CN102377237A - 一种太阳能与市电互补控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能与市电互补控制器，其包括用于连接蓄电池的直流输入端、用于连接市电的交流输入端、用于连接负载的电源输出端、中央处理器和电压检测模块；直流输入端与电源输出端之间的线路上设有放电控制模块；交流输入端与电源输出端之间的线路上设有开关电源模块；放电控制模块中设有可控开关和可控开关驱动电路，可控开关的关断可使直流输入端与负载电源输出端之间的线路断开；电压检测模块检测直流输入端的电压，并输出至中央处理器；中央处理器根据电压检测值控制可控开关的关断或导通；同时控制开关电源模块的启动或停止，使得负载供电途径在蓄电池供电与市电供电之间可靠切换；同时本发明也降低了开关电源的功耗，提高了供电效率。

Description

一种太阳能与市电互补控制器
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是一种可使负载供电在太阳能与市电之间适时切换的太阳能与市电互补控制器。
背景技术
在当前全球能源紧张的今天，新能源的利用和传统能源的节能，已经是各国政府必须考虑的问题。太阳能是目前最普遍和廉价的清洁能源之一。太阳能照明系统就是利用太阳能光伏原理，白天利用太阳能电池板对蓄电池充电。夜晚，用充到蓄电池中的电能来点亮灯具。但是目前这一系统存在一些问题，比如连续长时间阴雨天，蓄电池会亏电。这样夜晚时，照明系统就不会工作。为了保证照明系统稳定可靠的工作，就引入了市电互补的概念。所谓市电互补太阳能控制器，就是在阳光较好的情况下，使用太阳能照明，长时间阴雨天，蓄电池亏电时，自动转入市电供电。这样既节约了能源，又能够保证照明系统的稳定性和可靠性。但目前的市电互补太阳能控制器，存在以下几个问题：
一种是开关电源始终工作在恒压状态，并将开关电源的输出端直接连接到蓄电池上。这种接法，不能充分利用太阳能的能源，开关电源始终要消耗较大的市电能量。而且开关电源的寿命有较大的影响。
二是利用继电器控制开关电源的输入，这样做，虽然开关电源平时不工作，有利于节约市电能源和延长寿命，但是每次转入市电工作时，开关电源都是冷启动，如果在比较寒冷的地区，开关电源就不一定能够启动。还有一个问题就是，蓄电池亏电后，启动开关电源，为了防止开关电源对蓄电池充电而电流过大，使开关电源保护，必须在其回路中加一只防反充二极管，由于这只二极管加在主电流回路中，所以流过的电流较大，一般压降在1.2V~2V左右，所以有相当大的损耗。市电的利用率不高。由于二极管产生大量的热量，可靠性也比较低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种能源效率和工作可靠性均比较高的太阳能与市电互补控制器。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种太阳能与市电互补控制器，包括用于连接蓄电池的直流输入端、用于连接市电的交流输入端，以及用于连接负载的电源输出端；其特征是，直流输入端与电源输出端之间的线路上设有放电控制模块；交流输入端与电源输出端之间的线路上设有开关电源模块；
所述放电控制模块中设有可控开关和可控开关驱动电路，可控开关的关断可使直流输入端与负载电源输出端之间的线路断开；
还包括中央处理器和电压检测模块；电压检测模块检测直流输入端的电压，并将电压检测值输出至中央处理器；中央处理器根据电压检测值，通过放电控制模块中的可控开关驱动电路控制可控开关的关断或导通；同时控制开关电源模块的启动或停止，使得负载供电途径在蓄电池供电与市电供电之间切换。
作为一种改进，本发明还包括连接在太阳能电池与蓄电池之间的充电控制模块；电压检测模块同时检测直流输入端即蓄电池电压，以及太阳能电池的电压，并将电压值输出至中央处理器；中央处理器比较两个电压值的大小：如果太阳能电池电压大于蓄电池电压，则中央处理器控制充电控制模块，使太阳能电池对蓄电池进行充电。
为了避免负载短路或过流对蓄电池造成的伤害，本发明中直流输入端与电源输出端之间还设有短路保护模块，中央处理器可控制短路保护模块的启动或停止；在启动时，短路保护模块检测直流输入端与电源输出端之间线路上的电流，如果出现过流情况则输出可控开关关断信号至放电控制器中的可控开关驱动电路，使得可控开关关断。短路保护模块在输出可控开关关断信号的同时，还输出保护状态信号至中央处理器。中央处理器可通过禁能即停止短路保护模块的运行，来解除短路或过流情况引发的电路保护状态。
作为一种改进，本发明还包括通信模块，中央处理器通过通信模块连接上位机，同时可将当前负载供电状态信息输出至上位机，通过上位机可对中央处理器中触发负载供电途径切换的蓄电池的限值电压进行修改，相关软件程序可利用现有技术。
优选的，本发明中的可控开关为双向电子开关，双向电子开关串接在直流输入端负极与电源输出端负极之间的线路上。双向电子开关可选择现有成熟产品，也可利用现有成熟电子电路技术进行设计。优选的，本发明中双向电子开关包括栅极互连的两个NMOS管，可控开关驱动电路的输出端连接两个NMOS管的源极；直流输入端的负极连接其中一个NMOS管的漏极，电源输出端的负极连接另一个NMOS管的漏极；两个NMOS管的栅极与源极之间设有电阻；NMOS管的关断即双向电子开关的关断。这种无触点的双向电子开关，其内阻只有十几个毫欧，损耗极小，过载能力强，开关速度在100ns以内，且驱动电流非常小，负载短路时可迅速关断。
优选的，本发明中所述通信模块为现有的红外通信模块。
本发明中电压检测模块以及充电控制模块可分别现有的功能模块单元或相关功能电路，也可采用现有的一体化的太阳能充电控制模块电路；中央处理器可采用现有的微型处理器芯片，如单片机，微型处理器对充电控制模块的控制可利用现有技术。
有益效果
本发明在应用时，中央处理器时刻监视蓄电池的电压，当蓄电池亏电时即可迅速通过开关电源实现负载供电途径在蓄电池与市电之间的切换；同时通过控制放电控制器中的可控开关将蓄电池供电线路切断；工作可靠且效率极高。此外，本发明中通过中央处理器直接控制开关电源实现市电对负载的供电，开关电源可工作在恒压输出模式和绿色关断模式，在负载由蓄电池供电时，开关电源模块处于绿色关断模式下，其输出为0，输入功率小于0.1W，功耗非常小；当蓄电池欠压时，蓄电池供电途径被切断，开关电源模块为恒压输出，只对负载供电，而不给蓄电池充电；而且现有的开关电源模块内部皆有过流和短路保护功能，保证了开关电源的高效率正常工作，进而保证了负载工作的可靠性。
附图说明
图1所示为本发明的一种实施例结构原理示意图；
图2所示为本发明另一种实施例结构原理示意图；
图3所示为本发明第三种实施例结构原理示意图；
图4所示为本发明中短路保护模块的电路原理图；
图5所示为本发明放电控制模块中可控开关驱动电路的电路原理图；
图6所示为本发明放电控制模块中可控开关为双向电子开关的实施例电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式做进一步描述。
结合图1至图3，本发明的太阳能与市电互补控制器，包括用于连接蓄电池的直流输入端、用于连接市电的交流输入端、用于连接负载的电源输出端、中央处理器和电压检测模块；直流输入端与电源输出端之间的线路上设有放电控制模块；交流输入端与电源输出端之间的线路上设有开关电源模块。
放电控制模块中设有可控开关和可控开关驱动电路，可控开关的关断可使直流输入端与负载电源输出端之间的线路断开。如图5所示为本发明中可控开关驱动电路的一种具体实施例，其中包括接受中央处理器关断命令信号PWM3的第一信号输入端，R7、Q3、R8、R15、Q7、D2、Q8、R9、D3组成高速驱动电路，输出关断信号KEY3至可控开关的控制端，从而使得可控开关关断，可控开关可选择现有的如MOS管、三极管等。
如图6所示为本发明中可控开关的一种具体实施例，这种可控开关为双向电子开关，其包括栅极互连的两个NMOS管Q12和Q13，可控开关驱动电路的输出信号KEY3分别通过R45和R46输入到两个NMOS管的源极，即NMOS管的控制端；直流输入端的负极通过R52连接其中一个NMOS管Q13的漏极，电源输出端的负极连接另一个NMOS管Q12的漏极；两个NMOS管的栅极与源极之间通过电阻R19连接；两个NMOS管的漏极之间并联有R49和双向二极管TR2；两个NMOS管的栅极通过C19连接Q13的漏极。NMOS管的关断即双向电子开关的关断。这种双向电子开关具有高速低阻的特性。
为了避免负载短路或过流对蓄电池造成的伤害，本发明中直流输入端与电源输出端之间还设有短路保护模块，如图4所示。中央处理器MCU可通过输出使能信号Reference控制短路保护模块的启动；在启动时，短路保护模块检测直流输入端与电源输出端之间线路上的电流，具体的检测电流为连接供电线路负极的电阻R52另一端上通过的电流Current1，短路保护模块中的比较器U1B可实现对过流情况的判断。如果比较器U1B的5脚电压高于6脚电压，则出现过流情况，7脚会输出高电平，同时通过R37和D10锁定状态，高电平信号分别经过R45、R55触发三极管Q15和Q16导通：Q15输出可控开关关断信号CUT_OFF至图5所示的可控开关驱动电路的第二输入端，使得可控开关驱动电路输出信号KEY3至双向电子开关，使双向电子开关关断，切断蓄电池供电线路；Q16输出保护状态信号至中央处理器，通知进入保护状态。中央处理器可根据需要将使能信号Reference置为高电平，即可禁能即停止短路保护模块的运行，来解除短路或过流情况引发的电路保护状态。
本发明中中央处理器为现有的单片机或其他微型计算机，电压检测模块为现有的功能模块单元。在应用时，电压检测模块持续检测直流输入端的电压，并将电压检测值输出至中央处理器；中央处理器将电压检测值与预设定的负载供电途径切换限值进行比较，如果低于限值，则中央处理器通过放电控制模块中的可控开关驱动电路控制可控开关即双向电子开关的关断；同时控制开关电源模块启动，使得负载供电途径切换为由市电供电。中央处理器中的负载供电途径切换限值可通过上位机进行修改。上位机与中央处理器之间通过通信模块连接同时，在出现过流情况时，中央处理器也可通过通信模块将保护状态信息发送至上位机，以通知相关工作人员及时处理。通信模块为现有的红外通信模块。
作为一种改进的实施例，如图2所示，本发明还包括连接在蓄电池与太阳能电池之间的充电控制模块。本实施例中，电压检测模块同时检测电源输入端即蓄电池电压，以及太阳能电池的电压，并将电压检测值输出至中央处理器，中央处理器对接收到的两个电压检测值进行比较，如果比较结果为太阳能电池电压高于蓄电池电压，则中央处理器控制充电控制模块，启动太阳能电池对蓄电池的充电过程。电压检测模块以及充电控制模块可分别选用现有的功能模块单元。
进一步的，本发明的第三种实施例如图3所示，其中电压电测模块与充电控制模块采用现有的一体化的太阳能充电控制模块电路，中央处理器对太阳能充电控制模块电路的控制方法采用现有控制方法。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种太阳能与市电互补控制器，包括用于连接蓄电池的直流输入端、用于连接市电的交流输入端，以及用于连接负载的电源输出端；其特征是，直流输入端与电源输出端之间的线路上设有放电控制模块；交流输入端与电源输出端之间的线路上设有开关电源模块；
所述放电控制模块中设有可控开关和可控开关驱动电路，可控开关的关断可使直流输入端与负载电源输出端之间的线路断开；
还包括中央处理器和电压检测模块；电压检测模块检测直流输入端的电压，并将电压检测值输出至中央处理器；中央处理器根据电压检测值，通过放电控制模块中的可控开关驱动电路控制可控开关的导通或关断；同时控制开关电源模块的启动或停止，使得负载供电途径在蓄电池供电与市电供电之间切换。
2. 根据权利要求1所述的太阳能与市电互补控制器，其特征是，还包括连接在太阳能电池与蓄电池之间的充电控制模块；电压检测模块同时检测直流输入端即蓄电池电压，以及太阳能电池的电压，并将电压值输出至中央处理器；中央处理器比较两个电压值的大小：如果太阳能电池电压大于蓄电池电压，则中央处理器控制充电控制模块，使太阳能电池对蓄电池进行充电。
3. 根据权利要求1所述的太阳能与市电互补控制器，其特征是，直流输入端与电源输出端之间还设有短路保护模块，中央处理器可控制短路保护模块的启动或停止；在启动时，短路保护模块检测直流输入端与电源输出端之间线路上的电流，如果出现过流情况则输出可控开关关断信号至放电控制器中的可控开关驱动电路，使得可控开关关断。
4. 根据权利要求1所述的太阳能与市电互补控制器，其特征是，还包括通信模块，中央处理器通过通信模块连接上位机。
5. 根据权利要求3所述的太阳能与市电互补控制器，其特征是，所述短路保护模块在输出可控开关关断信号的同时，还输出保护状态信号至中央处理器。
6. 根据权利要求1至4任一项所述的太阳能与市电互补控制器，其特征是，所述可控开关为双向电子开关，双向电子开关串接在直流输入端负极与电源输出端负极之间的线路上；双向电子开关包括栅极互连的两个NMOS管，可控开关驱动电路的输出端连接两个NMOS管的源极；直流输入端的负极连接其中一个NMOS管的漏极，电源输出端的负极连接另一个NMOS管的漏极；两个NMOS管的栅极与源极之间设有电阻；NMOS管的关断即双向电子开关的关断。
7. 根据权利要求4所述的太阳能与市电互补控制器，其特征是，所述通信模块为红外通信模块。
8. 根据权利要求1至4任一项所述的太阳能与市电互补控制器，其特征是，所述中央处理器为单片机。
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