CN103227483B - 一种供多种电池充电的太阳能充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式太阳能充电器，可供移动设备电池充电，属于太阳能电池技术应用领域。目的为便携式通讯装备配套电池开发通用光伏充电控制器，主要特征盒体内安装集成电路模块包括由MCU控制MPPT太阳能最大功率输出充电和DC/DC控制，电压电流检测及显示和告警；插拔式PV输入接口插接多维折叠的柔性太阳能电池组件或其它电源。其后端控制的电池类型、电压、容量具有多种类型，前端采用光伏输入，能实现不同电压电池使用时的最大光伏输入；此控制器应用在野外环境，有较好的防水性能；显示简洁、操作方便，便于携带。

Description

一种供多种电池充电的太阳能充电器

技术领域

本发明渉及一种便携式太阳能充电器，可供移动设备电池充电，属于太阳能电池技术应用领域。

背景技术

目前，便携式移动设备的种类越来越多，应用场合也越来越广泛，而为其提供能量的电池种类和规格也在不断的增加。虽然市场上售卖的各种各样的电池充电器，但将电池分类，而专门为此对多类电池做不同的充电控制处理的太阳能充电器或称PV充电器，少之又少。尤其像户外移动通信设备，野外气象环境监测、科考、抗震救灾、旅游等民用，都有需求。中国专利《一种便携式太阳能发电系统》ZL201220119735.2，集成充电控制、蓄电池、逆变器于一体，其体积和重量仍然过大过重。判定电池满充采用恒压阶段的电流来判断，以电流降为1/10C到1/20C时认为电池充满。不同的是太阳能电池充电过程受阳光强弱的影响电流变化很大，致使影响电池充电过程中电流的不稳定。用充电电流进行满充判断，容易造成判断错误。中国申请专利号：200510125723.5“可便携式太阳能充电器”和“太阳能充电器”专利号：01226030.4分别公开了一种集成太阳能电池板采用聚合物锂离子电池电压转换电路于一体，和DC/DC芯片升压控制电路等技术。但产品功能仍然不能满足市场需求。

发明内容

本发明创造在于克服现有太阳能充电器技术上存在的不足，设计一种具有电池类型选择、MPPT充电等多种功能的通用充电器。

其目的之一，充电器的前端输入接口接柔性太阳能电池板（组件），后端输出接口直接为便携式通讯装备用电池充电，体积小，便于携带。

另一个目的，充电器的后端控制的电池类型分类包括电压、容量具有多种类型，前端采用光伏输入，实现在不同电压电池使用时的最大光伏输入，实现对各类电池充电控制，并能显示充电剩余时间。

再一个目的，控制器应用在野外环境，需要较好的防水性能；且需要显示简洁、减少误判，操作方便。

本发明创造提出的技术解决方案是一种供多种电池充电，通用光伏充电控制器具有电池类型选择、MPPT充电、限压限流的DCDC控制、电池电压电流检测、显示及告警、PV启动及PV下电自动关机、插拔式PV输入接口及电池接口。主要包括盒体及安装在盒体内的集成电路板，其特征在于盒体上至少有两个PV输入接口，该输入接口外接软基片在内的太阳能电池板（组件），盒体内接输入电路模块和太阳能最大功率跟踪电路模块及输入电路模块；盒体上还有一个输出接口，该输出接口具有内接DC/DC转换电路模块输出端和外接充电电池。盒体内集成电路板还包括单片机（MCU）及接输入电路模块的输出端和太阳能最大功率跟踪模块的输入端，控制最大功率信号输出至DC/DC转换电路模块，使其输出接口的电压可调。由系统电源模块从输入电路模块的输出端口获得电能供包括DC/DC转换电路模块在内其它模块。

实施本发明创造所产生积极效果：控制器实现了对至少6类电池做不同的充电控制处理；电池电压可以通过系统检查自动识别，实现了电池类型和容量按键人为操作。采用柔性非晶硅组件，其输入电压范围为20～60V；在标准工况下，最大功率点工作电压为42V，最大功率为91.3W；能精确判断电池满充。静态功耗低、效率高、控制电路简单可靠，成本低。操作简单，使用方便广泛应用于野外环境监测、科考、旅游露营、抗震救灾通用性强等优点。

附图说明

图1、是本发明的结构示意图。

图2、是本发明实施例1充电器的电路模块方框图。

图3、是图2中太阳能输入并联电路模块10的电路图。

图4、是图2中系统电源模块20的电路图。

图5、是图2中MPPT30太阳能最大功率跟踪电路模块的电路图。

图6、是图2中DC/DC40转换电路模块的电路图。

图7、是图2中MCU50单片机和按键及显示模块60电路图.

以下结合附图进一步说明本发明的工作原理，见图1主要包括盒体1和安装在1上有多个输入接口2，输出接口3，盒体面上有按键和显示器60。图2主要包括插拔式PV输入接口2，通过输入接口2连接外部太阳能电池板（组件）的电输出口（未画出）。见图3，将外部太阳能电池板（组件）提供的太阳能电输入至并联电路模块10，由并联电路模块10输出端接系统电源模块20见图4和MPPT模块30的输入端见图5，该模块的输出端接DC/DC转换电路模块40的输入端见图6。见图7MCU50单片机与MPPT模块30的输入端连接，单片机50通过连接按键及显示模块60来控制输出，并连接输出接口3来实现控制对电池充电。输入电路模块10的输入端连接输入接口2接受由太阳能电池输出端口输出的太阳能电，太阳能电池发电一般简称PV光伏发电。太阳能最大功率跟踪电路模块30的输入端口与输入并联电路模块10的输出端口相连接，模块30的输出端口与DC/DC转换电路模块40的输入端口相连接，模块40的输出端口通过输出接口3给外部电池充电。系统电源模块20从输入电路模块10的输出端获得电能供DC/DC转换电路模块40及其它模块供电。

见图3，输入电路模块10的输入并联端口J1、J2、J3分别接防反二极管D1、D2、D3，其输出并联接电容C5和C6稳定前端PVout输入，其输出端接共模电感L2，其共模电感输出端口PVout输出电能信号分别接系统电源模块20的输入端，和MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块30的输入端。

图5，MPPT30太阳能最大功率跟踪电路模块输出MPPout信号，至DC/DC40转换电路模块的输入端，DC/DC40的输出端接至输出接口3和MCU50单片机、按键及显示60。MCU50单片机分别接系统电源10模块的输出端口和DC/DC40转换电路模块的输出端口，并接至输出端口3。系统电源20模块从输入电路10模块的输出端口PVout取电能，供DC/DC40转换电路模块及集成电路内多个模块。MPPT30模块通过AR2比较器TLV2252将电阻分压后的太阳能输入电压与基准电压做比较后，将比较信号反馈到MPPT30模块U7芯片MC9205进行调整后，由后端输出MPPout，从而使前端输入电压始终保持在太阳能最大功率点的电压上。输入接口2连接输入并联电路10的输入端口J1、J2、J3，可以同时选择三路太阳能电池组件（板）的电能输入，通过二极管D1、D3、D5将三路太阳能并联，输出电压PVout分别连接到系统电源20和MPPT的输入端;PVout连接到系统电源20的三极管Q1的发射极上，由电阻R4连接到三极管Q2的基极上，三极管Q1的基极通过电阻R3连接三极管Q2的集电极，三极管Q1的集电极与电感L1连接，三极管Q2的发射极接三极管Q3、Q4的集电极；稳压管D6接系统模块20的输入端，控制系统电源输入电压PVout启动，当PVout达到设定电压后会开启三极管Q4，从而使系统电源开始工作，由三极管Q3、稳压管D7和二极管D2输出稳定的12V电源，三极管Q3、Q4的发射极均接地，三极管Q4的基极通过电阻R5和稳压管D6接系统电源模块的输入端，Q3的基极与稳压管D7的阳极连接，稳压管D7的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极连接12V电源。

图5中，MPPT30模块的U7芯片MC9205的脚8连接到Q22栅极，电阻R35、R42将输入电压PVout分压后至运放AR2，通过与基准电压REF比较后反馈到U7芯片MC9205脚3调整电压，由脚8输出控制Q22的开闭。

图6中，DC/DC40模块的U3芯片KB9034控制电压电流的转换，脚7和脚10分别连接到低端和高端同步整流的两个NMOS管Q6、Q5的栅极上，并和电感L3组成Buck电路，低端同步整流NMOS管Q6的源极接地，漏极与电感（L3）连接；高端同步整流NMOS管（Q5）的源极连接电感（L3），漏极连接MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块（30）的输出端（MPPTout），通过芯片U3对Q5、Q6管的开闭调整，实现对充电输出的电压和电流进行调整。同时Q11、Q12、Q13、Q14及其分压网络组成电压调节反馈回路，单片机的脚6、7、10、11分别连接到三极管Q11、Q12、Q13、Q14的基极上，三极管Q11、Q12、Q13、Q14的集电极分别通过电阻连到芯片U3的脚2，三极管Q11、Q12、Q13、Q14的发射极均接地，通过控制三极管Q11、Q12、Q13、Q14的开闭来调整整个电阻分压网络的阻值，并反馈到KB9034的FB脚以调整输出电压。DC/DC模块40的电流采样电阻R24通过电阻R41将电流信号连接到比较器AR3的正输入端，再将由Q15、Q16、Q17及其分压电阻网络组成的基准连接到AR3的负输入端，通过与电流信号比较并反馈到芯片U3为KB9034的脚2（FB）以实现对电流的控制。模块40的J4为电池充电的输出口，直接连接到盒体1外壳的输出接口3上。

见图7，显示与按键60上的指示灯分别为LED1、LED2、LED3，其正极通过电阻连接到3.3V电源上，负极分别接到ＭＣＷ单片机５０的Ｕ４芯片PIC16F1516的脚12、13、14、15上，其中LED3为双色指示灯，按键SW1接至U4芯片PIC16F1516的脚16上；4位数码管U6采用U5为74HC595）控制，脚23、24、25分别连接到74HC595的脚14、12、11上用于数据传送，U4的脚17、18、21、22分别通过电阻连接到三极管Q18、Q19、Q20、Q21的基极上，分时控制四位数码管的显示。并联输出电路模块10输出PVout通过电阻R69和R74分压后经由R71连接到U4的脚4，用于对太阳能输入电压信号的采集；DC/DC模块４０的电压输出VB+通过R60和R64分压经电阻R61连接到ＭＣＵ单片机模块５０的Ｕ４芯片PIC16F1516的脚3外接蓄电池电压的检测。

图６，DC/DC40运算放大器AR3的比较器为TLV2252，通过buck回路将输入电压稳定到12V，为DC/DC芯片提供电源，转换电压5V和3.3V为其他芯片供电。系统电源模块20芯片型号为KB7550和LM1117。

具体实施方式

实施例1

本实施例的具体电路控制方式如下，如图3至图7所示。太阳能输入并联电路模块10包括三个输入接口J1、J2、J3，在其电源正端分别接有防反二极管D1、D3、D5，他们将输入接口1输入的太阳能隔离后并接到共模电感L2上，同时并接大电容稳定前端输入。

系统电源模块20直接从太阳能输入后端取电，通过三极管Q1、Q2、Q3、Q4以及电感L1、二极管D2、D4及稳压管D7组成升降压式变换电路（Buck电路），将输入电压稳定到12V，为DC/DC芯片提供电源，系统电源20通过U1、U2芯片KB7550和LM1117变换电路转换为换为5V和3.3V，为充电器IC芯片供电。

MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块30采用U7芯片MC9205,采用恒定电压调整太阳能最大功率跟踪；通过运放AR2芯片TLV2252运算比较器，将电阻R35和R42对PVout输入的电压分压后与基准电压REF做比较，将结果反馈到U7芯片MC9205芯片的FB脚，通过其调整Q22的占空比来调整后端输出，从而使前端输入电压始终保持在太阳能最大功率点电压上。

DC/DC转换电路模块40采用U3芯片KB9034控制电压电流的转换，其脚7和脚10分别连接到由Q6、Q5及电感L3组成Buck电路低端和高端同步整流的两个NMOS管Q6、Q5上，通过芯片U3对Q5、Q6开通时间的调整，对充电输出的电压和电流进行调整。由Q11、Q12、Q13、Q14及分压网络组成电压调节反馈回路，通过单片机50控制Q11、Q12、Q13、Q14的开通和闭合来调整电阻分压网络的阻值，并反馈到KB9034的FB的脚2用来调整输出电压，同理见图6采用运放AR3芯片TLV2252做比较器，将MOS管Q8、Q9、Q10及三级管Q15、Q16、Q17及各分压电阻组成的分压信号与电流采样电阻上的电压信号比较，并反馈到KB9034的FB脚以实现对输出电流的限制，三极管Q15、Q16、Q17的发射极均接地，三极管Q15、Q16、Q17的基极分别通过电阻连接MCU的脚26、27、28，三极管Q15、Q16、Q17的集电极通过电阻连接VDD。Q7为防反MOS管，当U3停止输出时，Q7防止电池电流反灌，可有效保护电池；J4为电池充电的输出口。

MCU50单片机选芯片PIC16F1516，按键显示控制电路模块60，单片机芯片U4和4位数码管U6以及三个LED指示灯；单片机50芯片PIC16F1516脚2接到电流采样运放AR1的输出脚，脚3接太阳能输入的分压网络，脚4接电池输出的分压网络，经单片机内AD转换电路将采集的太阳能输入电压及电池充电时的输出电压和电流进行模数转换。单片机50的脚6、7、10、11分别连接到三极管Q11、Q12、Q13、Q14的控制端，用于控制输出电压调整；单片机50的脚26、27、28接三极管Q15、Q16、Q17的控制脚，用于控制输出电流。本充电控制器显示60采用U5芯片74HC595，分时控制4位数码管U6，单片机50的脚23、24、25分别连接74HC595脚14、12、11用于控制显示数据。单片机50脚17、18、21、22分别连接三极管Q21、Q20、Q19、Q18的控制脚，用于分时选择数码管U6的某位显示；单片机50芯片PIC16F1516脚16连接在SW1按键开关上，用于检查外部操作。

实施例2

实施例图1-7盒体1外壳为135mm*97mm*45mm大小的铝壳，表面采用阳极氧化处理达到一定的抗盐雾腐蚀作用，外配三组柔性薄膜太阳能电池组件，功率为100W可折叠携带方便，适合野外使用。插拔式PV输入接口2插接多维折叠的柔性太阳能电池组件或其它变送器提供的直流电源。

该充电器的工作原理

系统电源模块20直接从太阳能输入后端取电，通过三极管Q1、Q2、Q3、Q4以及电感L1、二极管D2、D4及稳压管D7组成的Buck电路将输入电压稳定到12V，为DC/DC芯片提供电源，并通过KB7550和LM1117电源IC转换为5V和3.3V作IC的工作电源。

太阳能最大功率跟踪电路模块30采用MC9205恒定电压调整IC控制太阳能的最大功率跟踪；通过运放AR2（TLV2252）做比较器，将电阻R35和R42对PV输入的电压分压后与基准电压REF做比较，将结果反馈到MC9205芯片的FB脚，通过其调整Q22的占空比来调整后端输出，从而使前端输入电压始终保持在太阳能最大功率点的电压上。

DC/DC转换电路模块40由U3芯片KB9034将电压电流进行转换，其脚10和脚7分别连接高端和低端同步整流的两NMOS管Q5、Q6上，以及由Q5、Q6和电感L3组成Buck电路，通过U3对Q5、Q6开通时间的调整，达到对充电输出电压、电流的调整。

MCU单片机50控制由Q11、Q12、Q13、Q14及其分压网络组成电压调节反馈回路，以控制Q11、Q12、Q13、Q14的开闭达到调整电阻分压网络的阻值，并反馈到KB9034的FB脚以调整输出电压。运放AR3芯片TLV2252做比较器，将MOS管Q8、Q9、Q10及三级管Q15、Q16、Q17以及各分压电阻组成的分压信号与电流采样电阻上的电压信号比较，并反馈到KB9034的FB脚以实现对输出电流的限制。Q7为防反MOS管，当U3停止输出时，Q7防止电池电流反灌，可有效保护电池；J4为电池充电的输出口。

MCU50模块及显示控制电路模块60，包括一个单片机U4，模块60接4位数码管U6以及三个LED指示灯；单片机U4采用PIC16F1516芯片的脚2接电流采样运放AR1的输出端，U4的脚3接太阳能输入的分压网络，4脚连接太阳能电池板（组件）输出的分压网络，由MCU模块50的AD转换电路，将采集的太阳能输入电压，和对电池充电的输出电压、电流的模拟信号转换为数字信号。U4的脚6、7、10、11分别连接到三极管Q11、Q12、Q13、Q14的控制端控制输出电压调整，脚26、27、28连接到三极管Q15、Q16、Q17的控制脚控制输出电流；显示器模块U5芯片74HC595分时控制4位数码管U6，U4的脚23、24、25分别接U5芯片74HC595的脚14、12、11控制显示数据，U4的脚17、18、21、22分别连接三极管Q18、Q19、Q20、Q21的控制脚，用于分时选择数码管U6的某位显示；U4的脚16连接SW1按键开关，用于检查外部操作。

实施例3

见图1-7，本发明创造的控制器系统启动后数码管显示”5L”时，用户可以通过短按按键（3秒内）循环选择电池类型（选择过程中数码管以1HZ闪烁）；通过长按按键（大于3秒）确定电池类型，确定电池类型后数码管停止闪烁并显示电池类型10秒；之后显示充电剩余时间，查看电池类型：充电过程中长按按键（大于3秒）以显示电池类型。

电池类型及对应的数码管显示如下为：

1、7.2V锂离子电池容量为1—2AH数码管显示：“L1”

2、14.4V锂离子电池容量为10AH数码管显示：“L2”

3、12V碱性蓄电池容量小于0.6AH数码管显示：“C1”

4、12V碱性蓄电池容量为5.5AH数码管显示：“C2”

5、24V碱性电池容量为4.5AH数码管显示：“C3“

6、24V碱性电池容量为5AH数码管显示：“C4“

24V碱性电池容量为7AH数码管显示：“C5“

通过以上电池分类，控制器需要对以上6类电池做不同的充电控制处理过程；电池电压可以通过系统检查自动识别，电池类型和容量由外部选择（通过按键人为操作）。

实施例4

图同上，本发明创造的充电过程中：电池指示灯以1HZ频率闪烁；数码管显示剩余的充电时间，单位为小时，最大显示99小时；当前端PV输入功率不足时数码管显示“--”。

充电完成：电池指示灯停止闪烁；数码管显示“Ed”

开启数码管显示的时间为1分钟，之后数码管会自动关闭，若要再次开启数码管则短按按键（3秒内）。

实施例5

本发明创造的系统关闭

前端PV输入功率不足，不能对电池充电连续10分钟，系统自动关闭；取下电池，系统立即关闭。

Claims (11)

1.一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，主要由盒体(1)及安装在盒体（1）内的集成电路模块组成，其特征在于该集成电路模块具有多种功能接口，集成电路模块包括MCU、MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块（30）、并联输入电路模块（10）、DC/DC转换电路模块（40）、PV输入接口（2）及供电池充电的输出接口（3）；MCU根据电池类型选择MPPT充电，MCU由DC/DC转换电路模块（40）限压限流DC/DC控制，并对电池电压电流检测，及显示和告警，PV启动及PV下电自动关机；MCU（50）连接并联输入电路模块（10）的输出端，该并联输入电路模块（10）的输出端分别与MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块（30）的输入端、以及系统电源模块（20）的输入端连接；DC/DC转换电路模块（40）的输入端连接MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块（30）的输出端，输出接口（3）连接DC/DC转换电路模块（40）的输出端；MCU（50）还连接DC/DC转换电路模块（40）及输出接口（3），由MCU（50）控制最大功率信号输出，使其输出接口（3）的电压可调。

2.根据权利要求1所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的盒体（1），其上至少有两个插拔式PV输入接口（2），该输入接口（2）外接包括软基片在内的太阳能电池板或组件，盒体（1）上还有一个所述输出接口（3）。

3.根据权利要求2所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的插拔式PV输入接口（2）插接多维折叠的柔性太阳能电池组件。

4.根据权利要求3所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的PV输入接口（2）插接由导线串并联连接多块柔性太阳能电池组件构成的柔性太阳能光伏（PV）阵列。

5.根据权利要求1所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块（30）输入电压为20～60V，最大功率点工作电压为42V，最大功率输出91.3W。

6.根据权利要求1所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的DC/DC转换电路模块（40）由芯片U3控制电压电流的转换，芯片U3的型号为KB9034，芯片U3的脚7和脚10分别连接到低端同步整流NMOS管（Q6）栅极和高端同步整流NMOS管(Q5)栅极，并和电感（L3）组成Buck电路，调整充电输出的电压和电流，所述低端同步整流NMOS管（Q6）的源极接地，漏极与电感（L3）连接；所述高端同步整流NMOS管（Q5）的源极连接电感（L3），漏极连接MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块（30）的输出端（MPPTout）。

7.根据权利要求6所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于DC/DC转换电路模块（40）包括由三极管Q11、Q12、Q13、Q14组成的电压调节反馈电路，MCU采用单片机PIC16F1516，该单片机的脚6、脚7、脚10、脚11分别连接到三极管Q11、Q12、Q13、Q14基极反馈到芯片U3的FB脚控制输出电压，三极管Q11、Q12、Q13、Q14的集电极分别通过电阻连到芯片U3的脚2，三极管Q11、Q12、Q13、Q14的发射极均接地。

8.根据权利要求7所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的DC/DC转换电路模块（40）的电流采样电阻R24的一端接地，电阻R24的另一端分别与DC/DC转换电路模块（40）的输出端以及电阻R41的一端连接，电阻R41的另一端与比较器（AR3）的正输入端连接，由三极管Q15、Q16、Q17及其分压电阻网络组成的基准电压信号连接到比较器（AR3）的负输入端，与电流信号作比较，并反馈到U3的脚2以实现电流控制,三极管Q15、Q16、Q17的发射极均接地，三极管Q15、Q16、Q17的基极分别通过电阻连接MCU的脚26、27、28，三极管Q15、Q16、Q17的集电极通过电阻连接VDD。

9.根据权利要求1所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的并联输入电路模块（10）包括输入端J1、J2、J3，二极管D1、D3、D5将三路PV拔插式输入端并联，输出端分别连接到系统电源模块（20）的输入端和MPPT太阳能最大功率跟踪电路模块（30）输入端。

10.根据权利要求9所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于所说的系统电源模块（20）中的输入端与三极管Q1的发射极连接，并由电阻R4连接到三极管Q2的基极，三极管Q1的基极通过电阻R3连接三极管Q2的集电极，三极管Q1的集电极与电感L1的一端连接，电感L1的另一端与二极管D2的阳极连接，三极管Q2的发射极接三极管Q3、Q4的集电极；稳压管D6接系统电源模块（20）的输入端，启动系统电源模块的输入电压PVout；所说的启动系统电源模块的输入电压PVout，从而由三极管Q3、稳压管D7和二极管D2输出12V稳定的电源，三极管Q3的集电极连接三极管Q4的集电极，三极管Q3、Q4的发射极均接地，三极管Q4的基极通过电阻R5和稳压管D6接系统电源模块的输入端，三极管Q3的基极与稳压管D7的阳极连接，稳压管D7的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极连接12V电源。

11.根据权利要求10所述的一种供多种电池充电的太阳能充电控制器，其特征在于还包括按键及显示模块（60），该模块包括型号为74HC595的芯片U5和数码管U6；所说的MCU（50）U4芯片PIC16F1516，其脚17和脚18分别连接三极管Q20基极以及Q21基极，所述三极管Q20的发射极接地，三极管Q20的集电极连接数码管U6的脚9；所述三极管Q21的发射极接地，三极管Q21的集电极连接数码管U6的脚10。