CN102244405B - 蓄电池组太阳能充电的控制方法 - Google Patents

蓄电池组太阳能充电的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种蓄电池组太阳能充电的控制方法，以相串联的一个蓄电池组BTi和一个电子开关Si为基本充电单元，将两个以上基本充电单元与电能缓冲模块C、太阳能电源PV对应极性并联构成充电回路，通过控制器程控切换各电子开关的开闭状态并调整电能缓冲模块充电时间Tc与蓄电池组充电时间Tbi的比率，交替地对各蓄电池组进行脉冲方式充电，其中i取1至n中任一整数。应用本发明该控制方法，在不损失太阳能转换能量的前提下，提高了蓄电池组的充电效率及太阳能电源的实际使用效率，同时各蓄电池组可以实现单独自动维护、改善蓄电池内部化学环境，从而提高了蓄电池组的循环寿命。

Description

蓄电池组太阳能充电的控制方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能蓄电池应用方法，尤其涉及一种利用太阳能为蓄电池组充电的控制方法。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，对环境不产生任何污染，既环保又经济。太阳能的利用对解决能源和环境问题具有重要意义，而能量的存储和释放是利用太阳能的关键技术。太阳能充电是将光能转化为电能的一种重要应用方式，太阳能充电控制器是用于控制太阳能电池对蓄电池组进行充电，广泛应用于太阳能利用的领域。而充电控制方法对太阳能电池的充电效率以及蓄电池组的寿命有举足轻重的作用，但是在太阳能电池供电过程中，由于受日照强度影响太阳能电池的输出电压及功率的不稳定性，太阳能日均转换能量与蓄电池组高效充电需求能量难以形成匹配，造成了太阳能电池输出能量效率、蓄电池组储电效率以及蓄电池组使用寿命的降低，并直接影响其它应用系统的工作效率及可靠性。
在使用常规电源对蓄电池组充电时，有恒流、恒压及脉冲等方式，由于恒压充电方法更接近于蓄电池组本身的特性，并且结构简单，成本较低，因此大部分应用使用恒压充电方式。而脉冲充电方式能够在恒压充电方式基础上，使充电效率得到进一步提升，并且更有利于延长蓄电池组的循环使用寿命。但由于控制复杂，成本较高，应用在对效率和蓄电池组寿命要求较高的领域。
脉冲充电的优势完全和太阳能应用的需求相吻合，但是，由于常规的脉冲充电方式，由于在一个脉冲周期内存在不充电的时间，如果不进行特殊处理，对于太阳能系统来说，在这个时间内，太阳能所转换得到的电能就被闲置浪费了，同时随着蓄电池组充电量的增加，充电电流将逐步降低，太阳能电池的有效功率将越来越多地被闲置，从而将大幅度降低整个系统的实际能效。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种蓄电池组太阳能充电的控制方法，解决传统太阳能充电脉冲方式只针对一个蓄电池组进行充电控制的能效低下问题，减少太阳能转化的能源浪费。
本发明上述目的，将通过以下技术方案得以实现：
蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：以相串联的一个蓄电池组BTi和一个电子开关Si为基本充电单元，将两个以上基本充电单元与电能缓冲模块C、太阳能电源PV对应极性并联构成充电回路，通过控制器程控切换各电子开关的开闭状态并调整电能缓冲模块充电时间Tc与蓄电池组充电时间Tbi的比率，交替地对各蓄电池组进行脉冲方式充电，其中i取1至n中任一整数。
进一步地，两个以上基本充电单元在电能缓冲模块C的一个放电时段内仅有一个电子开关闭合，各电子开关交替接通相应基本充电单元与电能缓冲模块C进行充电。
进一步地，两个以上基本充电单元在电能缓冲模块C的一个放电时段内有两个以上且非全部电子开关闭合，各电子开关在各自脉冲宽度下接通相应基本充电单元与电能缓冲模块C进行充电。
更进一步地，两个以上同时闭合的电子开关之一在电能缓冲模块C的一个放电时段内提前断开，剩余的电子开关保持闭合至电能缓冲模块C放电转充电的切换时刻。
进一步地，在每个基本充电单元的蓄电池组BTi和电子开关Si之间串接一个用于测量电压、电流的传感器Sei，且在全部基本充电单元相并联的其中一端也串接一个传感器Sec，再将传感器Sec的另一端及全部基本充电单元相并联的另一端与电能缓冲模块C对应极性并联相接，所述传感器Sei和传感器Sec均接入控制器的输入端，向控制器反馈各蓄电池组Bti的电压、电流参数，其中i取1至n中任一整数。
进一步地，所述电能缓冲模块C并联接设一电阻Rc，在太阳能电源PV零输出电流时释放电能缓冲模块C的电能；并且所述蓄电池组分别各自并联接设一电阻Ri，用以判断蓄电池组的接入与否，其中所述电阻Rc和电阻Ri的阻值等效于断路电阻，i取1至n中任一整数。
进一步地，所述电子开关Si为场效应管，绝缘栅双极型晶体管，光电倍增关或三极管中的一种，一组所述电子开关Si连接至控制器。
进一步地，所述蓄电池组的正极一一对应连接电子开关Sio，所述电子开关Sio为另一组连接至控制器的场效应管，通过控制器调配蓄电池组对外输出电能。
实施本发明的控制方法，其有益效果为：在不损失太阳能转换能量的前提下，提高了蓄电池组的充电效率及太阳能电源的实际使用效率，延长了蓄电池组的使用寿命，同时各蓄电池组可以实现单独自动维护、改善蓄电池内部化学环境，从而提高了蓄电池组的循环寿命。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明太阳能充电控制方法实施例一的充电回路连接示意图；
图2是本发明太阳能充电控制方法实施例一的充电脉冲示意图；
图3是本发明太阳能充电控制方法实施例二的充电脉冲示意图；
图4是本发明太阳能充电控制方法实施例三的充电回路连接示意图；
图5是本发明太阳能充电控制方法实施例四的充电回路连接示意图。
具体实施方式
本发明为克服现有技术的不足，设计并提供了一种多蓄电池组太阳能充电的控制方法，通过控制实现太阳能电源对多个蓄电池组进行交替的脉冲式充电，以达到提高太阳能利用能效、延长蓄电池循环寿命及提高应用系统可靠性的效果。
概括地从原理来看本发明的技术方案：由一组太阳能电源系统通过控制电路对两组及两组以上的多组蓄电池进行交替脉冲方式充电，通过控制每一组充电脉冲的宽度和占空比来调节得到太阳能电池输出功率与蓄电池充电功率之间的最佳匹配值，充分利用太阳能效能、提升蓄电池利用率和循环寿命，从而提升太阳能系统的整体可靠性，提高性价比。
实施例一：
如图1所述的蓄电池组太阳能充电的充电回路连接示意图。具体来看本发明蓄电池组太阳能充电的控制方法，为方便说明，以相串联的一个蓄电池组BTi和一个电子开关Si定义为基本充电单元，将两个以上基本充电单元与电能缓冲模块C、太阳能电源PV对应极性并联构成该充电回路，通过控制器程控切换各电子开关的开闭状态并调整电能缓冲模块充电时间Tc与蓄电池组充电时间Tbi的比率，交替地对各蓄电池组进行脉冲方式充电，其中i取1至n中任一整数。图示的充电回路中，通常意义上具有n路基本充电单元，n≥2。
以下便结合图2所示的充电脉冲示意图，以n=3为例，进一步分析实施例一的具体控制过程。图中Ubt1、Ubt2和Ubt3表示了不同蓄电池组充电电压的变化，亦即电子开关S1，S2和S3的开关状态变化，Uc表示太阳能电源输出电压及电能缓冲模块的电压变化，即充电电压变化曲线。从图2可见，各基本充电单元在电能缓冲模块C的一个放电时段内仅有一个电子开关闭合，各电子开关交替接通相应基本充电单元与电能缓冲模块C进行充电。
由于充电开始时电能缓冲模块C的电压和太阳能电源PV输出电压较高，随着充电过程的进行，电能缓冲模块C的电能被释放，输出电压逐渐降低。经过一段时间（Tb1、Tb2、Tb3）后，电子开关断开，电能缓冲模块C成为负载，太阳能电源PV对电能缓冲模块C充电，太阳能输出电压由于电能缓冲模块C电压逐渐上升而逐渐升高。通过控制器依次接通三个电子开关对三组蓄电池组依次充电，在太阳能电源PV工作期间，该充电回路的完整充电周期Ts（Ts=Tc1+Tb1+Tc2+Tb2+Tc3+Tb3）将循环执行。
使用上述充电方法，可以将太阳能电池的输出电压始终控制在某一个设定的电压值附近，其输出电压可以始终维持在太阳能电池最大输出功率所对应的电压值附近，根据电压变化控制电子开关接通和断开，可以调整太阳能电池的输出电压，由此可以适应在不同光照条件下太阳能电池的最大输出功率对应的工作电压。同时，由于不同充电阶段和不同容量的蓄电池的充电电流不同，利用电能缓冲器进行电能的暂存，使得充电电流可以在保证太阳能组件处于最大输出的情况下进行一定幅度的调节。
以下是对本发明控制方法的原理分析：
Figure 60430DEST_PATH_IMAGE001
；
由上述等式可见，蓄电池的充电电流Ib和太阳能电池最大功率时的输出电流IPV存在如下关系：
Figure 16491DEST_PATH_IMAGE002
；
可见Ib是可以通过调整Tc及Tb进行调节的。
同时蓄电池的充电电流Ib与蓄电池内部阻抗Rb和充电电压Ub存在如下关系：
Figure 893180DEST_PATH_IMAGE003
；因此在通过控制太阳能最大输出电压，保证太阳能输出电流和功率最大的情况下Ib的计算由如下公式：
。
随着充电程度的深化，Rb将逐渐增大，因而Ib逐渐降低，如果仅仅有一组蓄电池，那么当Ib下降到一定程度的时候，即Ib小于Ipv，通过电能缓冲模块将无法调整脉冲充电电流，造成太阳能电池输出功率的浪费。而多组蓄电池的组合充电，就能够通过对多组蓄电池的组合控制，提高Ib总的值，从而提高太阳能电池的输出功率利用率。因此，通过对多组蓄电池的组合充电，并控制充电时间，可以使得太阳能电池的输出效率达到最高。
实施例二：
除上述实施例外，两个以上基本充电单元在电能缓冲模块C的一个放电时段内有两个以上且非全部电子开关闭合，各电子开关在各自脉冲宽度下接通相应基本充电单元与电能缓冲模块C进行充电。如图3所示，是本发明太阳能充电控制方法实施例二的充电脉冲示意图。从图示可见：本例中第二和第三蓄电池组构成了一个重叠的充电脉冲。在充电期间，第一蓄电池组先在其脉冲宽度下充电，继而第二和第三蓄电池组同时充电，且第三蓄电池组首先结束；在各蓄电池组的脉冲间隙，均有用于电能缓冲模块充电补能的时间。在太阳能电源PV工作期间，本实施例充电回路的完整充电周期Ts将循环执行，其中：Ts=Tc1+Tb1+Tc2+Tb2，与实施例一所不同的是，Tc3与Tc2合二为一，且Tb3包含于Tb2之中。
在这个实例中，在两蓄电池组同时充电时，由于负载总体阻抗较低，太阳能电源PV和电能缓冲模块C构成的充电源具有较大的输出电流，导致电压快速下降，在后期，随着第三蓄电池组的断开，负载阻抗变大，电流变小，电压下降速率变慢。可见，由于不同光照条件导致的太阳能输出功率不同，可以通过改变蓄电池组的不同组合方式来使两者相匹配，从而实现高效率目标。
实施例三：
为进一步完善图1所示的充电回路，便于控制器掌握各基本充电单元及电能脉冲模块的电压、电流参数。如图4所示，在每个基本充电单元的蓄电池组BTi和电子开关Si之间串接一个用于测量电压、电流的传感器Sei，且在全部基本充电单元相并联的其中一端也串接一个传感器Sec，再将传感器Sec的另一端及全部基本充电单元相并联的另一端与电能缓冲模块C对应极性并联相接，该些传感器Sei和传感器Sec均接入控制器的输入端，向控制器反馈各蓄电池组Bti的电压、电流参数，其中i取1至n中任一整数。
同时再请如图4所示，该电能缓冲模块C并联接设一电阻Rc，在太阳能电源PV零输出电流时释放电能缓冲模块C的电能；并且该蓄电池组分别各自并联接设一电阻Ri，用以判断蓄电池组的接入与否，并在没有蓄电池接入的情况下将电压、电流测量点接地。其中电阻Rc和电阻Ri的阻值等效于断路电阻，i取1至n中任一整数。
实施例四：
再如图5所示，是本发明太阳能充电控制方法实施例四的充电回路连接示意图。本实施例作为一应用实例，从图示可见其中电子开关S1-Sn均为场效应管，其驱动端分别与控制器相连，控制各路基本充电单元实现脉冲方式充电。同时，各蓄电池组的正极一一对应连接电子开关Sio，该些电子开关S1o-Sno为另一组连接至控制器的场效应管，通过控制器调配各蓄电池组对外输出电能。可见，通过该多蓄电池组的充电控制方法，在其中一个蓄电池损坏的情况下，另一个蓄电池能够维持系统的运行，提高了系统的可靠性；并且通过定期自动维护，用单组蓄电池工作，另一组蓄电池进行完全充放电维护，改善蓄电池的内部化学环境，从而提高蓄电池的使用效率。
对蓄电池来说，蓄电池充电的效率，取决于充电电压和电流是否符合蓄电池充电的电化学特性。本发明通过同时控制多组蓄电池，能够通过调整蓄电池的充电组合，使太阳能的输出电压电流最大限度符合蓄电池充电的电化学特征，提高蓄电池的充电效率，并延迟蓄电池内部化学环境的恶化，延长其使用寿命。
根据日照强度及每个蓄电池组充电量多少对多蓄电池组进行有选择性地快速脉冲充电，由控制器实现多蓄电池组充电状态的转换。特别在日照强度严重不足时，控制一蓄电池组工作，另一个或多个蓄电池组进行完全充放电维护。
综上结合实施例及其附图的详细描述，旨在加深对本发明创新实质的理解，并非以此限制本发明的权利要求保护范围和多元化的实施方式。

Claims (7)

1.蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：以相串联的一个蓄电池组BTi和一个电子开关Si为基本充电单元，将两个以上基本充电单元与电能缓冲模块C、太阳能电源PV对应极性并联构成充电回路，通过控制器程控切换各电子开关的开闭状态并调整电能缓冲模块充电时间Tc与蓄电池组充电时间Tbi的比率，交替地对各蓄电池组进行脉冲方式充电；在每个基本充电单元的蓄电池组BTi和电子开关Si之间串接一个用于测量电流的传感器Sei，且在全部基本充电单元相并联的其中一端也串接一个传感器Sec，再将传感器Sec的另一端及全部基本充电单元相并联的另一端与电能缓冲模块C对应极性并联相接，所述传感器Sei和传感器Sec均接入控制器的输入端，向控制器反馈各蓄电池组Bti的电流参数，其中i取1至n中任一整数。
2.根据权利要求1所述的蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：两个以上基本充电单元在电能缓冲模块C的一个放电时段内仅有一个电子开关闭合，各电子开关交替接通相应基本充电单元与电能缓冲模块C进行充电。
3. 根据权利要求1所述的蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：两个以上基本充电单元在电能缓冲模块C的一个放电时段内有两个以上且非全部电子开关闭合，各电子开关在各自脉冲宽度下接通相应基本充电单元与电能缓冲模块C进行充电。
4. 根据权利要求3所述的蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：两个以上同时闭合的电子开关之一在电能缓冲模块C的一个放电时段内提前断开，剩余的电子开关保持闭合至电能缓冲模块C放电转充电的切换时刻。
5. 根据权利要求1所述的蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：所述电能缓冲模块C并联接设一电阻Rc，在太阳能电源PV零输出电流时释放电能缓冲模块C的电能；并且所述蓄电池组分别各自并联接设一电阻Ri，用以判断蓄电池组的接入与否，其中所述电阻Rc和电阻Ri的阻值等效于断路电阻，i取1至n中任一整数。
6. 根据权利要求1所述的蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：所述电子开关Si为场效应管，绝缘栅双极型晶体管，光电倍增管或三极管中的一种，一组所述电子开关Si连接至控制器。
7. 根据权利要求1所述的蓄电池组太阳能充电的控制方法，其特征在于：所述蓄电池组的正极一一对应连接电子开关Sio，所述电子开关Sio为另一组连接至控制器的场效应管，通过控制器调配蓄电池组对外输出电能。
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