CN103475061A - 光伏智能控制器 - Google Patents

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本发明公开了一种光伏智能控制器,涉及光伏发电应用领域。该控制器采用具有太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT)功能的5A多类型电池充电管理集成芯片CN3722以最高的效率对磷酸铁锂电池进行充电,推挽式升压主电路对蓄电池电压进行升压变换,逆变部分采用自带死区控制的纯正弦波逆变发生器数字化芯片EG8010进行直流-交流功率变换。该系统使用较少的芯片、简单的电路实现了由太阳能转化为电能的过程,得到了高精度、高可靠性、失真和谐波都很小的220V/50Hz纯正弦波。

Description

光伏智能控制器
[0001] 技术领域
本发明涉及光伏发电应用领域,具体是一种光伏智能控制器;把太阳能转变为电能进行存储,然后逆变为220V/50HZ交流电的控制器。
[0002] 背景技术
近年来,人们迫切希望应用节能环保的新技术来解决全球性的能源短缺和环境污染问题。最近,各大城市纷纷出台个人光伏发电出售给国家电网的文件,我国是太阳能资源大国,所以市场潜力非常大。而市场上用于光伏发电的控制器却不胜理想,太阳能电池板对蓄电池充电效率低、电路复杂并且逆变均是方波或修正的正弦波输出,应用场合受到很大限制。而纯正弦波输出的逆变电源产品中,仍在推广工频变压器形式输出,该产品体积大且价格较贵。
[0003] 发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明提供一种光伏智能控制器,体积小、高性能、充电效率高、纯正弦波输出、可靠性高并且能进行自我保护。
[0004] 本发明是以如下技术方案实现的:一种光伏智能控制器;包括太阳能电池板,与太阳能电池板连接的充电器、与充电器连接的蓄电池以及与蓄电池连接的逆变器;所述的充充电器采用电池充电管理集成芯片CN3722 ;所述的蓄电池连接三端稳压器件LM7812和LM7805分别输出直流电压+12V和+5V ;所述的逆变器包括升压电路和逆变电路;蓄电池的12V直流电经升压电路升压、然后滤波整流输出320V直流稳定电压;所述的逆变电路包括EG8010芯片、IR2100驱动电路以及与升压电路连接的DC/AC全桥逆变电路;EG8010芯片产生正弦脉宽调制信号给IR2100驱动电路,IR2100驱动电路驱动DC/AC全桥逆变电路进行DC-AC功率变换;EG8010芯片的0SC1、0SC2管脚外接12MHz晶体振荡器;EG8010芯片的引脚TFB连接温度检测反馈电路,引脚Vfb连接输出电压反馈电路,引脚Ifb输出电流反馈电路。
[0005] 本发明的有益效果是:该控制器通过电池充电管理集成芯片CN3722实现了以最大功率点对蓄电池进行充电,并且对蓄电池进行输入低电压锁存,温度监测,过压保护和充电状态指示。逆变部分实现了用串口液晶屏显示逆变器的电压、频率、温度和电流,同时对逆变输出过压、欠压、过流、过热进行保护。该设计使用较少的芯片、简单的电路实现了把太阳能转化为电能的过程,得到了高精度、高可靠性、失真和谐波都很小的220V/50HZ纯正弦波。
[0006] 附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0007] 图1系统原理框图;
图2是充电器电路图
图3是TL494推免式升压电路图 图4是TL494外围电路图;
图5是EG8010芯片外围电路图; 图6是IR2100驱动电路图;
图7是DC/AC全桥逆变电路图;
图8是输出电压反馈电路图;
图9是温度检测电路图。
[0008] 具体实施方式
如图1所示,一种光伏智能控制器有一太阳能电池板,与太阳能电池板连接的充电器、与充电器连接的蓄电池以及与蓄电池连接的逆变器;所述的充充电器采用电池充电管理集成芯片CN3722 ;所述的蓄电池连接三端稳压器件LM7812和LM7805分别输出直流电压+12V和+5V ;所述的逆变器包括升压电路和逆变电路;蓄电池的12V直流电经升压电路升压、然后滤波整流输出320V直流稳定电压;所述的逆变电路包括EG8010芯片、IR2100驱动电路以及与升压电路连接的DC/AC全桥逆变电路;EG8010芯片产生正弦脉宽调制信号给IR2100驱动电路,IR2100驱动电路驱动DC/AC全桥逆变电路进行DC-AC功率变换;EG8010芯片外接串口 12832液晶显示模块;EG8010芯片的0SC1、0SC2管脚外接12MHz晶体振荡器;EG8010芯片的引脚TFB连接温度检测反馈电路,引脚Vfb连接输出电压反馈电路,引脚Ifb输出电流反馈电路。
[0009] 光伏智能控制器包括充电电路和逆变电路。
[0010] 充电部分:在独立光伏发电系统中,希望在光照强时能把太阳能电池多余的输出能量储存起来,以保证系统在光照弱时也能正常使用。本光伏发电系统采用的储能装置为磷酸铁锂电池,容量为12V/50AH。因为它具有容量大、重量体积轻巧、寿命长、放电特性好、绿色环保等优越性。综合考虑,性能价格比目前普遍采用的铅酸蓄电池好4倍以上。本控制器采用恒流恒压充电法,此种充电方法的优点是恒流充电和恒压充电两种方法的结合。开始采用恒流充电,避免恒压充电刚开始时的充电电流过大容易造成电池的损坏的缺点。然后采用恒压充电,避免了恒流充电后期导致的过充电现象和充电电流利用率降低很快的缺点。
[0011] 电池充电管理集成芯片CN3722组成的充电电路图如图2所示。当VCC管脚电压同时满足下面三个条件时:(I)大于低压锁存阈值;(2)大于电池电压;(3)不小于所设定的最大功率点电压。充电器正常工作。电池端的电压通过电阻R6和R7构成的电阻分压网络反馈到FB管脚,CN3722根据FB管脚的电压决定充电状态。如果电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7%时,充电器自动进入涓流充电模式,此时充电电流为所设置的恒流充电电流的15%。当电池电压大于所设置的恒压充电电压的66.7%时,充电器进入恒流充电模式,恒流充电电流由连接于CSP (充电电流检测正输入端)管脚和BAT (充电电流检测负输入端)管脚之间的电流检测电阻RCS设置。当电池电压继续上升接近恒压充电电压时,充电器进入恒压充电模式,充电电流逐渐减小,当充电电流减小到所设置的恒流充电电流的9.5%时,进入充电结束状态,此时充电电流为零。
[0012] 电池充电管理集成芯片CN3722采用恒电压法跟踪太阳能电池最大功率点,所谓“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT),就是实时侦测太阳能板的发电电压,并追踪最高电压电流值(VI),使系统以最大功率输出对蓄电池充电。最大功率点电压通过两个电阻R8、R3分压后送到MPPT管脚,在最大功率点跟踪状态,MPPT管脚电压被调制在1.04V,而且MPPT管脚调制电压具有一 0.4%°C的温度系数,同太阳能电池最大功率点电压的温度系数非常吻合。芯片内部的低电压锁存电路监测输入电压,当输入电压低于6V (典型值)时,内部电路被关断,充电器不工作。
[0013] 当输入电压掉电时,电池充电管理集成芯片CN3722自动进入睡眠模式,内部电路被关断,这样可以减少电池的电流消耗,延长待机时间。
[0014] 为了监测电池温度,需要在TEMP管脚和GND管脚之间连接一个IOk Ω的负温度系数的热敏电阻R2。如果电池温度超出正常范围,充电过程将被暂停,直到电池温度回复到正常温度范围内。电池充电管理集成芯片CN3722内部还有一个过压比较器,当BAT管脚电压由于负载变化或者突然移走电池等原因而上升时,如果BAT管脚电压上升到恒压充电电压的1.08倍时,过压比较器动作,关断片外的P沟道MOS场效应晶体管,充电器暂时停止,直到BAT管脚电压回复到恒压充电电压以下。
[0015] 电池充电管理集成芯片CN3722 有两个状态指示管脚,即CHRG (充电状态指示管脚)和DONE (充电结束指示管脚)。COMl、COM2、COM3为回路补偿输入端。
[0016] 如图3所示,升压电路采用有固定频率脉宽调制电路TL494、晶体管Q1、Q2,场效应管Q3、Q4、变压器Tl以及全桥整流滤波电路构成的TL494推免式升压电力;晶体管Ql、Q2的基极分别接固定频率脉宽调制电路TL494两个内置晶体管的发射极E2 (引脚10)、E1 (弓丨脚9),晶体管Ql、Q2的发射极接对应接场效应管Q3、Q4的g极,晶体管Ql、Q2的集电极接地,场效应管Q3、Q4的s极接地;场效应管Q3、Q4的d极对应接变压器Tl的一次端,变压器Tl的二次端接全桥整流滤波电路。
[0017] 变压器Tl,实现电压由12V脉冲电压转变为320V脉冲电压。此脉冲电压经过整流滤波电路变成320V高压直流电压。变压器Tl的工作频率选为50KHz左右。电路正常时,TL494的两个内置晶体管交替导通,导致图中晶体管Q1、Q2的基极也因此而交替导通,场效应管Q3和Q4也交替导通,这样使变压器Tl工作在推挽状态,场效应管Q3和Q4以频率为50KHz交替导通,使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。极性电容C3滤去12V直流中的交流成分,降低输入干扰。滤波电容Cl可取为2200uF。整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。四只整流二极管D3〜D6接成电桥的形式,称单相桥式整流电路。在桥式整流电路中,电容C4滤去了电路中的交流成分,此处滤波取值为10uF。
[0018] 50HZ脉冲产生芯片TL494外围电路如图4所示,15脚为芯片TL494的反相输入端,16为同相输入端,电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器的输出为低电平,才能使芯片内两个晶体管正常工作。因为芯片内置5V基准电压源,负载能力为10mA。所以15脚电压应高于5V。过热保护的R4为200 Ω,则15脚的电压为6.22V大于16脚电压。14脚输出基准电压,因为推挽电路为双端输出,故将输出控制端13脚与14脚连在一起。12脚为电源端,接外部12V电压。8、11脚末级晶体管集电极,此处亦接外接电源。9、10引脚用于输出50K的脉冲控制开关管。7脚为接地端,5、6脚外接震荡电阻和电容用于控制输出脉冲频率。4脚为死区控制端其上加0-3.3V电压时,可使截止时间从2%线性变化到100%,本设计中用于实现输入的过压保护和欠压保护。
[0019] 逆变电路由四个部分组成:逆变驱动部分,DC/AC变换部分,反馈部分,液晶显示部分。
[0020] 1、逆变驱动电路:单相纯正弦波逆变器的驱动电路采用单相纯正弦波逆变器专用芯片EG8010作为控制芯片,驱动芯片采用IR2110。EG8010的0SC1、0SC2管脚外接12MHz晶体振荡器,能实现高精度、失真和谐波都很小的50Hz或60Hz纯正弦波。该芯片内部集成SPWM正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、LED告警显示功能、风扇控制功能、RS232串行通讯接口和12832串行液晶驱动模块等功能。[0021] 如图5所示,EG8010芯片的引脚PWMTYP是设置PWM输出类型,PWMTYP为“O”是正极性PWM类型输出应用于死区电平为同时低电平场合。EG8010芯片管脚SPWM0UT1、SPWM0UT2、SPWM0UT3、SPWM0UT4分别产生四组SPWM驱动2片IR2110,分别接到他们的HIN(逻辑高端输入)、LIN (逻辑低端输入)管脚,如图6所示。其中引脚LO和引脚HO交替输出高低电平,通过电阻后驱动四个场效应管V1、V2、V3、V4交替导通,IR2110驱动全桥电路如图6所示。图6中C2,D2分别为自举电容和自举二极管,C6为VCC的滤波电容。假定HO脚输出低电平期间,C2已经充到足够的电压VCl ^VCC0当HIN为高电平时:C2放电,这时C2就相当于一个电压源,从而使Vl导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号,所以此时LIN为低电平,这时聚集在V3栅极和源极的电荷在芯片内部迅速对地放电,由于死区时间影响使V3在Vl开通之前迅速关断。当HIN为低电平时:这时聚集在Vl栅极和源极的电荷在芯片内部迅速放电使Vl关断。经过短暂的死区时间LIN为高电平,使V2开通。在此同时VCC经自举二极管迅速为C2补充能量,如此循环反复。
[0022] 2、DC/AC全桥逆变电路:采用全桥逆变方式,如图7所示,功率开关管(IRF840)V1、V3和V2、V4反相,Vl和V2相位互差180°,调节Vl和V2的输出脉冲宽度,输出交流电压的有效值即随之改变。由DC产生AC从而输出正弦波,产生220V/50HZ的交流电压。由于该电路具有能使V3和V4共同导通的功能,因而具有续流回路,即使对感性负载,输出电压波形也不会产生畸变。
[0023] 3、反馈电路
(I)输出电压反馈电路如图5、图8所示,EG8010芯片的电压反馈处理是通过引脚Vfb测量逆变器输出的交流电压,电压取样反馈电路需要接在SPWM调制桥臂电感的输出端,电路结构如图7,测量反馈的峰值电压和内部基准正弦波峰值电压3V进行误差计算,对输出电压值作出相应调整,当输出电压升高时,该引脚电压也随之升高,经内部电路误差值计算后调整幅度因子乘法器系数,实现降低输出电压达到稳压过程;反之,当该引脚的电压减低时,芯片会作出升闻输出电压。
[0024] (2)输出电流反馈电流如图5所示,通过100K电阻将输出的220V交流的电流反馈到EG8010的Ifb引脚,该引脚内部的基准峰值电压为0.5V,过流检测延时时间600ms,当某种原因导致负载电流皮昂安排超出逆变器的负载电流,EG8010根据引脚PWMTYP的设置状态将输出SPWMOUT 1~SPWM0UT4到“O”或“I”电平,关闭所有功率M0SFET,使输出电压到低电平,主要保护功率MOSFET和负载,一旦进入过流保护后,EG8010讲在16S后释放重新打开功率MOSFET管再判断负载过流情况,释放打开功率MOS管的持续时间是100ms,释放的IOOms时间里再判断过流事件,如果仍存在过流事件,EG8010再将关闭所有功率MOSFET使输出电压到低电平,重新等待16S的释放,如果释放后正常运行达到I分钟以上EG8010将清除过流事件次数,否则连续释放次数累计5次后仍存在未正常运行EG8010将彻底关断SPWM模块的输出,需要系统重新上电后释放。
[0025] (3)温度检测反馈电路如图5、图9所示,EG8010芯片的引脚TFB是测量逆变器的工作温度,用于过温保护检测。NTC热敏电阻RTl和测量电阻RFl组成一个简单的分压电路,分压值随着温度值变化而变化数值,这个电压的大小将反映出NTC电阻的大小从而得到相应的温度值。NTC选用25°C对应阻值IOK (B常数值为3380)的热敏电阻,TFB引脚的过温电压设定在4.3V,当发生过温保护时,EG8010根据引脚PWMTYP的设置状态将输出PWMOUT1〜SPWM0UT4到“O”或“ I”电平,关闭所有功率MOSFET使输出电压到低电平,一旦进入过温保护后,EG8010将重新判断工作温度,如果TFB引脚的电压低于4.0V,EG8010将退出过温保护,逆变器正常工作。
[0026] 4、液晶显示电路如图5所示,EG8010支持三线式串行接口 12832液晶显示模块,该功能实现显示逆变器的电压、频率、温度和电流等信息给用户观察。EG8010管脚IXDCLK为串口 12832液晶显示模块时钟输出端,IXDDI为串口 12832液晶显示模块指令、数据输出端,IXDEN为串口 12832液晶显示模块使能端输出。
[0027] 5、死区时间设置,如图5所示,EG8010芯片具有300nS、500nS、IuS和1.5us四个死区时间。EG8010芯片的引脚DT1,DT0是控制死区时间,可以设置4种死区时间,“00”是300nS死区时间,“01”是500nS死区时间,“ 10”是IuS死区时间,“ 11”是1.5us死区时
间。死区时间控制是功率MOS管的重要参数之一,如果无死区时间或太小会导致上下功率MOS管同时导通而烧毁MOS管现象,如果死区太大会导致波形失真及功率管发热严重现象。
[0028] 6、频率设定,如图5所示,EG8010频率模式分为固定频率模式和可调频率模式,可调频率模式下EG8010仅采用了单极性调制方式,即可调频率模式下需将引脚MODSEL接低电平。频率模式通过引脚FRQSEL1,FRQSEL0设定,固定频率模式为“00”是输出50Hz频率,“01”是输出60Hz频率。
[0029] 7、报警输出显示,如图5所示,EG8010管脚LEDOUT外接LED为报警输出,当故障发生时输出低电平“O”点亮LED。LED指示情况为:长亮代表正常;闪烁2下,灭2秒,一直循环代表过流;闪烁3下,灭2秒,一直循环代表过压;闪烁4下,灭2秒,一直循环代表欠压。
[0030] 工作过程:太阳能电池板通过具有最大功率点跟踪(MPPT)功能的5A多类型电池充电管理集成芯片CN3722以最高的效率对磷酸铁锂电池进行充电,同时CN3722还进行输入低电压锁存,电池温度监测,电池端过压保护和充电状态指示等功能。蓄电池利用三端稳压器件LM7812和LM7805分别输出直流电压+12V和+5V,供直流负载和其它芯片使用。蓄电池的12V直流电经芯片TL494构成的推挽式升压电路进行升压,然后滤波、整流,输出320V直流稳定电压。升压主电路变换后,逆变部分采用自带死区控制的EG8010芯片产生正弦脉宽调制(SPWM)信号给IR2100驱动电路,驱动电压型单相桥式逆变电路进行DC-AC功率变换,最后经过输出滤波器给负载供电。EG8010芯片对过压、欠压、过流、过热进行保护,外接串口 12832液晶显示模块显示逆变器的电压、频率、温度和电流等信息。

Claims (4)

1.一种光伏智能控制器;包括太阳能电池板,与太阳能电池板连接的充电器、与充电器连接的蓄电池以及与蓄电池连接的逆变器;其特征在于:所述的充充电器采用电池充电管理集成芯片CN3722 ;所述的蓄电池连接三端稳压器件LM7812和LM7805分别输出直流电压+12V和+5V ;所述的逆变器包括升压电路和逆变电路;蓄电池的12V直流电经升压电路升压、然后滤波整流输出320V直流稳定电压;所述的逆变电路包括EG8010芯片、IR2100驱动电路以及与升压电路连接的DC/AC全桥逆变电路;EG8010芯片产生正弦脉宽调制信号给IR2100驱动电路,IR2100驱动电路驱动DC/AC全桥逆变电路进行DC-AC功率变换;EG8010芯片外接串口 12832液晶显示模块;EG8010芯片的OSCl、0SC2管脚外接12MHz晶体振荡器;EG8010芯片的引脚TFB连接温度检测反馈电路,引脚Vfb连接输出电压反馈电路,引脚Ifb输出电流反馈电路。
2.根据权利要求1所述的光伏智能控制器,其特征在于:所述的升压电路采用有固定频率脉宽调制电路TL494、晶体管Q1、Q2,场效应管Q3、Q4、变压器TI以及全桥整流滤波电路构成的TL494推免式升压电路;晶体管Ql、Q2的基极分别接固定频率脉宽调制电路TL494两个内置晶体管的发射极E2、El,晶体管Ql、Q2的发射极接对应接场效应管Q3、Q4的g极,晶体管Ql、Q2的集电极接地,场效应管Q3、Q4的s极接地;场效应管Q3、Q4的d极对应接变压器Tl的一次端,变压器Tl的二次端接全桥整流滤波电路。
3.根据权利要求1所述的光伏智能控制器,其特征在于:EG8010芯片具有300nS、500nS、luS和1.5us四个死区时间。
4.根据权利要求1所述的光伏智能控制器,其特征在于:EG8010芯片管脚LEDOUT外接 LED。
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