CN103326419B - 太阳能取电的组合储能不间断供电装置 - Google Patents

太阳能取电的组合储能不间断供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,包括依次连接的太阳能电池极板、MPPT及电池管理模块、蓄电池、缓冲电路、超级电容器和DC-DC变换器。本发明的优点是:1)克服了传统MPPT控制算法复杂且易受日照强度及环境温度变化影响而使跟踪精度低的缺点。2)通过对蓄电池的端电压、放电电流、环境温度及电池容量的采样,并采用高效PWM蓄电池充电模式,保证蓄电池工作在最佳状态。3)利用了蓄电池与超级电容器组合进行储能,使系统同时具有较高的能量密度和功率密度,延长电源系统的使用寿命,提高了稳定性。4)仅需太阳能电池供电,且可长时间工作,安装方便,使用灵活,不受使用环境供电设施的限制。

Description

太阳能取电的组合储能不间断供电装置
技术领域
本发明涉及一种不间断供电装置,特别涉及一种利用蓄电池和超级电容组合储能的直流不间断供电装置。
背景技术
21世纪,人类将面临实现经济与社会可持续发展的重大挑战,在有限资源和环保严格要求的双重制约下如何发展经济已成为全球关注的焦点问题。而能源短缺问题日益突出,环境污染和温室效应的存在迫使人类只有依靠科技进步,大规模开发利用可再生能源,才能有效解决能源问题,实现经济社会可持续发展。近年来国际社会普遍关注对太阳能、风能、潮汐、地热等可再生能源的开发应用,其中太阳能资源由于储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和发展的可持续性,已成为能源结构转换中理想的替代能源,太阳能供电系统也成为了备受关注的研究课题。
目前,我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW,同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本成为世界太阳能电池生产第一大国。因此,太阳能电池作为光伏电源系统能量转换的关键环节,其产业的良好发展对电源系统的研究与开发具有极大的推动作用。
但同时,太阳能电池输出特性具有明显的非线性特征,这就需要MPPT控制器跟踪其最大功率点,但传统的MPPT控制策略存在或算法复杂或受光照强度和环境温度影响,跟踪精度较低的缺点;而且传统的MPPT是采样太阳能电池板的端口电压和电流,还存在电路结构复杂,附加功率损耗大等缺点。
目前应用于输电线路的直流电源通常采用蓄电池储能以实现供电不间断。但蓄电池存在使用寿命短、功率密度低、放电性能受温度影响、充放电电流不能太大等等问题,因此,对于要求长寿命、高可靠的应用场合,使用蓄电池储能就存在许多局限。随着科学技术的发展,超级电容器和大容量电解电容器技术已经日趋成熟。超级电容器作为一种新兴的储能设备,具有存储能量大、充电速度快、循环使用寿命长、功率密度高、超低温特性好和绿色环保等诸多优点。与蓄电池相比,它具有更低的串联等效电阻、更长的使用寿命、更宽的温度工作范围、更宽的电压变化范围、免维护和可密封等优势。但由于超级电容充电瞬间处于短路状态,且其充、放电过程中电压变化幅度很大,故当其作为储能器应用于不间断供电装置时,其充放电过程中存在输出电压稳定性的问题;另外,由于超级电容器放电时,其输出电压可以很低,故还应充分考虑在确保电路安全可靠工作的前提下,尽可能多地向输出负载释放能量的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,以解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,包括依次连接的太阳能电池极板、MPPT及电池管理模块、蓄电池、缓冲电路、超级电容器和DC-DC变换器。
本发明进一步的改进在于:所述太阳能电池极板,用于将吸收的太阳能转化为电能;所述MPPT及电池管理模块,用于:完成对太阳能电池输出的最大功率点跟踪;为蓄电池提供较稳定的充电电压;对蓄电池的工作进行管理;所述缓冲电路,用于稳定蓄电池的输出电流供超级电容器充电;所述DC-DC变换器,用于为负载提供稳定的输出电压。
本发明进一步的改进在于:MPPT及电池管理模块中的MPPT由输入滤波电容Ci、电感L、开关管S、输出二极管VD、输出滤波电容Co、分压采样电阻R24和R25以及开关管驱动电路组成,输入滤波电容Ci并接于太阳能电池极板的输出端,采样电阻R24一端与输入滤波电容Ci的正端相接,采样电阻R25的一端与输入滤波电容Ci的负端相接并接地,采样电阻R24的另一端和采样电阻R25的另一端相接并为开关管驱动电路的输入端;所述开关管驱动电路的输出端接到开关管S的开关端;所述开关管S剩下的两端,一端接到电感L和输出二极管VD阳极端的连接处,另一端接到地;所述电感L的一端与电阻R24的一端相接并接到输入滤波电容Ci的正端,另一端接到输出二极管VD的阳极端和开关管的连接处;所述输出二极管VD的阴极端接到输出电容Co的正端;所述输出电容Co的负端接到地;蓄电池并接在输出电容Co的两端。
本发明进一步的改进在于:MPPT及电池管理模块中的电池管理部分由LM393比较器、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、二极管D2、二极管D3、三极管Q2组成;比较器LM393的1脚与电阻R16和二极管D2、二极管D3的阳极相接处相接并接到电阻R23一端;比较器LM393的2脚接到电阻R17和电阻R18的串接处,所述比较器LM393的3脚与电阻R23的另一端相接并接到电阻R20和电阻R19的串接处,所述比较器LM393的4、5、6、7脚短接后接到地,所述比较器LM393的8脚接到芯片TL494的12脚后接到蓄电池的正端,所述电阻R17与电阻R18串接后另一端接蓄电池的正端,所述电阻R18与电阻R17串接后另一端接到地,所述电阻R19与电阻R20串接后另一端接到电阻R16的一端并与芯片TL494的14脚相接,所述电阻R20与比较器LM393的3脚相接后另一端接到地,所述电阻R23并接于比较器LM393的1脚和3脚之间,所述电阻R21的一端与二极管D3的阴极相接,另一端与三极管Q2的基极相接,所述电阻R22的一端与三极管Q2的基极相接,另一端接到三极管Q2的发射极后接到地,所述二极管D2的阳极与电阻R16和二极管D3的阳极连接处相接,所述二极管D2的阴极端与芯片TL494的3脚相接,所述二极管D3的阳极端与二极管D2的阳极端相接,所述二极管D3的阴极端与电阻R21的一端相接,所述三极管Q2的基极与电阻R21和电阻R22的连接处相接,所述三极管Q2的集电极与MP1484的7脚相接,所述三极管Q2的发射极与电阻R22的一端相接后接到地。
本发明进一步的改进在于:所述缓冲电路由功率开关管Q1,电阻R4、R5,储能电感L1,整流二极管D1,滤波电容C2,控制芯片IC1,反馈电压采样电路R10、R11,恒流保护电路R7、R8、R9,电阻R1、R2、R3、R6,电容C1、C4、C5相互连接构成,其中电阻R4与R5接到功率开关管Q1栅极,储能电感L1与整流二极管D1阴极接到功率开关管Q1的漏极,滤波电容C2并联到超级电容器上,反馈分压电阻R10、R11接芯片IC1的1脚,由电阻R1、R2、R3,电容C1组成的补偿电路接芯片IC1的2、3脚,电容C5、电阻R6分别接芯片IC1的5、6脚,电阻R7、R8,电容C4接芯片IC1的15脚,采样电阻R9电阻接芯片IC1的16脚。
本发明进一步的改进在于:所述芯片IC1的型号为TL494。
本发明进一步的改进在于:DC-DC变换器中:输入滤波电容C6与超级电容器并联,储能电感L2一端接控制芯片IC2的3脚,另一端与滤波电容C7阳极接负载的正端,滤波电容C7阴极接负载的负端;电容C10的一端与控制芯片IC2的1脚相连,另一端与控制芯片IC2的3脚相连,控制芯片IC2的2脚接超级电容器的阳极,4脚与地相连,反馈电压采样电阻R12一端与负载正端相连,另一端与电阻R13接控制芯片IC2的5脚,电阻R13的另一端与负载的负端相连,电容C8与电阻R14相连,电容C8的另一端接控制芯片IC2的6脚,电阻R14的另一端接负载的负端,电阻R15的一端与超级电容器的阳极相连,另一端与控制芯片IC2的7脚相连,电容C9一端与控制芯片IC2的8脚相连,另一端与负载的负端相连。
本发明进一步的改进在于:控制芯片IC2的型号为MP1484。
本发明在MPPT控制策略中,研究出一种新颖的MPPT判据和控制算法对太阳能电池端口电压实现最大功率点跟踪;在电池管理模块中,通过对蓄电池的端电压、放电电流、环境温度及电池容量的参数进行采样,并采用高效PWM蓄电池充电模式,保证蓄电池工作在最佳状态,大大延长蓄电池的使用寿命;在蓄电池的研究中,设计出一套新型组合储能方案:蓄电池+超级电容器(通过功率变换器并联方式,中间加缓冲电路),既能提高电源系统的短时高功率输出能力,也具备持久的动力性能。同时该发明仅需要太阳能电池供电,安装简单方便,不受使用环境限制。
相对于现有技术,本发明具有以下优点:
1)提出了一种新颖的MPPT判据及控制算法,克服了传统MPPT控制算法复杂且易受日照强度及环境温度变化影响而使跟踪精度低的缺点。
2)通过对蓄电池的端电压、放电电流、环境温度及电池容量的参数进行采样,并采用高效PWM蓄电池充电模式,保证蓄电池工作在最佳状态。
3)利用了蓄电池与超级电容器组合进行储能,使系统同时具有较高的能量密度和功率密度,并且极大地延长电源系统的使用寿命,提高了电源系统的稳定性。
4)本发明仅需太阳能电池供电,且可长时间工作,安装方便,使用灵活,不受使用环境供电设施的限制。
附图说明
图1是太阳能取电的组合储能不间断供电装置原理电路框图。
图2是图1中的MPPT模块实施电路工作原理图。
图3是图1中的蓄电池管理模块欠压保护电路工作原理图。
图4是图1中的缓冲电路模块实施电路工作原理图。
图5是图1中的DC-DC模块实施电路工作原理图。
具体实施方式
结合附图对本发明的整体结构及其工作原理作具体详细的说明:
如附图1所示,本发明一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置是由太阳能电池极板、MPPT及蓄电池管理模块、蓄电池、缓冲电路、超级电容器和DC-DC变换器构成,也就是说太阳能电池极板的输出端接MPPT及蓄电池管理模块的输入端,MPPT及蓄电池管理模块的输出端接蓄电池的输入端,蓄电池的输出端接缓冲电路模块的输入端,缓冲电路模块的输出端接超级电容器的输入端,超级电容器的输出端接DC-DC变换器的输入端。DC-DC变换器的输出端接负载。
如附图2所示,本发明中MPPT及蓄电池管理模块采用了一种新颖的判据和控制算法完成对太阳能电池的最大功率跟踪,MPPT的主电路采用Boost变换器结构,其开关管驱动采用DSP控制实现,蓄电池管理部分是由LM393比较器实现的。所述MPPT及蓄电池管理模块中的MPPT由输入滤波电容Ci、电感L、开关管S、输出二极管VD、输出滤波电容Co、分压采样电阻R24和R25以及开关管驱动电路组成,所述输入滤波电容Ci并接于太阳能电池极板的输出端,所述采样电阻R24一端与输入滤波电容Ci的正端相接,所述采样电阻R25的一端与输入滤波电容Ci的负端相接并接到地,所述采样电阻R24的另一端和采样电阻R25的另一端相接并为开关管驱动电路的输入端。所述开关管驱动电路的输出端接到开关管S的开关端。所述开关管S剩下的两端,一端接到电感L和输出二极管VD的连接处,一端接到地。所述电感L的一端与电阻R24的一端相接并接到输入滤波电容Ci的正端,另一端接到输出二极管VD和开关管S的连接处。所述输出二极管VD的阴极端接到输出电容Co的正端。所述输出电容Co的负端接到地。所述负载为蓄电池,它并接在输出电容Co的两端。其工作原理为:太阳能电池极板提供的电压经输入滤波电容Ci滤波后,由电压采样电阻R24、R25采样后送入开关管驱动电路,经开关管驱动电路分析判断后产生一个使Boost变换器开关管S导通或关断的信号。当产生使开关管S开通的信号时,开关管S开通,输出二极管VD因承受反向电压而关断,流过电感线圈L的电流iL线性增加,电能以磁能形式储在电感线圈L中,输出电容Co放电,向负载(蓄电池)供电,负载(蓄电池)上流过电流io。当产生使开关管S关断的信号时,开关管S关断,由于电感L中的电流iL不能突变,所以输出二极管VD导通续流,电感L与太阳能电池板提供的电源Ui同时向电容Co、负载(蓄电池)供电。当电感电流高于io时,电容Co被充电并同时向负载(蓄电池)提供电能;而当电感电流小于io时,电感L和电容Co同时向负载(蓄电池块)放电,维持Uo不变。
如附图3所示,所述MPPT及电池管理模块的电池管理部分电路由LM393比较器、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、二极管D2、二极管D3、三极管Q2组成。比较器LM393的1脚与电阻R16和二极管D2、二极管D3的阳极相接处相接并接到电阻R23一端;比较器LM393的2脚接到电阻R17和电阻R18的串接处,所述比较器LM393的3脚与电阻R23的另一端相接并接到电阻R20和电阻R19的串接处,所述比较器LM393的4、5、6、7脚短接后接到地,所述比较器LM393的8脚接到芯片TL494的12脚后接到蓄电池的正端,所述电阻R17与电阻R18串接后另一端接蓄电池的正端,所述电阻R18与电阻R17串接后另一端接到地,所述电阻R19与电阻R20串接后另一端接到电阻R16的一端并与芯片TL494的14脚相接,所述电阻R20与比较器LM393的3脚相接后另一端接到地,所述电阻R23并接于比较器LM393的1脚和3脚之间,所述电阻R21的一端与二极管D3的阴极相接,另一端与三极管Q2的基极相接,所述电阻R22的一端与三极管Q2的基极相接,另一端接到三极管Q2的发射极后接到地,所述二极管D2的阳极与电阻R16和二极管D3的阳极连接处相接,所述二极管D2的阴极端与芯片TL494的3脚相接,所述二极管D3的阳极端与二极管D2的阳极端相接,所述二极管D3的阴极端与电阻R21的一端相接,所述三极管Q2的基极与电阻R21和电阻R22的连接处相接,所述三极管Q2的集电极与MP1484的7脚相接,所述三极管Q2的发射极与电阻R22的一端相接后接到地。其工作原理为:当蓄电池不足以提供能量时,MPPT及电池管理模块的电池管理部分起作用,使缓冲电路和DC-DC变换器停止工作,蓄电池停止向负载供能,也就是说当比较器LM393的2脚从蓄电池采样的电压低于其3脚电压时,比较器1脚输出高电平信号,对于TL494,二极管D2导通,TL494的3脚接收到高电平,TL494停止工作;对于MP1484,二极管D3导通,三极管Q2基极为高电平,Q2导通并将MP1484的7脚电压拉到低电平,MP1484停止工作,最终实现对蓄电池在欠压时的工作管理。
如附图4所示,本发明中该缓冲电路可以采用已有成熟的变换器电路,本例采用在蓄电池与超级电容间接一基于PWM控制模式的DC-DC降压型变换器的方案实现,所述的降压变换主电路由功率开关管Q1,储能电感L1,整流二极管D1和滤波电容C2构成,所述的降压变换控制电路由控制芯片IC1,反馈电压采样电路R10、R11,恒流保护电路R7、R8、R9构成。其工作原理为:DC-DC降压型变换器在PWM控制器作用下输出一个稳定的直流供电电压,该直流供电电压在恒流电路的作用下向超级电容器进行恒流充电,芯片IC1的基准电压通过分压产生0.2V的恒流基准电压,当充电电流在额定电流以下时,检测电流电阻R9上的电压约为0.2V以下,则开关管正常导通而送出充电电流;当充电电流超过额定电流时,电流检测电阻R9上的电压超过约0.2V时,则开关管占空比减小,则输出电流减小,通过控制开关的占空比从而达到恒流的目的。改变电流检测电阻R9的阻值,可设定最大充电电流。图4给出的实施方案,该缓冲电路主电路由功率开关管Q1,电阻R4、R5,储能电感L1,整流二极管D1和滤波电容C2构成,其连接方式为:电阻R4的一端与功率开关管Q1的源极接蓄电池的正端,电阻R4另一端与电阻R5接功率开关管Q1的栅极,电阻R5另一端接控制芯片IC1的输出,功率开关管Q1的漏极与整流二极管D1的阴极接储能电感L1的一端,储能电感L1的另一端与滤波电容C2的阳极接超级电容的阳极,整流二极管D1的阳极与滤波电容C2的阴极接蓄电池的负端。DC-DC降压型变换器的控制电路由控制芯片IC1,反馈电压采样电路R10、R11,恒流保护电路R7、R8、R9,电阻R1、R2、R3、R6,电容C1、C4、C5构成,其连接方式为:电压采样电阻R10一端与超级电容SC的阳极相连,电阻R10的另一端与电阻R11相连接到控制芯片IC1的1脚,电阻R11的另一端接超级电容SC的阴极,电阻R1与电容C1相接,电阻R2与电阻R1另一端接控制芯片IC1的2脚,电阻R2另一端与电容C1另一端接控制芯片IC1的3脚,电阻R3一端与控制芯片IC1的2脚相连,另一端与控制芯片IC1的14脚相连,电容C4一端与控制芯片IC1的3脚相连,另一端接控制芯片IC1的15脚,电容C5的一端接控制芯片IC1的5脚,另一端接地,电阻R6的一端接控制芯片IC1的6脚,另一端接地,控制芯片IC1的4脚、7脚、9脚、10脚、13脚与地相连,控制芯片IC1的8脚、11脚与电阻R5相接,电阻R8一端与控制芯片IC1的14脚相连,另一端与电阻R7相接并连接到控制芯片IC1的15脚,电阻R7的另一端接地,电阻R9的一端与控制芯片IC1的16脚相连,另一端与地相连。
如附图5所示,本发明包括一个DC-DC变换器模块电路,本例采用在超级电容与负载间接一基于PWM控制模式的DC-DC降压型变换器的方案实现,它的降压变换主电路由储能电感L2,滤波电容C7构成。它的降压变换控制电路由控制芯片IC2,反馈电压采样电路R12、R13构成。其工作原理为:控制芯片IC2内部集成了功率开关管与整流二极管,通过反馈电压采样电路调节占空比,使输入电压在一个大的变化范围内保持输出电压稳定。图5给出的实施方案,该DC-DC降压型变换器主电路由输入滤波电容C6,储能电感L2和滤波电容C7构成,其连接方式为:输入滤波电容一端接超级电容的阳极,另一端接超级电容的阴极,储能电感L2一端接控制芯片IC2的3脚,另一端与滤波电容C7阳极接负载的正端,滤波电容C7阴极接负载的负端。DC-DC降压型变换器的控制电路由控制芯片IC2,反馈电压采样电路R12、R13,电阻R14、R15,电容C8、C9、C10构成,其连接方式为:电容C10的一端与控制芯片IC2的1脚相连,另一端与控制芯片IC2的3脚相连,控制芯片IC2的2脚接超级电容的阳极,4脚与地相连,反馈电压采样电阻R12一端与负载正端相连,另一端与电阻R13接控制芯片IC2的5脚,电阻R13的另一端与负载的负端相连,电容C8与电阻R14相连,电容C8的另一端接控制芯片IC2的6脚,电阻R14的另一端接负载的负端,电阻R15的一端与超级电容的阳极相连,另一端与控制芯片IC2的7脚相连,电容C9一端与控制芯片IC2的8脚相连,另一端与负载的负端相连。
本发明的工作原理为:太阳能电池极板的作用是将吸收的太阳能转化为电能,但随着光照强度以及温度的变化,太阳能电池板的最大输出功率及其所对应的端口电压和电流也同时会发生变化,故它不能直接为负载提供电源,更不能存储电能,只能通过其它器件和电路的存储和转化,实现长时间输出稳定的电压为负载供电。而MPPT及电池管理模块不仅可以跟踪太阳能电池的最大功率,输出稳定的电压,还可以对蓄电池的工作情况进行管理,所以在太阳能电池极板后接MPPT及电池管理模块有三个作用,一是完成对太阳能电池输出的最大功率点跟踪,二是为蓄电池提供较稳定的充电电压,三是对蓄电池的工作进行管理。蓄电池是储能设备,但由于它不能满足本发明系统短时间大功率的要求,而同时超级电容又具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长、效率高、低温性能优越的优点,很好的弥补了蓄电池的不足,所以本发明采用蓄电池和超级电容组合起来储能。本发明在蓄电池和超级电容之间增加了缓冲电路,由于蓄电池组和超级电容器组的端电压可以不同,因而在设计上具有较大的灵活性;其次由于可以通过功率变换器将蓄电池的输出电流限定到安全可靠的范围,因而能够大大提高系统的功率输出能力;另外蓄电池基本上以恒流输出方式工作,优化了蓄电池的放电过程。由于在额定工作电流时,高密度储能电容器及蓄电池长时间工作,其输出端电压将会在一定范围内变化。所以,该发明在电路后极加入了DC-DC变换器电路,使其为负载提供稳定的输出电压。
本发明中各个模块的工作原理介绍如下:
MPPT及电池管理模块中的MPPT主电路采用Boost变换器结构,其组成原理如图2所示。太阳能电池板提供的电压经输入滤波电容滤波后,由电压采样电阻R24、R25采样后送入开关管驱动,经开关管驱动分析判断后产生一个使Boost变换器开关管S导通或关断的信号。当产生使开关管S开通的信号时,开关管S开通,二极管因承受反向电压而关断。电流iL流过电感线圈L,电流线性增加,电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时,输出电容Co放电,仅由电容向负载(蓄电池)供电,负载(蓄电池)上流过电流io。当产生使开关管S关断的信号时,开关管S关断,由于电感L中的电流iL不能突变,强迫输出二极管VD导通续流,这样电感L与太阳能电池板提供的电源Ui同时向电容Co、负载(蓄电池)供电。当电感电流高于io时,电容被充电并同时向负载(蓄电池)提供电能;而当电感电流小于io时,电感和电容同时向负载(蓄电池)放电,维持Uo不变。MPPT及电池管理模块向蓄电池提供稳定的输入电压。
MPPT及电池管理模块的电池管理部分电路的工作原理为:当蓄电池不足以提供能量时,MPPT及电池管理模块的电池管理部分作用,使缓冲电路和DC-DC电路停止工作,蓄电池停止向负载供能,也就是说当比较器LM393的2脚从蓄电池采样的电压低于其3脚电压时,比较器1脚输出高电平信号,对于TL494,二极管D2导通,TL494的3脚接收到高电平,TL494停止工作;对于MP1484,二极管D3导通,三极管Q2基极为高电平,Q2导通并将MP1484的7脚电压拉到低电平,MP1484停止工作,最终实现对蓄电池在欠压时的工作管理。
缓冲电路模块由降压型变换器组成,由于只有一个开关管,所以使用TL494控制电路时,TL494应采用单端输出方式,输出方式控制端13脚接低电平,两个输出晶体管的发射极E1、E2并联接地,集电极的输出端C1、C2并联输出驱动开关管;TL494内部的误差放大器“1”及其外围元件构成电压控制模式的调节器,其反相输入端2脚通过R3接到基准电压端(5V),同相端1脚接到输出电压在R10和R11上的分压端,R1、R2和C3构成电压调节器的补偿网络;TL494内部的误差放大器“2”及其外围元件构成输出过载保护电路的电流比较环节,其同相端16脚接输出电流采样信号;将14脚的基准电压经过分压后接到反相端15脚作为过电流保护的设定值,当电流流过R9产生的电压超过该设定值时,误差放大器“2”输出高电平,开关管关断,从而实现过电流保护;5、6脚所接的电容和电阻用来设定芯片的振荡频率。蓄电池通过缓冲电路为超级电容器充电,当缓冲电路的输出电流过大或输出短路时,R9上产生的压降增加,当其增加到超过15脚的电压时,误差放大器“2”输出高电平,致使功率开关管关断,输出电流下降,从而限制了电流的进一步增加。当缓冲电路正常工作时,若某种原因致使输出电压有升高趋势时,电压误差放大器“1”的同相输入端1脚电压升高,其输出电压Ve增大,使PWM比较器的高电平输出脉冲宽度增大,芯片输出端8、11脚的高电平脉冲宽度也增加,功率开关管的导通比减小,输出电压将下降,最终使输出电压维持稳定。因此,该缓冲电路通过芯片内部的误差放大器及电路相关元件参数的设计实现了“恒流限压”的作用。
DC-DC降压型变换器控制芯片使用内部的N沟道MOSFET开关管,对输入电压进行降压。由于高端MOSFET栅极需要的驱动电压高于输入电压,因此需要在3脚与1脚之间外接升压电容C10。当3脚电压低时,升压电容由内部电压进行充电。输出电压通过外部的电阻分压网络R12、R13接到反馈端5脚,并通过内部误差放大器进行放大。补偿端6脚的电压通过与内部开关的电流比较,来控制输出电压。当反馈端5脚的电压超过规定电压的20%时,过压比较器翻转,补偿端6脚及软启动端8脚对地放电,使高端开关管关断。由于额定电流工作,高密度储能电容器及蓄电池长时间工作的输出端电压将会在一定范围内变化,该DC-DC变换器电路通过反馈输出电压调节控制开关的占空比,使其在大的输入电压范围内变化时仍为负载提供稳定的输出电压。

Claims (6)

1.一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,其特征在于,包括依次连接的太阳能电池极板、MPPT及电池管理模块、蓄电池、缓冲电路、超级电容器和DC-DC变换器;
MPPT及电池管理模块中的MPPT由输入滤波电容Ci、电感L、开关管S、输出二极管VD、输出滤波电容Co、分压采样电阻R24和R25以及开关管驱动电路组成,输入滤波电容Ci并接于太阳能电池极板的输出端,采样电阻R24一端与输入滤波电容Ci的正端相接,采样电阻R25的一端与输入滤波电容Ci的负端相接并接地,采样电阻R24的另一端和采样电阻R25的另一端相接并为开关管驱动电路的输入端;所述开关管驱动电路的输出端接到开关管S的开关端;所述开关管S剩下的两端,一端接到电感L和输出二极管VD阳极端的连接处,另一端接到地;所述电感L的一端与电阻R24的一端相接并接到输入滤波电容Ci的正端,另一端接到输出二极管VD的阳极端和开关管的连接处;所述输出二极管VD的阴极端接到输出电容Co的正端;所述输出电容Co的负端接到地;蓄电池并接在输出电容Co的两端;
MPPT及电池管理模块中的电池管理部分由LM393比较器、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、二极管D2、二极管D3、三极管Q2组成;比较器LM393的OUTA脚与电阻R16和二极管D2、二极管D3的阳极相接处相接并接到电阻R23一端;比较器LM393的INA-脚接到电阻R17和电阻R18的串接处,所述比较器LM393的INA+脚与电阻R23的另一端相接并接到电阻R20和电阻R19的串接处,所述比较器LM393的GND、INB+、INB-、OUTB脚短接后接到地,所述比较器LM393的VCC脚接到芯片TL494的VCC脚后接到蓄电池的正端,所述电阻R17与电阻R18串接后另一端接蓄电池的正端,所述电阻R18与电阻R17串接后另一端接到地,所述电阻R19与电阻R20串接后另一端接到电阻R16的一端并与芯片TL494的VREF脚相接,所述电阻R20与比较器LM393的INA+脚相接后另一端接到地,所述电阻R23并接于比较器LM393的OUTA脚和INA+脚之间,所述电阻R21的一端与二极管D3的阴极相接,另一端与三极管Q2的基极相接,所述电阻R22的一端与三极管Q2的基极相接,另一端接到三极管Q2的发射极后接到地,所述二极管D2的阳极与电阻R16和二极管D3的阳极连接处相接,所述二极管D2的阴极端与芯片TL494的COMP脚相接,所述二极管D3的阳极端与二极管D2的阳极端相接,所述二极管D3的阴极端与电阻R21的一端相接,所述三极管Q2的基极与电阻R21和电阻R22的连接处相接,所述三极管Q2的集电极与MP1484的EN脚相接,所述三极管Q2的发射极与电阻R22的一端相接后接到地。
2.根据权利要求1所述的太阳能取电的组合储能不间断供电装置,其特征在于,
所述太阳能电池极板,用于将吸收的太阳能转化为电能;
所述MPPT及电池管理模块,用于:完成对太阳能电池输出的最大功率点跟踪;为蓄电池提供较稳定的充电电压;对蓄电池的工作进行管理;
所述缓冲电路,用于稳定蓄电池的输出电流供超级电容器充电;
所述DC-DC变换器,用于为负载提供稳定的输出电压。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,其特征在于,所述缓冲电路由功率开关管Q1,电阻R4、R5,储能电感L1,整流二极管D1,滤波电容C2,控制芯片IC1,反馈电压采样电路R10、R11,恒流保护电路R7、R8、R9,电阻R1、R2、R3、R6,电容C1、C4、C5相互连接构成,其中电阻R4与R5接到功率开关管Q1栅极,储能电感L1与整流二极管D1阴极接到功率开关管Q1的漏极,滤波电容C2并联到超级电容器上,反馈分压电阻R10、R11接控制芯片IC1的第一EA+脚,由电阻R1、R2、R3,电容C1组成的补偿电路接控制芯片IC1的第一EA-、COMP脚,电容C5、电阻R6分别接控制芯片IC1的CT、RT脚,电阻R7、R8,电容C4接控制芯片IC1的第二EA-脚,采样电阻R9电阻接控制芯片IC1的第二EA+脚。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,其特征在于,所述控制芯片IC1的型号为TL494。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,其特征在于,DC-DC变换器中:输入滤波电容C6与超级电容器并联,储能电感L2一端接控制芯片IC2的SW脚,另一端与滤波电容C7阳极接负载的正端,滤波电容C7阴极接负载的负端;电容C10的一端与控制芯片IC2的BS脚相连,另一端与控制芯片IC2的SW脚相连,控制芯片IC2的IN脚接超级电容器的阳极,GND脚与地相连,反馈电压采样电阻R12一端与负载正端相连,另一端与电阻R13接控制芯片IC2的FB脚,电阻R13的另一端与负载的负端相连,电容C8与电阻R14相连,电容C8的另一端接控制芯片IC2的COMP脚,电阻R14的另一端接负载的负端,电阻R15的一端与超级电容器的阳极相连,另一端与控制芯片IC2的EN脚相连,电容C9一端与控制芯片IC2的SS脚相连,另一端与负载的负端相连。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能取电的组合储能不间断供电装置,其特征在于,控制芯片IC2的型号为MP1484。
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