CN103368233A - 多电池组太阳能供电系统 - Google Patents

Abstract

一种多电池组太阳能供电系统，由主-副双太阳能电池板、多个锂电池组储能元件、前端DC/DC电压变换电路、充-供电管理电路、后端DC/DC电压变换电路、电量检测电路、相应的电池保护电路和中央处理单元（CPU）构成，本发明采用多个锂电池组作为储能元件，采用CPU分别对每个锂电池组进行能量管理，即使某锂电池异常也不影响系统正常工作，同时采用主-副双太阳能电池板工作模式，现场应用时根据需要配置副太阳能电池板，从而完成电池板选型灵活配置。本发明在充电时按照MPPT控制方法高效的给锂电池组充电，试用表明电源系统运行良好，为动态提高输电线路容量、系统的稳定性和可靠性提供有力保证。

Description

多电池组太阳能供电系统

技术领域

本发明涉及太阳能供电，特别是一种多电池组太阳能供电系统

背景技术

由于输电线路在线监测装置运行环境非常恶劣，电源的可靠性直接决定整个监测装置的性能。

现有的输电线路的取电方式主要有感应取电、太阳能和风能三种方式。感应取电主要通过电磁感应原理直接从输电线路上获取能量，此方式只适用于高压侧的取电方式；风能是利用风力带动小型发电机工作产生能量，由于其安装在野外杆塔上，定期的检查和维护难以保证，从而降低了风能取能的可靠性；太阳能是将太阳的光和热转化成电能的一种取电方式，由于太阳能电池板免维护的特点，得到了广泛的应用。但是太阳能供电系统还存在如下两方面的问题。

①太阳能电池板选型难以适应满足现场运行需要。由于输电线路杆塔可供安装太阳能电池板的位置有限，大多数情况太阳能电池板不能工作在最佳状态，同时由于输电线路在线监测装置地域分布很广，不同杆塔之间的日照强度差异很大，在工程应用中，通常留有较大的裕量，以满足不同的情况，即使这样还存在少数监测装置电源供应不足导致系统工作不稳定的情况；

②电源管理系统可靠性低。目前太阳能供电系统大多都采用单电池作为能量存储器，一旦电池发生异常将导致整个电源故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多电池组太阳能供电系统，该供电系统采用多个锂电池组作为储能元件，分别对每个锂电池组进行能量管理，即使某锂电池异常也不影响系统正常工作，同时采用主-副双太阳能电池板工作模式，现场应用时根据需要配置副太阳能电池板，从而完成电池板选型灵活配置。

本发明的技术解决方案如下：

一种多电池组太阳能供电系统，特点在于其构成包括主-副双太阳能电池板、多个锂电池组储能元件、前端DC/DC电压变换电路、充-供电管理电路、后端DC/DC电压变换电路、电量检测电路、相应的电池保护电路和中央处理单元（CPU），所述的主-副双太阳能电池板的输出端经所述的前端DC/DC电压变换电路接所述的充-供电管理电路的输入端，所述的充-供电管理电路、锂电池组、电池保护电路和电量检测电路都与中央处理单元（CPU）相连接，所述的充-供电管理电路的输出端接所述的后端DC/DC电压变换电路的输入端，该后端DC/DC电压变换电路的输出端即系统终端。

所述的前端DC/DC电压变换电路的构成如下：

太阳能电池板的电压输出端的正极经自恢复保险丝接电压变换器的第2端口，所述的自恢复保险丝的输出端、电压变换器的第2端口、第1二极管的正极、第1电容的正极和第3电阻的一端构成节点，该节点经第1电阻接第2电阻一端与第2二极管的正极，所述的第2电阻另一端与第2二极管的负极接地，所述的第1电阻和第2电阻一端与第2二极管的正极的节点为所述的太阳能电池板的输出电压测量点接所述的中央处理单元的TP11端，所述的太阳能电池板的电压输出端的负极接所述的第1二极管的负极、第1电容的负极，所述的第3电阻的另一端同时接电压变换器的第7端口和第1三极管的集电极，该第1三极管的的发射极接地，第1三极管的栅极经第4电阻接所述的中央处理单元的TP12端，所述的电压变换器的第4、8端口接地，电压变换器的第1端口与第3端口经第2电容相连，第1端口为输出端口，第6端口为反馈口经第5电阻接地，第1端口接第3二极管的正极和电感的一端，第3电容、第4电容并联后与电感的另一端连接形成+5V输出端，第3电容和第4电容的另一端及第3二极管的负极接地，第6端口还经第6电阻接+5V输出端。

所述的第1二极管、第2二极管和自恢复保险丝为保护器件，防止电压变换器发生过压和过流情况。第1电阻和第2电阻为保护电阻，第2电阻、第2二极管和第1电阻的节点为太阳能输出电压测量点TP11接入到CPU内部的AD转换器，第1电阻和第2电阻和TP11构成电压测量电路，第3电阻、第1三极管、第4电阻和TP2构成电压变换器工作控制电路，CPU通过对TP11点电压的信息的处理，向TP12输出控制电压，当TP12为高电平时，电压变换器处于休眠状态，当TP2为低电平时，电压变换器处于工作状态。从而控制锂电池的充电电流，使太阳能的输出电压维持在18V，使太阳能电池输出最大功率。第5电阻和第6电阻构成电压反馈回路，控制电压变换器的输出电压。

所述的充-供电管理电路包括锂电池充-供电管理电路、锂电池电压测量电路、锂电池供电电路、太阳能电池输出直接向系统供电电路。

所述的太阳能电池组包括两块太阳能电池板，每一块太阳能电池板的输出端分别经前端DC/DC电压变换电路形成第一+5V输出端和第二+5V输出端。

所述的锂电池充-供电管理电路包括第一锂电池和第二锂电池、和两路并联的充-供电电路构成，所述的第一+5V输出端和第二+5V输出端分别与两路并联的充-供电电路的第一+5V输入端和第二+5V输入端相连，锂电池充-供电电路的输出端与所述的后端DC/DC电压变换电路的输入端相连；所述的锂电池充-供电管理电路具体结构如下：

第一路充-供电电路：

第一+5V输入端和第二+5V输入端分别通过第10二极管、第11二极管和第10MOSFET管的源极、第11MOSFET管的漏极连接，CPU输出的PWM0信号通过第11电阻接第14三极管的栅极，第14三极管的集电极接到第10MOSFET管和第11MOSFET管的栅极，第14三极管的集电极的发射极接地，同时第10MOSFET管的漏极通过第12二极管接到第11MOSFET管的源极，以防止电流的反向流通，第10MOSFET管的源极通过第18二极管和第24电阻串联接到第一锂电池组的正极，第一锂电池组的正极接到第11MOSFET管的源极，第一锂电池组的负极通过第12电阻接地，第一锂电池组的负极接到CPU的TP2端；第13电阻与第14电阻串联后接地，第13电阻和第14电阻的节点接CPU的TP1端，第13电阻的另一端接到第12MOSFET管和第13MOSFET管的漏极，第12MOSFET管的漏极通过第13二极管接到第13MOSFET管的源极，以防止电流的反向流通；CPU通过第15电阻接第15三极管的栅极，第15三极管的发射极接地，第15三极管的集电极接第12MOSFET管和第13MOSFET管的栅极，该栅极通过第16电阻接到锂电池的输出端；

第二充-供电电路：

第一+5输入端和第二+5输入端分别通过第14二极管、第15二极管和第16MOSFET管的源极、第17MOSFET管的漏极连接，CPU输出的PWM1信号通过第14电阻接第20三极管的栅极，该第20三极管的集电极接到第16MOSFET管和第17MOSFET管的栅极，第20三极管的发射极接地，同时第16MOSFET管的漏极通过第16二极管接到第17MOSFET管的源极，以防止电流的反向流通，第16MOSFET管的源极通过第20二极管和第25电阻串联后接到第二锂电池组的正极，第二锂电池组的正极接到第17MOSFET管的源极，第二锂电池组的负极通过第19电阻接地，第二锂电池组的负极接CPU的TP4端；第20电阻和第21电阻串联接地，第20电阻和第21电阻的节点接CPU的TP3，第20电阻的另一端接到第18MOSFET管和第19MOSFET管的漏极，第18MOSFET管的漏极通过第17二极管接到第19MOSFET管的源极，以防止电流的反向流通；CPU通过第22电阻接第21三极管的栅极，第21三极管的发射极接地，第21三极管的集电极接第18MOSFET管、第19MOSFET管的栅极，该栅极通过第23电阻接到锂电池的输出端。

由太阳能光伏电池板经前端DC/DC变换产生+5V电源作为锂电池充放电回路的输入。首先经二极管第10二极管、第11二极管降压后可直接向系统供电，作为锂电池向系统供电的补充。

锂电池充电回路由第12二极管、第11电阻、第10MOSFET管、第11MOSFET管、第14三极管构成，其中PWM0端接CPUF330单片机的接口，F330单片机可以产生8位的PWM波，CPU通过控制PWM0的占空比经第11电阻控制第14三极管的导通和关断，进而控制第10MOSFET管、第11MOSFET管的导通和关断，实现太阳能电池组对锂电池的充电控制管理。

本发明的技术效果如下：

本发明多电池组的太阳能供电系统采用多个锂电池组作为储能元件，采用CPU分别对每个锂电池组进行能量管理，即使某锂电池异常也不影响系统正常工作，同时采用主-副双太阳能电池板工作模式，现场应用时根据需要配置副太阳能电池板，从而完成电池板选型灵活配置。

附图说明

图1是本发明多电池组太阳能供电系统组成示意图

图2是充放电控制器功能框图

图3是太阳能供电系统前端DC/DC电

图4是锂电池充-放电电路原理图

图5是太阳能光伏供电系统后端DC/DC电路

图6是基于MPPT控制的PWM占空比流程图

图7是充电管理流程图

图8是供电管理流程图

图9是有MPPT控制时充电波形

图10是无MPPT控制时充电波形

图11是电池信息图（横坐标为日期）

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明多电池组太阳能供电系统组成示意图，由图可见，本发明多电池组太阳能供电系统，包括主-副双太阳能电池板、多个锂电池组储能元件、前端DC/DC电压变换电路、充-供电管理电路、后端DC/DC电压变换电路、电量检测电路、相应的电池保护电路和中央处理单元（CPU），所述的主-副双太阳能电池板的输出端经所述的前端DC/DC电压变换电路接所述的充-供电管理电路的输入端，所述的充-供电管理电路、锂电池组、电池保护电路和电量检测电路都与中央处理单元（CPU）相连接，所述的充-供电管理电路的输出端接所述的后端DC/DC电压变换电路的输入端，该后端DC/DC电压变换电路的输出端即系统终端。

每块太阳能电池板对应一个DC/DC转换器将太阳能电池的输出电压转换成锂电池的充电电压，当太阳能电池输出充足，中央处理单元（CPU）通过控制充放电电路来动态控制太阳能电池的输出电压，使太阳能电池板工作在最大工作点；当太阳能电池输出不足时，中央处理单元（CPU）控制锂电池向负载供电。

多电池组太阳能供电系统硬件上包括前端DC/DC电压变换电路、充-供电管理电路、后端DC/DC电压变换电路、电量检测电路及相应的电池保护电路，如图2所示。电源输入接到前端DC/DC电压变换电路的输入端，前端DC/DC电压变换电路的输出端接到充-电管理电路，充-供电管理电路都和锂电池与中央处理单元（CPU）连接，实现中央处理单元（CPU）对锂电池及充-供电管理电路的控制，同时中央处理单元（CPU）与电池保护电路、电量检测电路连接，实现电池的过流、过压保护和电量检测。最终，充-供电管理电路的输出端接到后端DC/DC电路的输入，后端DC/DC的输出接到系统终端，给整个系统供电。

所述的前端DC/DC电压变换电路：

由于太阳能电池板的输出为18V，而系统工作电压及蓄电池电压均低于5V，所以在太阳能电池板和蓄电池之间设有DC/DC电压变换电路如图3所示,把太阳能电池输出电压降低可以为蓄电池充电以及为监测装置提供电能。

图3中，FU是自恢复保险丝，第1二极管D1、第2二极管D2为瞬态抑制二极管，D1、D2和FU为保护器件，防止LM2678发生过压和过流情况。R1、R2为保护电阻，R2、D2并联后与R1串联接入TP1，R1、R2和TP1构成电压测量电路，TP1为太阳能输出分压端，接入到中央处理单元（CPU）内部的AD转换器，中央处理单元（CPU）通过控制锂电池的充电电流，使太阳能的输出电压维持在18V，从而使太阳能电池输出最大功率。R3、R4为电阻，Q1为三极管，U1是LM2678，R3、Q3、R4连接后接入TP2，R3、Q1、R4和TP2构成LM2678工作控制电路，当TP2为高电平时，LM2678处于休眠状态，当TP2为低电平时，LM2678处于工作状态。R5、R6为电阻，第3二极管D3为二极管，C3、C4为保护电容，C3、C4并联后与L1连接，通过第3二极管D3接地，连接至LM2678的输出端。R5、R6构成电压反馈回路，控制LM2678的输出电压。

锂电池充-供电电路

太阳能光伏电源系统充-供电回路主要由太阳能充电回路、锂电池电压测量电路、锂电池供电电路、太阳能电池输出直接供电电路等如图4所示。图中Battery1是第一锂电池组，Battery2是第二锂电池组，由图4可知，所述的锂电池充-供电管理电路包括第一锂电池组和第二锂电池组和两路并联的充-供电电路构成，所述的第一+5V输出端和第二+5V输出端分别与两路并联的充-供电电路的第一+5V输入端和第二+5V输入端相连，锂电池充-供电电路的输出端与所述的后端DC/DC电压变换电路的输入端相连；所述的锂电池充-供电管理电路具体结构如下：

第一路充-供电电路：

第一+5V输入端和第二+5V输入端分别通过第10二极管D10、第11二极管D11和第10MOSFET管Q10的源极、第11MOSFET管Q11的漏极连接，CPU输出的PWM0信号通过第11电阻R11、第14三极管Q14接到第10MOSFET管Q10和第11MOSFET管Q11的栅极，同时第10MOSFET管Q10的漏极通过第12二极管D12接到第11MOSFET管Q11的源极，以防止电流的反向流通，第10MOSFET管Q10的源极通过第18二极管D18和第24电阻R24串联接到第一锂电池组Battery1的正极，第一锂电池组的正极接到第11MOSFET管Q11的源极，第一锂电池组的负极接到CPU的TP2端，并通过第12电阻R12接地；第13电阻R13与第14电阻R14串联接地，第13电阻R13和第14电阻R14的节点接CPU的TP1端，第13电阻R13的另一端接到第12MOSFET管Q12和第13MOSFET管Q13的漏极，第12MOSFET管Q12的漏极通过第13二极管D13接到第13MOSFET管Q13的源极，以防止电流的反向流通；CPU通过第15电阻R15接第15三极管Q15的栅极，第15三极管Q15的发射极接地，第15三极管Q15的集电极接第12MOSFET管Q12和第13MOSFET管Q13的栅极，该栅极通过第16电阻R16接到锂电池的输出端；

第二充-供电电路：

第一+5输入端和第二+5输入端分别通过第14二极管D14、第15二极管D15和第16MOSFET管Q16的源极、第17MOSFET管Q17的漏极连接，CPU输出的PWM1信号通过第14电阻R14、第20三极管Q14接到第16MOSFET管Q16和第17MOSFET管Q17的栅极，同时第16MOSFET管Q16的漏极通过第16二极管D16接到第17MOSFET管Q17的源极，以防止电流的反向流通，第16MOSFET管Q16的源极通过第20二极管D20和第25电阻R25串联接到第二锂电池组Battery2的正极，第二锂电池组的正极接到第17MOSFET管Q17的源极，第二锂电池组的负极经第19电阻R19接地，第二锂电池组的负极接CPU的TP4端；第20电阻R20和第21电阻R21串联接地，第20电阻R20和第21电阻R21的节点接CPU的TP3，第20电阻R20的另一端接到第18MOSFET管Q18和第19MOSFET管Q19的漏极，第18MOSFET管Q18的漏极通过第17二极管D17接到第19MOSFET管Q19的源极，以防止电流的反向流通；CPU通过第22电阻R22接第21三极管Q21的栅极，第21三极管Q21的发射极接地，第21三极管Q21的集电极接第18MOSFET管Q18、第19MOSFET管Q19的栅极，该栅极通过第23电阻R23接到锂电池的输出端。

由太阳能光伏电池板经前端DC/DC变换产生+5V电源作为锂电池充放电回路的输入。首先经二极管第10二极管D10、第11二极管D11降压后可直接向系统供电，作为锂电池向系统供电的补充。

锂电池充电回路由第12二极管D12、第11电阻R11、第10MOSFET管Q10、第11MOSFET管Q11、第14三极管Q14构成，其中PWM0端接F330单片机的接口，F330单片机可以产生8位的PWM波，通过控制PWM0的占空比控制三极管第14三极管Q14的导通和关断，进而控制MOSFET管第10MOSFET管Q10、第11MOSFET管Q11的导通和关断，运用MPPT算法，实现太阳能对锂电池的充电控制管理。

第18二极管D18和R24构成锂电池的涓流充电回路，当在连续阴雨天以后，并且锂电池组剩余电量不足以供系统终端工作时，该涓流回路起到恢复电池电压的作用，通过设定R24阻值的大小，来控制涓流充电电流的大小，如果R24过小，那么该回路电流较大，三极管第14三极管Q14、MOSFET管第10MOSFET管Q10、第11MOSFET管Q11的PWM控制作用基本上起不到什么作用，如果R24过大，当锂电池组需要涓流充电时却无法进行涓流充电，严重时可能导致系统无法正常启动，本系统选择R24=100Ω。选定该阻值后，并将锂电池组电压放电到3.1V以下，关闭太阳能充电开关PWM0，这时锂电池组仅用涓流充电回路充电，在中午4个小时内便可以将锂电池组充电至3.1V以上，重启太阳能充电开关PWM0，给锂电池组进行大电流充电，实现系统电源的自恢复。

第13电阻R13、第14电阻R14分支电路构成锂电池电压的测量电路，通过中央处理单元CPU对测量TP1点电压的采集，即可获得锂电池组的电压值。由于正在充电的电池电压有浮高的现象，为了减小误差，在测量时，首先要先关掉充电开关PWM0，然后再进行多次测量，求取平均值。

锂电池供电回路由第13二极管D13、第15电阻R15、第16电阻R16、第12MOSFET管Q12、第13MOSFET管Q13、第15三极管Q15构成，通过控制锂电池供电开关Battery1来实现对系统供电，由于锂电池供电比太阳能供电更加稳定，受负载影响较小，太阳能对系统供电支路作为对锂电池对外供电的辅助补充。

后端DC/DC电压变换电路

根据实际需要可以在锂离子充-放电电路输出端再接DC/DC电路，这样在提高带载能力的同时，可以方便的实现系统多个电源等级的需要。该后端DC/DC电压变换电路的输入是锂离子充-放电电路输出端，DC/DC电压变换电路的输出是系统的供电端。

锂电池电量采集电路

当锂电池充电、供电一段时间后，本身的电量会有所变化，并且在系统运行一段时间后，要对锂电池进行电量校准，这就需要采集锂电池的电流信息。锂电池充-放电电路的电流信号接入锂电池电量采集电路的输入，锂电池电量采集电路的输出接入中央处理单元（CPU）的采集端。

保护电路

保护电路主要由过压保护和过流保护组成，最常见的有瞬态抑制二极管，可恢复保险丝等等，此外，在软件上设定了锂电池最低放电电压和最高充电电压，防止过充和过放，实现对锂电池的多重保护。

软件设计

本太阳能光伏供电系统的功能是进行电池的充电管理和供电管理，电源系统不同工作状态的控制转换和相应的管理策略由基于单片机的充-放电控制电路实现，其控制信号为太阳能电池输出电压。白天光照条件下，控制电路检测到太阳能电池有正常输出，则开启充电电路，关闭供电电路，太阳能电池给蓄电池充电同时给系统终端供电；天黑后，太阳能电池停止工作，此时控制电路检测到太阳能电池无输出，则关闭充电电路。

系统的总体软件流程图如图5所示：

由图5可知，整个电源模块在主循环中主要有三大部分构成，PWM占空比调节、供电管理和充电管理。

基于MPPT控制的PWM占空比调节

针对太阳能光伏电池输出最大功率与电压的关系，可以监测太阳能电池板的电压输出，并且通过调节PWM占空比以维持太阳能电池板的输出电压在最佳工作电压（最大功率点的电压值）附近。本系统使用扰动观察法来实现太阳能电池板输出的最大功率点跟踪控制（MPPT）。具体实现功能框图如图6所示：

图6基于MPPT控制的PWM占空比流程图

由流程图6可知，对于太阳能电池板来说，CPU通过PT11对阳能板输出电压进行检测，当太阳能板输出电压小于4.4V，则关掉充电开关，不进行任何PWM占空比调节，这时候太阳能所能提供的能力比较微弱，通常是傍晚到凌晨的一段时间；当太阳能板输出电压大于4.4V时，则可以进行PWM占空比调节（当然这里指的是有可以充电的电池的情况），判断PWM占空比需要增加还是要减小，要看当前太阳能电池板输出的电压值与太阳能电池最大功率点对应的电压值（18V）的比较关系，如果太阳能电池输出电压大于18V，那么增加PWM占空比，负载加大，拉低太阳能电池板的输出电压，使得太阳能电池板的输出电压回到18V附近，同样原理，当太阳能电池输出电压小于18V，那么减小PWM占空比，负载减小，抬升太阳能电池板的输出电压，使太阳能电池板的输出电压回到18V附近。使太阳能电池板能够在最大功率点附近给锂电池充电，效率得到了保证。

充电管理

锂电池充电可以分为三个阶段：

(1)涓流充电。当锂电池电压小于3.1V时，不宜采用大电流充电，否则会对锂电池造成损伤，此时选择小电流充电回路以小于0.1C的电流对锂电池进行充电，直到锂电池电压大于3.1V。

(2)大电流充电。当锂电池电压在3.1V到4.2V之间时，选择大电流充电回路以小于1C的电流进行充电，直到锂电池电压等于4.2V。

(3)浮充充电。在蓄电池容量到达其额定容量(当时环境条件下)时，充放电控制器对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充阶段[41]，直到所有电池电压达到充电截止电压4.25V（对应的电流为0.01C）为止。

蓄电池的使用,归根结底是如何利用蓄电池的充放电特性。有效、科学地使用蓄电池,能够提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命。

电池电压的测量由充放电控制器中的单片机C8051F330中的10位A/D采样来实现，为了保证测量的精度，对电池电压采样12次，去掉最大值和最小值，在剩下的10个数值中取平均值。另外，由于当电池在充电时，电池电压值往往会偏大，所以在测量电池电压时，须暂时关断充电回路，待测完电池电压后，再恢复原来的充电状态。锂电池前面两个充电阶段由单片机选择相应的充电回路来实现，最后的浮充阶段由软件控制实现。

为保证充电效率，每次只能打开一组大电流充电开关；为了保证系统锂电池总容量，优先选择可以进行大电流充电并且电压较小的电池进行充电。充电电池电压达到4.2V后，检测另一块电池电压，如果达到大电流恒流充电要求，则打开另一块电池大电流充电开关，对另一块电池进行充电，直到电池电压达到4.2V，此时进入轮流充电的浮充阶段；如果没有，则继续对原来的电池进行充电直到电池电压到4.25V，关掉充电开关；直到另一块电池满足大电流充电要求时，对下一块锂电池进行大电流充电，如此往复，直到最后两块电池电压都为4.25V，则停止充电。具体软件流程图如图7所示。

供电管理

由于太阳能的不稳定性，在日照和温度都不太好的时候，虽然光伏阵列还会输出能量，但是能量非常微弱，如果数据采集终端的功耗大于太阳能光伏阵列在当时所能提供的能量的话，那么数据采集终端就会因为供电不足而发生采集数据错误或停机。供电管理根据蓄电池的荷电状态保证有一块容量相对充足的电池处于放电状态，同时为了保证蓄电池的使用效率，正在供电的电池和正在充电的电池不会是同一个。电源系统不断地检测直流总线电压，当低于设定阈值时，首先减小对锂电池的充电电流，直至将充电的锂电池停止充电，并将该锂电池向负载供电，维持直流母线电压不变。

因此选择锂电池荷电状态相对较大的电池投入工作，直至放电至荷电状态到5%；再选择另外一块电池投入工作。

单片机先通过A/D采样得到电池电压高的电池（意味着荷电状态相对较高），将这个电池供电回路打开给系统供电直到供电锂电池荷电状态降到5%（这时电压值为3.3V），再看另一块锂电池是否可以供电，如果可以，则将另一块电池的充电开关关掉，供电开关打开，给数据采集终端供电，将原来电池的供电开关关掉，充电开关打开；如果不能供电的话，则将两块电池的供电开关关掉，而这块电池的充供电状态不变，数据采集终端单片机通过读取电池电压的信息，如果发现两块电池都不能供电了，则进入低功耗模式，所有的任务都不执行，只有单片机在空跑。具体软件流程图如图8所示。

此外，充放电控制器内设计有专门的放电通路，还在硬件上实现过流保护和过压保护功能，在软件上设定了最低放电电压和最高充电电压，防止过充和过放，实现对锂电池充供电的多重保护。

基于MPPT算法的在线监测太阳能供电装置，工作稳定，运行良好。对于光伏阵列的最大功率跟踪，也取得了较好的效果。图9和图10分别是有MPPT控制和无MPPT控制时示波器上记录的充电波形。有MPPT控制时阵列输出电压在最佳工作电压18V附近浮动，输出电流为0.35A，而无MPPT控制时，虽然输出电压比有MPPT时输出电压稳定，但是阵列输出电压却被拉低到4.4V，电流也只有0.6A。有MPPT控制时功率是普通控制时的近2.4倍。图中看到输出电压有较小的交流成分，这是由于阵列电压在最大功率点附近浮动的结果，如果将控制器的频率提高，同时缩短两次占空比调节间隔即可使输出电压波动显著减小，另外还可以采取滞环设计来减小浮动。

本系统在无太阳能光伏电源的情况下，可以连续运行29天，基本保证了阴雨天的数据采集、传输的连续性，当天气转晴后蓄电池即开始恢复能量。如果系统掉电，天气转晴后仍能顺利恢复运行。

在设计中，充放电控制器中中央处理单元（CPU）通过其I²C接口和数据采集终端中央处理单元（CPU）通讯，将电池相关信息传给数据采集终端中央处理单元（CPU），然后通过无线通信系统传送给后台。

运行测试结果

作者所在实验室的输电线路增容系统采集终端采用太阳能供电模块，在内蒙古电网挂网运行半年，图11给出的是一段时间内系统监测到的电池电压值，从中我们可以看出在该时间段内，电池电压最小值都大于4V，大部分时间都是在4.1V到4.18V之间，电池电压保持较高值，电池充电电池电压值上升明显，充电电流较大，从侧面反映MPPT调节起到了作用。监测数据表明太阳能光伏供电系统现场运行良好，稳定，完全满足要求。

实验和运行结果都表明，本发明在充电时按照MPPT控制方法高效的给蓄电池充电，电源系统较好的按照设计思想运行，为动态提高输电线路容量系统的稳定可靠工作提高了有力保证。

Claims (5)

1.一种多电池组太阳能供电系统，特征在于其构成包括主-副双太阳能电池板、多个锂电池组储能元件、前端DC/DC电压变换电路、充-供电管理电路、后端DC/DC电压变换电路、电量检测电路、相应的电池保护电路和中央处理单元（CPU），所述的主-副双太阳能电池板的输出端经所述的前端DC/DC电压变换电路接所述的充-供电管理电路的输入端，所述的充-供电管理电路、锂电池组、电池保护电路和电量检测电路都与中央处理单元（CPU）相连接，所述的充-供电管理电路的输出端接所述的后端DC/DC电压变换电路的输入端，该后端DC/DC电压变换电路的输出端即系统终端。

2.根据权利要求1所述的多电池组太阳能供电系统，其特征在于所述的前端DC/DC电压变换电路的构成如下：

太阳能电池板的电压输出端的正极经自恢复保险丝（FU）接电压变换器（U1）的第2端口，所述的自恢复保险丝（FU）的输出端、电压变换器（U1）的第2端口、第1二极管（D1）的正极、第1电容（C1）的正极和第3电阻（R3）的一端构成节点，该节点经第1电阻（R1）接第2电阻（R2）一端与第2二极管（D2）的正极，所述的第2电阻（R2）另一端与第2二极管（D2）的负极接地，所述的第1电阻（R1）第2电阻（R2）一端与第2二极管（D2）的正极的节点为所述的太阳能电池板的输出电压测量点（TP11）接所述的中央处理单元（CPU）的输入端，所述的太阳能电池板的电压输出端的负极接所述的第1二极管（D1）的负极、第1电容（C1）的负极，所述的第3电阻（R3）的另一端同时接电压变换器（U1）的第7端口和第1三极管（Q1）的集电极，该第1三极管（Q1）的的发射极接地，第1三极管Q1的栅极经第4电阻（R4）接所述的中央处理单元（CPU）的控制电压输出端（TP12），所述的电压变换器（U1）的第4、8端口接地，电压变换器（U1）的第1端口与第3端口经第2电容（C2）相连，第1端口为输出端口，第6端口为反馈口经第5电阻（R5）接，第1端口接第3二极管的正极和电感（L1）的一端，第3电容（C3）、第4电容（C4）并联后与电感（L1）的另一端连接形成+5V输出端，第3电容（C3）和第4电容（C4）的另一端及第3二极管的负极接地，第6端口还经第6电阻（R6）接+5V输出端。

3.根据权利要求2所述的多电池组太阳能供电系统，其特征在于所述的充-供电管理电路包括锂电池充-供电管理电路、锂电池电压测量电路、锂电池供电电路、太阳能电池输出直接向系统供电电路。

4.根据权利要求3所述的多电池组太阳能供电系统，其特征在于所述的太阳能电池组包括两块太阳能电池板，每一块太阳能电池板的输出端分别经前端DC/DC电压变换电路形成第一+5V输出端和第二+5V输出端。

5.根据权利要求4所述的多电池组太阳能供电系统，其特征在于所述的锂电池充-供电管理电路包括第一锂电池和第二锂电池、和两路并联的充-供电电路构成，所述的第一+5V输出端和第二+5V输出端分别与两路并联的充-供电电路的第一+5V输入端和第二+5V输入端相连，锂电池充-供电电路的输出端与所述的后端DC/DC电压变换电路的输入端相连；所述的锂电池充-供电管理电路具体结构如下：

第一路充-供电电路：

第一+5V输入端和第二+5V输入端分别通过第10二极管（D10）、第11二极管（D11）和第10MOSFET管（Q10）的源极、第11MOSFET管（Q11）的漏极连接，cpu输出的PWM0信号通过第11电阻（R11）、第14三极管（Q14）接到第10MOSFET管（Q10）和第11MOSFET管（Q11）的栅极，同时第10MOSFET管（Q10）的漏极通过第12二极管（D12）接到第11MOSFET管（Q11）的源极，以防止电流的反向流通，第10MOSFET管（Q10）的源极通过第18二极管（D18）和第24电阻（R24）串联接到第一锂电池组（Battery1）的正极，第一锂电池组的正极接到第11MOSFET管（Q11）的源极，第一锂电池组的负极接到CPU的TP2端，并通过第12电阻（R12）接地；第13电阻（R13）与第14电阻（R14）串联接地，第13电阻（R13）和第14电阻（R14）的节点接CPU的TP1端，第13电阻（R13）的另一端接到第12MOSFET管（Q12）和第13MOSFET管（Q13）的漏极，第12MOSFET管（Q12）的漏极通过第13二极管（D13）接到第13MOSFET管（Q13）的源极，以防止电流的反向流通；CPU通过第15电阻（R15）接第15三极管（Q15）的栅极，第15三极管（Q15）的发射极接地，第15三极管（Q15）的集电极接第12MOSFET管（Q12）和第13MOSFET管（Q13）的栅极，该栅极通过第16电阻（R16）接到锂电池的输出端；

第二充-供电电路：

第一+5输入端和第二+5输入端分别通过第14二极管（D14）、第15二极管（D15）和第16MOSFET管（Q16）的源极、第17MOSFET管（Q17）的漏极连接，CPU输出的PWM1信号通过第14电阻（R14）、第20三极管（Q14）接到第16MOSFET管（Q16）和第17MOSFET管（Q17）的栅极，同时第16MOSFET管（Q16）的漏极通过第16二极管（D16）接到第17MOSFET管（Q17）的源极，以防止电流的反向流通，第16MOSFET管（Q16）的源极通过第20二极管（D20）和第25电阻（R25）串联接到第二锂电池组（Battery2）的正极，第二锂电池组的正极接到第17MOSFET管（Q17）的源极，第二锂电池组的负极经第19电阻（R19）接地，第二锂电池组的负极接CPU的TP4端；第20电阻（R20）和第21电阻（R21）串联接地，第20电阻（R20）和第21电阻（R21）的节点接CPU的TP3，第20电阻（R20）的另一端接到第18MOSFET管（Q18）和第19MOSFET管（Q19）的漏极，第18MOSFET管（Q18）的漏极通过第17二极管（D17）接到第19MOSFET管（Q19）的源极，以防止电流的反向流通；CPU通过第22电阻（R22）接第21三极管（Q21）的栅极，第21三极管（Q21）的发射极接地，第21三极管（Q21）的集电极接第18MOSFET管（Q18）、第19MOSFET管（Q19）的栅极，该栅极通过第23电阻（R23）接到锂电池的输出端。

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