CN102222950B - 一种提高太阳能电池充电效率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种提高太阳能电池充电效率的装置及方法，采用两组太阳能电池组对不同标称电压的蓄电池充电，当对高标称电压蓄电池充电时，自动使两组太阳能电池组串联工作，以获得高电压小电流输出，太阳能电池组的输出功率为最大值；当对低电压蓄电池充电时，自动使两组太阳能电池组并联工作，以获得低电压大电流输出，太阳能电池组的输出功率亦为最大值。本发明克服了现有技术的不足，大大提高了采用同一台太阳能电源对不同标称电压蓄电池充电时的充电效率，充分利用了太阳能电池组的装机容量。

Description

一种提高太阳能电池充电效率的装置及方法

技术领域

本发明涉及太阳能充电技术领域，特别是涉及一种提高太阳能电池充电效率的装置及方法。

背景技术

目前，随着化石能源的日益枯竭，采用新能源成为当前人类面临的迫切课题。太阳能光伏电源的主要用途之一是用来向蓄电池充电。在很多场合下，要求同一台太阳能充电电源能够对不同标称电压的蓄电池组充电。在现有技术中，同一台太阳能充电电源对不同标称电压的蓄电池组充电，采用对标称蓄电池电压取样后，通过电压识别电路识别蓄电池组的标称电压，再通过限流电路选择合适的电流对蓄电池组充电。太阳能充电电源采用一组太阳能电池组，其最高输出电压以充电电源可选择的最高标称电压蓄电池组的电压为基准。以上方法有如下缺点：

现有的单晶硅太阳能电池输出电流完全取决于即时入射阳光的总量，典型开路电压是0.55V，当电流流出太阳能电池时，其内阻会引起输出电压跌落。当太阳能电池不足以提供负载所需的电流时，其输出电流将受到短路电流Isc的限制，输出电压Vo基本为一固定值。例如，在全日照条件下，一个50平方厘米大小的单节硅太阳能电池的短路电流Isc为0.3A，可以获得最大功率为：输出电压典型值为0.484V，输出电流值为0.25A～0.275A，输出功率约为0.121～0.133W。但这个功率对绝大多数的应用而言过低，因此，通常将多个单节太阳能电池串/并联成太阳能电池组，在全日照条件下能够输出所需要的电压和电流，但是，太阳能电池组最大输出电流将受到短路电流Isc的限制。太阳能电池的这一重要特性使同一台太阳能充电电源在对不同标称电压的蓄电池组充电时，其最大输出电流Io不会大于短路电流Isc，也就是说，当最高输出电压=Vo的太阳能充电电源选择最高标称电压蓄电池组充电时，太阳能电池组输出最大功率Pmax=Vo×Io，但是当这台太阳能充电电源对较低标称电压的蓄电池组充电时，受太阳能电池组输出电流特性的制约，其最大输出电流Io不会大于短路电流Isc，此时太阳能电池组能够输出的最大功率也会相应下降。例如，有一块单晶硅电池的组件，最大输出功率Pmax (额定功率)为25W，峰值电压(额定电压)Ump为17.2V，峰值电流(额定电流) Imp为1.45A，开路电压Vo为21V，短路电流为Isc为1.5A，由太阳能电池的输出特性可知，当被充电蓄电池标称电压为12伏时，充电电压约为14.2V，最大充电电流约为1.45A，此时最大输出功率约为20W；但是，当被充电蓄电池标称电压为6伏时，最大充电电流亦为1.45A，此时最大输出功率约为10W，太阳能电池利用率下降50%，这时太阳能电池组的装机容量不能得到充分利用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种提高太阳能电池充电效率的装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种提高太阳能充电效率的装置，由第一太阳能电池组1、第二太阳能电池组2、串/并联转换开关3、串/并联转换开关驱动电路4、计算机控制电路5、PWM驱动电路6、功率晶体管开关电路7、AD转换电路8、电压采样电路9、稳压电路10、蓄电池11组成；

第一太阳能电池组1的正、负极与第二太阳能电池组2的正、负极分别独立输出，其作用是将太阳能转换成电能，为蓄电池提供充电电源；

第一太阳能电池组1的开路电压Vo1等于第二太阳能电池组2的开路电压Vo2，其误差不大于5%；第一太阳能电池组1的短路电流Isc1等于第二太阳能电池组2的短路电流Isc2，其误差不大于5%；

串/并联转换开关3由双刀双掷开关组成，通过串/并联转换开关驱动电路4驱动，把第一太阳能电池组1、第二太阳能电池组2的连接状态转换成串联连接或并联连接：在串联连接状态下，第一太阳能电池组1的正极通过双刀双掷开关中触点A1连接到功率晶体管开关电路7的输入端I7，第一太阳能电池组1的负极通过双刀双掷开关中触点B1、触点K1连接到第二太阳能电池组2的正极，第二太阳能电池组2的负极连接到地；在并联连接状态下，第一太阳能电池组1的正极通过双刀双掷开关中触点A1、触点K1与第二太阳能电池组2的正极相连接并连接到功率晶体管开关电路7的输入端I7，第一太阳能电池组1的负极通过双刀双掷开关中触点B1连接到双刀双掷开关中触点A2、触点K2与第二太阳能电池组2的负极相连接并连接到地；

串/并联转换开关驱动电路4的输出端O4与串/并联转换开关3的控制端A3连接，输入端I4与计算机控制电路5的输出端OUT连接，计算机控制电路5输出的控制信号驱动串/并联转换开关3；

  PWM驱动电路6的脉冲输入端Ip与计算机控制电路5的脉冲输出端PWM连接，脉冲输出端Op与功率晶体管开关电路7的控制端C连接，计算机控制电路5输出的PWM控制信号通过PWM驱动电路6驱动功率晶体管开关电路7向蓄电池充电；

功率晶体管开关电路7的输出端O7分别与电压采样电路9的输入端A9、稳压电路10的电压输入端Vin、蓄电池11的正极连接，控制第一太阳能电池组1、第二太阳能电池组2向蓄电池11充电，稳压电路10的工作电压由蓄电池11提供，功率晶体管开关电路7具有防止太阳能电池组和蓄电池反接的保护功能；

  AD转换电路8的输出端O8与计算机控制电路5的模数转换端ADC连接，输入端I8与电压采样电路9的电压输出端B连接，AD转换电路8用于把电压采样电路9输出的采样电压模拟信号转换成数字信号，送计算机控制电路5处理，电压采样电路9对蓄电池11标称电压进行采样，采样信号输出到AD转换电路8；

稳压电路10的电压输出端Vc10端与计算机控制电路5的电压输出端Vc5端连接，提供计算机控制电路5的工作电源；

计算机控制电路5的接地端GND、电压采样电路9的接地端G9、稳压电路10的接地端G10和蓄电池11的负极接地。

本发明的另一目的是提供一种提高太阳能电池充电效率的方法，包括以下步骤：

a、计算机控制电路5通过串/并联转换开关驱动电路4、串/并联转换开关3控制第一太阳能电池组1、第二太阳能电池组2工作在串联状态下，其输出电压为第一太阳能电池组1的峰值电压Ump1与第二太阳能电池组2的峰值电压Ump2之和，再控制PWM驱动电路6、功率晶体管开关电路7对蓄电池11以最大充电电流预充电一段时间；

b、计算机控制电路5通过PWM驱动电路6、功率晶体管开关电路7控制第一太阳能电池组1、第二太阳能电池组2停止对蓄电池11充电，延时等待蓄电池11电压回落；

c、电压采样电路9对蓄电池11标称电压采样；

d、AD转换电路8把采样电压模拟信号转换成数字信号送计算机控制电路5处理；

e、计算机控制电路5将经AD转换电路8转换的数字信号与预存的电压数据进行比较，判断蓄电池11的标称电压；

f、根据蓄电池11的标称电压，计算机控制电路5通过串/并联转换开关驱动电路4驱动串/并联转换开关3工作，当蓄电池11的标称电压为高值时使第一太阳能电池组1和第二太阳能电池组2工作在串联状态，其输出电压为第一太阳能电池组1的峰值电压Ump1与第二太阳能电池组2的峰值电压Ump2之和，输出电流为第一太阳能电池组1的峰值电流Imp1和第二太阳能电池组2的峰值电流Imp2之中的最小值；当蓄电池11的标称电压为低值时使第一太阳能电池组1和第二太阳能电池组2工作在并联状态，其输出电压为第一太阳能电池组1的峰值电压Ump1和第二太阳能电池组2的峰值电压Ump2之中的最小值，输出电流为第一太阳能电池组1的峰值电流Imp1与第二太阳能电池组2的峰值电流Imp2之和；

g、电压采样电路9继续对蓄电池11端电压进行采样，采样信号经AD转换电路8转换成数字信号；

h、计算机控制电路5根据经AD转换电路8转换的电压数字信号与预存的蓄电池充电电压-充电电流关系曲线，输出PWM控制信号通过PWM驱动电路6驱动功率晶体管开关电路7对蓄电池11充电；

i、重复g、h步骤，直到蓄电池11端电压达到预先确定的数值，充电终止。

本发明采用两组太阳能电池组，对不同标称电压的蓄电池充电。当对高标称电压蓄电池充电时，自动使两组太阳能电池组串联工作，以获得高电压小电流输出，太阳能电池组的输出功率为最大值；当对低电压蓄电池充电时，自动使两组太阳能电池组并联工作，以获得低电压大电流输出，太阳能电池组的输出功率亦为最大值。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明大大提高了采用同一台太阳能电源对不同标称电压蓄电池充电时的充电效率，充分利用了太阳能电池组的装机容量。

2、本发明采用的功率晶体管开关电路，能够同时实现对蓄电池的可编程充电和双向反接保护，大大提高了本发明的可靠性，减少了因使用不当引起的意外损失。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明在串联连接状态下的电路示意图；

附图2为本发明在并联连接状态下的电路示意图；

附图3为本发明实施例电路示意图。

具体实施方式

如附图3所示：一种提高太阳能充电效率的装置，由太阳能电池组SB1、太阳能电池组SB2、继电器JD、P沟道场效应管Q1、NPN晶体管Q2、NPN晶体管Q3、二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、单片计算机U1、集成稳压电路U2、输出端子A、输出端子B、蓄电池组BT组成。

在本实施例中，由单片计算机U1组成计算机控制电路5，AD转换电路8集成在单片计算机U1内部，由NPN晶体管Q2、电阻R4组成串/并联转换开关驱动电路4，由继电器JD组成串/并联转换开关3，由NPN晶体管Q3、电阻R3组成PWM驱动电路6，由P沟道场效应管Q1、电阻R1、电阻R2和二极管D1组成的功率晶体管开关电路7，由电阻R5、电阻R6组成电压采样电路9，由集成稳压电路U2组成稳压电路10。

太阳能电池组SB1正极与继电器JD的触点A1、P沟道场效应管Q1的源极S端及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与P沟道场效应管Q1的栅极G端、电阻R2连接，电阻R2的另一端与NPN晶体管Q3的集电极连接，太阳能电池组SB1负极与继电器JD的触点B1、继电器JD的触点A2连接，太阳能电池组SB2正极与继电器JD的触点K1连接，太阳能电池组SB1负极接地，继电器JD的触点K2接地，继电器JD的驱动线圈J2端与NPN晶体管Q2集电极连接，NPN晶体管Q2发射极接地，NPN晶体管Q2基极与电阻R4连接，电阻R4另一端与计算机控制电路U1的OUT端连接， P沟道场效应管Q1的漏极D端与二极管D1的正极连接， NPN晶体管Q3发射极接地，NPN晶体管Q3基极与电阻R3连接，电阻R3的另一端与计算机控制电路U1的PWM端连接，二极管D1的负极与电阻R6、稳压电路U2的输入VIN端及输出端子A连接，电阻R6另一端与电阻R5、计算机控制电路U1的ADC端连接，电阻R5另一端接地，计算机控制电路U1的VCC端与稳压电路U2的输出VCC端、继电器JD的驱动线圈J1端连接，单片计算机U1的GND接地，集成稳压电路U2的GND端接地，输出端子B接地，输出端子A与蓄电池BT正极连接，蓄电池BT负极接地。

在本实施例中，太阳能电池组SB1、太阳能电池组SB2的峰值电压(额定电压)Ump均为8.8V，峰值电流(额定电流) Imp均为1.45A；蓄电池BT的标称电压为12V或者6V。

本实施例还提供了一种提高太阳能电池充电效率的方法，其具体步骤方法如下：

a、由单片计算机U1组成的计算机控制电路通过由NPN晶体管Q2、电阻R4组成的串/并联转换开关驱动电路、由继电器JD组成的串/并联转换开关控制太阳能电池组SB1、太阳能电池组SB2工作在串联状态下，再控制由NPN晶体管Q3、电阻R3组成的PWM驱动电路、由P沟道场效应管Q1、电阻R1、电阻R2和二极管D1组成的功率晶体管开关电路对蓄电池BT以最大充电电流预充电一段时间；

b、计算机控制电路输出控制信号通过PWM驱动电路驱动功率晶体管开关电路控制太阳能电池组SB1、太阳能电池组SB2停止对蓄电池BT充电，延时等待蓄电池BT电压回落；

c、由电阻R5、电阻R6组成的电压采样电路对蓄电池BT的标称电压采样，输出采样电压模拟信号；

d、由集成在计算机控制电路内部的AD转换电路把采样电压模拟信号转换成数字信号；

e、计算机控制电路将转换的数字信号与预存的电压数据进行比较，判断蓄电池BT的标称电压，在本实施例中，所述预存的电压数据为9V；

f、根据蓄电池BT的标称电压，计算机控制电路通过串/并联转换开关驱动电路驱动串/并联转换开关工作，当蓄电池BT的标称电压大于9V时，判断蓄电池BT的标称电压为12V，此时使太阳能电池组SB1和太阳能电池组SB2工作在串连状态，其输出的峰值电压(额定电压)Ump为17.2V，峰值电流(额定电流) Imp为1.45A，输出功率为25W；当蓄电池BT的标称电压小于9V时，判断蓄电池BT的标称电压为6V，此时使太阳能电池组SB1和太阳能电池组SB2工作在并联状态，其输出的峰值电压(额定电压)Ump为8.6V，峰值电流(额定电流) Imp为2.9A，输出功率亦为25W；

g、电压采样电路继续对蓄电池BT端电压进行采样，采样信号经AD转换电路转换成数字信号；

h、计算机控制电路根据AD转换电路转换的电压数字信号与预存的蓄电池充电电压-充电电流关系曲线，输出PWM控制信号通过PWM驱动电路驱动功率晶体管开关电路对蓄电池BT充电；

i、重复g、h步骤，直到蓄电池BT端电压达到预先确定的数值，充电终止。

Claims (4)

1.一种提高太阳能充电效率的装置，其特征是：由第一太阳能电池组（1）、第二太阳能电池组（2）、串/并联转换开关（3）、串/并联转换开关驱动电路（4）、计算机控制电路（5）、PWM驱动电路（6）、功率晶体管开关电路（7）、AD转换电路（8）、电压采样电路（9）、稳压电路（10）、蓄电池（11）组成；

第一太阳能电池组（1）的正、负极与第二太阳能电池组（2）的正、负极分别独立输出，其作用是将太阳能转换成电能，为蓄电池提供充电电源；

串/并联转换开关（3）由双刀双掷开关组成，通过串/并联转换开关驱动电路（4）驱动，把第一太阳能电池组（1）、第二太阳能电池组（2）的连接状态转换成串联连接或并联连接；在串联连接状态下，第一太阳能电池组（1）的正极通过双刀双掷开关中触点A1连接到功率晶体管开关电路（7）的输入端I7，第一太阳能电池组（1）的负极通过双刀双掷开关中触点B1、触点K1连接到第二太阳能电池组（2）的正极，第二太阳能电池组（2）的负极连接到地；在并联连接状态下，第一太阳能电池组（1）的正极通过双刀双掷开关中触点A1、触点K1与第二太阳能电池组（2）的正极相连接并连接到功率晶体管开关电路（7）的输入端I7，第一太阳能电池组（1）的负极通过双刀双掷开关中触点B1连接到双刀双掷开关中触点A2、触点K2与第二太阳能电池组（2）的负极相连接并连接到地；

串/并联转换开关驱动电路（4）的输出端O4与串/并联转换开关（3）的控制端A3连接，输入端I4与计算机控制电路（5）的输出端OUT连接，计算机控制电路（5）输出的控制信号驱动串/并联转换开关（3）；

PWM驱动电路（6）的脉冲输入端Ip与计算机控制电路（5）的脉冲输出端PWM连接，脉冲输出端Op与功率晶体管开关电路（7）的控制端C连接，计算机控制电路（5）输出的PWM控制信号通过PWM驱动电路（6）驱动功率晶体管开关电路（7）向蓄电池充电；

功率晶体管开关电路（7）的输出端O7分别与电压采样电路（9）的输入端A9、稳压电路（10）的电压输入端Vin、蓄电池（11）的正极连接，控制第一太阳能电池组（1）、第二太阳能电池组（2）向蓄电池（11）充电，稳压电路（10）的工作电压由蓄电池（11）提供，功率晶体管开关电路（7）具有防止太阳能电池组和蓄电池反接的保护功能；

AD转换电路（8）的输出端O8与计算机控制电路（5）的模数转换端ADC连接，输入端I8与电压采样电路（9）的电压输出端B连接，AD转换电路（8）用于把电压采样电路（9）输出的采样电压模拟信号转换成数字信号，送计算机控制电路（5）处理，电压采样电路（9）对蓄电池（11）标称电压进行采样，采样信号输出到AD转换电路（8）；

稳压电路（10）的电压输出端Vc10与计算机控制电路（5）的电压输出端Vc5连接，提供计算机控制电路（5）的工作电源；

计算机控制电路（5）的接地端GND、电压采样电路（9）的接地端G9、稳压电路（10）的接地端G10和蓄电池（11）的负极接地。

2.根据权利要求1所述的一种提高太阳能充电效率的装置，其特征是：第一太阳能电池组（1）的开路电压Vo1等于所述第二太阳能电池组（2）的开路电压Vo2，其误差不大于5%。

3.根据权利要求1所述的一种提高太阳能充电效率的装置，其特征是：第一太阳能电池组（1）的短路电流Isc1等于第二太阳能电池组（2）的短路电流Isc2，其误差不大于5%。

4.一种能够提高太阳能电池充电效率的方法，其特征是：包括以下步骤：

a、计算机控制电路（5）通过串/并联转换开关驱动电路（4）、串/并联转换开关（3）控制第一太阳能电池组（1）、第二太阳能电池组（2）工作在串联状态下，其输出电压为第一太阳能电池组（1）的峰值电压Ump1与第二太阳能电池组（2）的峰值电压Ump2之和，再控制PWM驱动电路（6）、功率晶体管开关电路（7）对蓄电池（11）以最大充电电流预充电一段时间；

b、计算机控制电路（5）通过PWM驱动电路（6）、功率晶体管开关电路（7）控制第一太阳能电池组（1）、第二太阳能电池组（2）停止对蓄电池（11）充电，延时等待蓄电池（11）电压回落；

c、电压采样电路（9）对蓄电池（11）标称电压采样；

d、AD转换电路（8）把采样电压模拟信号转换成数字信号送计算机控制电路（5）处理；

e、计算机控制电路（5）将经AD转换电路（8）转换的数字信号与预存的电压数据进行比较，判断蓄电池（11）的标称电压；

f、根据蓄电池（11）的标称电压，计算机控制电路（5）通过串/并联转换开关驱动电路（4）驱动串/并联转换开关（3）工作，当蓄电池（11）的标称电压为高值时使第一太阳能电池组（1）和第二太阳能电池组（2）工作在串联状态，其输出电压为第一太阳能电池组（1）的峰值电压Ump1与第二太阳能电池组（2）的峰值电压Ump2之和，输出电流为第一太阳能电池组（1）的峰值电流Imp1和第二太阳能电池组（2）的峰值电流Imp2之中的最小值；当蓄电池（11）的标称电压为低值时使第一太阳能电池组（1）和第二太阳能电池组（2）工作在并联状态，其输出电压为第一太阳能电池组（1）的峰值电压Ump1和第二太阳能电池组（2）的峰值电压Ump2之中的最小值，输出电流为第一太阳能电池组（1）的峰值电流Imp1与第二太阳能电池组（2）的峰值电流Imp2之和；

g、电压采样电路（9）继续对蓄电池（11）端电压进行采样，采样信号经AD转换电路（8）转换成数字信号；

h、计算机控制电路（5）根据经AD转换电路（8）转换的电压数字信号与预存的蓄电池充电电压-充电电流关系曲线，输出PWM控制信号通过PWM驱动电路（6）驱动功率晶体管开关电路（7）对蓄电池（11）充电；

i、重复g、h步骤，直到蓄电池（11）端电压达到预先确定的数值，充电终止。

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