能电池组连接到DC/DC变换器2上，DC/DC变换器连接到蓄电池切换装置3上，蓄电池切换装置设置在蓄电池组4上。太阳能电池组电压电流检测电路连接在太阳能电池组上，太阳能电池组电压电流检测电路连接在蓄电池组上，太阳能电池组电压电流检测电路和太阳能电池组电压电流检测电路分别连接到智能控制器7上，智能控制器连接到DC/DC变换器2和蓄电池切换装置3上。

如图2所示，蓄电池组由多个蓄电池B1~Bn串联而成，n为蓄电池数量，本实施例中以四节蓄电池串联组成的蓄电池组为例。蓄电池切换装置包括正极切换装置9和负极切换装置10，正极切换装置包括数量与蓄电池数量相等的受控开关元件S1、S2、S2、S4，受控开关元件S1~S4的输入端分别连接到DC/DC变换器的输出端正极，受控开关元件S1~S4的输出端连接到对应的蓄电池正极，即受控开关元件Sx输出端连接到蓄电池Bx的正极，这里1≤x≤4。负极切换装置包括数量与蓄电池数量相等的受控开关元件S5、S6、S7、S8，受控开关元件S5~S8的输入端分别连接到DC/DC变换器的输出端负极，受控开关元件S5~S8输出端对应的蓄电池负极，即受控开关元件Sx+4输出端连接到蓄电池Bx+4的正极，这里1≤x≤4。

本实施例中太阳能充电装置充电方法，这里也以四节蓄电池串联组成的蓄电池组为例。如图3所示，太阳能电池组电压电流检测电路5对太阳能电池组的输出电压进行检测，蓄电池电压电流检测电路8对蓄电池组4电压进行检测，太阳能电池组电压电流检测电路和蓄电池电压电流检测电路将检测到的信息反馈给智能控制器7，智能控制器将太阳能电池组的电压与蓄电池组电压进行比较，若此时为晴天阳光照度强的情况，则太阳能电池组输出电压高于蓄电池组电压，智能控制器7控制蓄电池切换装置使蓄电池组4进入蓄电池组充电模式；若此时为阴雨天或者晴天的早晨和傍晚阳光照度弱的情况，则太阳能电池组输出电压低于蓄电池组电压，控制器控制蓄电池切换装置使蓄电池组进入选中蓄电池充电模式；根据相应的充电模式，智能控制器控制DC/DC变换器2的输出电压值，使之等于蓄电池组或被选中蓄电池的满充电压值。

当蓄电池组进入蓄电池组充电模式时，如图2所示，智能控制器控制正极切换装置中的受控开关元件S1闭合导通，负极切换装置中的受控开关元件S8闭合导通，这样就使得所有蓄电池都进入充电状态。

当蓄电池组进入选中蓄电池充电模式时，蓄电池组电压电流检测电路对蓄电池组中各蓄电池的电压进行检测，智能控制器根据蓄电池组电压电流检测电路反馈回来的各蓄电池电压大小，判断各蓄电池间是否存在电压差异。若存在电压差异，则智能控制器7选取其中电压值最大的蓄电池，将其电压值作为消除差异电压，然后智能控制器按照蓄电池电压由低到高的优先顺序，依次选中蓄电池进行充电，使每个蓄电池的电压达到消除差异电压。该选取过程为：假设选中蓄电池B3进行充电，智能控制器控制正极切换装置中的受控开关元件S3闭合导通，负极切换装置中的受控开关元件S7闭合导通。

在消除各蓄电池间的电压差异后，则蓄电池开始平均充电补能过程，事先根据蓄电池的种类和容量的大小设定充电时的电压台阶△u，蓄电池容量越大则电压台阶△u越小，电压台阶△u最大不超过0.1V。其充电过程如图4所示，一个周期内当前被选中蓄电池在充电

过程中的电压增量达到设定电压台阶值△u之后，便结束对当前被选蓄电池的充电，开始对下一蓄电池充电，如此循环。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了DC/DC变换器、蓄电池切换装置、太阳能电池组电压电流检测电路、蓄电池电压电流检测电路、蓄电池组等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置，包括太阳能电池组和由多个蓄电池串联而成的蓄电池组，太阳能电池组通过DC/DC变换器与蓄电池组相连，其特征在于：在DC/DC变换器（2）和蓄电池组（4）之间还连接有蓄电池切换装置（3），在太阳能电池组（1）上连接有太阳能电池组电压电流检测电路（5），在蓄电池电池组（4）上连接有蓄电池电压电流检测电路（4），所述太阳能电池组电压电流检测电路和蓄电池电压电流检测电路分别连接到一智能控制器（7）上，所述智能控制器连接到DC/DC变换器和蓄电池切换装置上。

2.根据权利要求1所述的具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电装置，其特征是所述蓄电池切换装置（3）包括正极切换装置（9）和负极切换装置（10），所述正极切换装置由一系列受控开关元件S1~Sn连接而成，其中n与蓄电池的数量相等，蓄电池组由蓄电池B1~Bn串联而成，所述受控开关元件S1~Sn的输出端依次连接到相应的蓄电池B1~Bn的正极，受控开关元件S1~Sn的输入端分别连接到DC/DC变换器（2）的输出端正极，所述负极切换装置由一系列受控开关元件Sn+1~S2n连接而成，其中n与蓄电池的数量相等，所述受控开关元件Sn+1~S2n的输出端依次连接到相应的蓄电池B1~Bn的负极，受控开关元件Sn+1~S2n的输入端分别连接到DC/DC变换器（2）的输出端负极。

3. 一种采用如权利要求1或2所述的充电装置的具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电方法，其特征是包括以下步骤：

a. 太阳能电池组电压电流检测电路（5）对太阳能电池组（1）的输出电压值进行检测，并将检测到的信息反馈给智能控制器（7），蓄电池电压电流检测电路（8）对蓄电池组（4）的电压值进行检测，并将检测到的信息反馈给智能控制器（7）；

b. 智能控制器（7）将太阳能电池电压电流检测电路（5）反馈回来的电压值与蓄电池电压电流检测电路（8）反馈回来的蓄电池组电压值进行比较，当太阳能电池组的电压高于蓄电池组的电压时，则开始蓄电池组充电模式，反之，则开始选中蓄电池充电模式，根据相应的充电模式，智能控制器控制DC/DC变换器的输出电压值，使之等于蓄电池组或被选中蓄电池的满充电压值；

c. 当进入选中蓄电池充电模式时，智能控制器（7）通过蓄电池电压电流检测电路（8）对蓄电池组（4）内各蓄电池的电压值进行检测，根据蓄电池电压电流检测电路反馈的信息判断是否存在电压不均衡的情况，若蓄电池组（4）内各蓄电池间存在电压差异，智能控制器按照蓄电池电压由低到高的优先顺序，依次给各蓄电池进行充电，直至消除电压差异，再开始平均充电补能过程，若蓄电池组内各蓄电池间不存在电压差异，则智能控制器直接开始平均充电补能过程。

4.根据权利要求3所述的具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电方法，其特征是当进入蓄电池组充电模式时，智能控制器（7）控制正极切换装置（9）中的受控开关元件S1闭合导通，负极切换装置（10）中的受控开关元件S2n闭合导通。

5.根据权利要求3所述的具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电方法，其特征是当进入选中蓄电池充电模式时，智能控制器（7）选中一个蓄电池进行充电，假设该蓄电池为Bx，其中1≤x≤n，智能控制器控制正极切换装置（9）中的受控开关元件Sx闭合导通，负极切换装置（10）中的受控开关元件Sn+x闭合导通。

6.根据权利要求5所述的具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电方法，其特征是当蓄电池组（4）内各蓄电池间存在电压差异时，智能控制器（7）选取其中电压值最大的蓄电池，将其电压值作为消除差异电压，然后智能控制器按照蓄电池电压由低到高的优先顺序，依次给各蓄电池进行充电，当充电的蓄电池电压达到消除差异电压时，则停止充电，给下一个蓄电池充电，直到所有蓄电池电压都达到消除差异电压。

7.根据权利要求3或5或6所述的具有高效充电及电压均衡功能的太阳能充电方法，其特征是当进入平均充电补能过程时，智能控制器（7）根据蓄电池的种类和容量的大小设定充电时的电压台阶△u，所述电压台阶△u小于等于0.1V，然后智能控制器开始控制循环对各蓄电池进行充电。

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