CN104319854A - 一种电动自行车独立光伏充电装置及其充电方法 - Google Patents

Abstract

一种电动自行车独立光伏充电装置包括太阳能电池板、升压电路、蓄电池、升降压电路、控制器、驱动电路、继电器、电压电流检测电路；太阳能电池板、升压电路、蓄电池、升降压电路、电动自行车蓄电池依次连接，组成两级充电电路，分别对蓄电池和自行车蓄电池进行充电；太阳能电池板对蓄电池充电采用了双Boost电路，利用最大功率点跟踪方式对蓄电池进行充电，提高充电效率，降低了蓄电池容量配置；蓄电池对电动自行车蓄电池充电采用了升降压电路，利用三段式充电方法对自行车蓄电池进行充电，提高充电效率，增加了电池使用寿命；装置能够有效减小电路中的纹波系数，增加电路稳定性，可实现能源的有效利用。

Description

一种电动自行车独立光伏充电装置及其充电方法

技术领域：

本发明属于独立光伏发电技术领域，尤其涉及一种电动自行车独立光伏充电装置及其充电方法。

背景技术：

独立光伏发电系统能够将取之不尽用之不竭的太阳能转化为电能，独立光伏发电在生活中应用非常广泛。光伏充电装置是将太阳能电池板输出的电能储存在蓄电池中供负载使用，独立光伏充电装置中光伏电池板功率输出受光照强度、环境温度和湿度等因素影响，通过最大功率点跟踪控制器的设计提高独立光伏充电装置的工作效率。

最大功率点跟踪控制器通过实时采集光伏电池板的电压值和电流值，经过调整和寻优，加入最大功率点跟踪控制方法，目前已有扰动观察法、电压跟踪法、实际测量法、直线拟合法、模糊控制法和导纳增量法等，根据光伏充电装置的要求选择控制方法使光伏充电装置达到最大功率输出。蓄电池的充电方法直接影响到光伏发电系统的性能，目前最常用的蓄电池为铅酸蓄电池，其充电控制方法包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电方法。

电动自行车是一种绿色环保的交通工具，在面临能源危机、环境危机、生态危机的当代社会是非常受欢迎的便利交通工具。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电动自行车独立光伏充电装置及其充电方法，其目的是解决独立光伏发电系统运行稳定性和效率问题，提高可再生能源利用率。

本发明的技术方案是：一种电动自行车独立光伏充电装置包括太阳能电池板、升压电路、蓄电池、升降压电路、控制器、继电器、驱动电路、电压电流检测电路；太阳能电池板、升压电路、第一继电器、蓄电池、升降压电路、第二继电器依次连接，第二继电器的输出端与电动自行车蓄电池连接；控制器通过第一驱动电路与升压电路连接，通过第二驱动电路与升降压电路连接；太阳能电池板的输出端与第一电压电流检测电路的输入端连接，升压电路的输出端通过第一继电器与第二电压电流检测电路的输入端连接，升降压电路的输出端通过第二继电器与第三电压电流检测电路的输入端连接；第一电压电流检测电路、第二电压电流检测电路、第三电压电流检测电路检测的电压电流信号均输出给控制器，控制器通过计算被检测信号和控制要求控制第一驱动电路输出PWM信号给升压电路中的NMOS管，控制升压电路给蓄电池充电，控制器还控制第二驱动电路输出PWM信号给升降压电路中的NMOS管，控制升降压电路给电动自行车蓄电池充电；控制器还输出控制信号给第一继电器和第二继电器，控制第一继电器和第二继电器的通断；太阳能电池板产生的电流通过升压电路给蓄电池充电，蓄电池放电产生的电流通过升降压电路给电动自行车蓄电池充电。

升压电路采用双boost电路，包括电容Cz1、电容Cz2、电容Cz3、电压传感器TBV1、电压传感器TBV2、电流传感器TBC1、电流传感器TBC2、电感Lz1、电感Lz2、NMOS管1、NMOS管2、二极管Dz1、二极管Dz2；电容Cz2一端分别与太阳能电池板一输出端、电容Cz3一端、电阻Rz2一端、电流传感器TBC1原边的输入端引脚相连，电容Cz2另一端分别与太阳能电池板另一输出端、电容Cz3另一端、电压传感器TBV1原边的输入端引脚2相连，电阻Rz2另一端与电压传感器TBV1引脚1相连；电流传感器TBC1输出端引脚分别与电感Lz1一端、电感Lz2一端相连，电感Lz1另一端分别与二极管Dz1阳极、NMOS管1漏极相连，电感Lz2另一端分别与二极管Dz2阳极、NMOS管2漏极相连，二极管Dz1阴极分别与二极管Dz2阴极、电容Cz1一端相连，电容Cz1另一端分别与NMOS管1源极、NMOS管2源极、电压传感器TBV1原边输入端引脚2、电压传感器TBV2原边输入端引脚2相连；电压传感器TBV1、电压传感器TBV2均采用HNV025A型电压传感器。

升降压电路包括电容Cz4、电压传感器TBV3、电流传感器TBC3、电感Lz3、NMOS管3、二极管Dz9、继电器U9；蓄电池的阳极与NMOS管3的漏极相连，NMOS管3的源极与电感Lz3的一端相连，电感Lz3另一端与蓄电池负极相连，NMOS管3源极还与二极管Dz9阴极相连，二极管Dz9阳极分别与电流传感器TBC3的原边输入端引脚、电容Cz4的一端相连，电容Cz4另一端分别与蓄电池的负极、电压传感器TBV3的原边输入端引脚2相连，电流传感器TBC3原边输出端引脚与继电器U9的主触点3相连，继电器U9的主触点2与电阻Rz20的一端相连，电阻Rz20的另一端与电压传感器TBV3原边输入端引脚1连接；电压传感器TBV3采用HNV025A型电压传感器。

蓄电池采用铅酸蓄电池或锂电池。

控制器根据检测的电压电流数据及控制要求，运用最大功率点跟踪控制方法计算出驱动信号占空比，控制第一驱动电路输出PWM信号给升压电路，使太阳能电池板工作在最大功率点处；升压电路输出端连接第一继电器用于切断升压电路和蓄电池的连接，防止电压不足或者过高损坏蓄电池及元器件。

控制器根据电动自行车蓄电池充电电压，调节PWM信号的占空比，通过第二驱动电路驱动升降压电路中的NMOS管，改变充电电压；控制器根据第三电压电流检测电路检测的信号对电动自行车蓄电池进行三段式充电；升降压电路末端连接第二继电器用于切断升降压电路和电动自行车蓄电池的连接，防止外部触电或短路故障损坏电动自行车蓄电池及元器件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

太阳能电池板向储能蓄电池充电过程中采用的是双级升压电路(双Boost)，实现了最大功率点跟踪控制，不仅能够有效减小电路中的纹波系数，增加电路稳定性，而且可以实现能源的有效利用。电动自行车蓄电池充电电路采用升降压电路，解决了不同电压等级蓄电池的充电兼容等问题。其中充电策略采用三段式从充电方式，延长蓄电池使用寿命，减少了充电时间，提高了充电效率。

附图说明：

图1为充电装置结构示意图。

图2为升压电路结构图。

图3为升降压电路结构图。

图4为驱动电路模块结构图。

图5为软件主程序流程图。

图6为三段式充电示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，一种电动自行车独立光伏充电装置包括太阳能电池板、升压电路、蓄电池、升降压电路、控制器、继电器、驱动电路、电压电流检测电路；太阳能电池板、升压电路、第一继电器、蓄电池、升降压电路、第二继电器依次连接，第二继电器的输出端与电动自行车蓄电池连接；控制器通过第一驱动电路与升压电路连接，通过第二驱动电路与升降压电路连接；太阳能电池板的输出端与第一电压电流检测电路的输入端连接，升压电路的输出端通过第一继电器与第二电压电流检测电路的输入端连接，升降压电路的输出端通过第二继电器与第三电压电流检测电路的输入端连接；第一电压电流检测电路、第二电压电流检测电路、第三电压电流检测电路检测的电压电流信号均输出给控制器，控制器通过计算被检测信号和控制要求控制第一驱动电路输出PWM信号给升压电路中的NMOS管，控制升压电路给蓄电池充电，控制器还控制第二驱动电路输出PWM信号给升降压电路中的NMOS管，控制升降压电路给电动自行车蓄电池充电；控制器还输出控制信号给第一继电器和第二继电器，控制第一继电器和第二继电器的通断；太阳能电池板产生的电流通过升压电路给蓄电池充电，蓄电池放电产生的电流通过升降压电路给电动自行车蓄电池充电。

如图2所示，升压电路包括电容Cz1、电容Cz2、电容Cz3、电压传感器TBV1、电压传感器TBV2、电流传感器TBC1、电流传感器TBC2、电感Lz1、电感Lz2、NMOS管1、NMOS管2、二极管Dz1、二极管Dz2；电容Cz2一端分别与太阳能电池板一输出端、电容Cz3一端、电阻Rz2一端、电流传感器TBC1原边的输入端引脚相连，电容Cz2另一端分别与太阳能电池板另一输出端、电容Cz3另一端、电压传感器TBV1原边的输入端引脚2相连，电阻Rz2另一端与电压传感器TBV1引脚1相连；电流传感器TBC1输出端引脚分别与电感Lz1一端、电感Lz2一端相连，电感Lz1另一端分别与二极管Dz1阳极、NMOS管1漏极相连，电感Lz2另一端分别与二极管Dz2阳极、NMOS管2漏极相连，二极管Dz1阴极分别与二极管Dz2阴极、电容Cz1一端相连，电容Cz1另一端分别与NMOS管1源极、NMOS管2源极、电压传感器TBV1原边输入端引脚2、电压传感器TBV2原边输入端引脚2相连；电压传感器TBV1、电压传感器TBV2均采用HNV025A型电压传感器。

太阳能电池板、升压电路、蓄电池、第一继电器和第二电压电流检测电路组成蓄电池充电回路。升压电路采用双Boost电路，双Boost电路是将两个Boost电路并联连接，并且两个开关管之间的导通脉冲相位相差180°。利用第一和第二电压电流检测电路测量信号，确定系统的工作状态，当蓄电池电压在允许充电范围之外，控制器控制第一继电器断开。太阳能电池板和升压电路不工作，蓄电池不充电。当蓄电池电压在允许充电范围之内，判断太阳能电池板的开路电压是否在允许充电工作范围之内。如果在，蓄电池进行充电，反之太阳能电池板和升压电路不工作。蓄电池充电工程中，控制器根据检测的电压电流数据及控制要求，运用最大功率点跟踪控制方法计算出驱动信号占空比，控制第一驱动电路输出PWM信号给升压电路，使太阳能电池板工作在最大功率点处。提高系统的充电效率及减少系统容量配置。升压电路输出端连接第一继电器用于切断升压电路和蓄电池的连接，防止电压不足或者过高损坏蓄电池及元器件。

如图3所示，升降压电路包括电容Cz4、电压传感器TBV3、电流传感器TBC3、电感Lz3、NMOS管3、二极管Dz9、继电器U9；蓄电池的阳极与NMOS管3的漏极相连，NMOS管3的源极与电感Lz3的一端相连，电感Lz3另一端与蓄电池负极相连，NMOS管3源极还与二极管Dz9阴极相连，二极管Dz9阳极分别与电流传感器TBC3的原边输入端引脚、电容Cz4的一端相连，电容Cz4另一端分别与蓄电池的负极、电压传感器TBV3的原边输入端引脚2相连，电流传感器TBC3原边输出端引脚与继电器U9的主触点3相连，继电器U9的主触点2与电阻Rz20的一端相连，电阻Rz20的另一端与电压传感器TBV3原边输入端引脚1连接；电压传感器TBV3采用HNV025A型电压传感器。

蓄电池、升降压电路、第三电压电流检测电路、第二继电器和电动自行车蓄电池组成电动自行车负载充电电路。控制器根据电动自行车蓄电池充电电压，调节PWM信号的占空比，通过第二驱动电路驱动升降压电路中的NMOS管，改变充电电压；控制器根据第三电压电流检测电路检测的信号对电动自行车蓄电池进行三段式充电；升降压电路末端连接第二继电器用于切断升降压电路和电动自行车蓄电池的连接，防止外部触电或短路故障损坏电动自行车蓄电池及元器件。

如图4所示，驱动电路模块采用光耦隔离，输出PWM信号给升压电路/升降压电路中的NMOS管。由于升压电路采用的是双Boost电路，因此，第一驱动电路包含两个驱动电路模块，并且两个驱动电路模块的结构完全相同。升降压电路中只有一个NMOS管，因此，第二驱动电路包含一个驱动电路模块。

如图5所示，控制器采用实时操作系统，分别创建AD采集、PWM输出、串口通信、人机接口等任务。控制器还可以连接一个上位机进行远程控制。程序流程首先进行硬件初始化，IO口初始化，延时函数、串口工作方式、波特率、AD口设置，之后初始化接收缓冲区，用来缓冲接收来自上位机的数据，然后打开操作系统，创建一个开始任务。

如图6所示，电动自行车蓄电池三段式充电包括预充、恒充及浮充。0～t1阶段是预充阶段，以一个小电流对蓄电池充电直至蓄电池两端的电压达到蓄电池的恢复电压U1。t1～t3阶段是蓄电池的快充阶段，包括t1～t2恒流充电和t2～t3恒压充电。随着充电的继续电流在不断减小，电压也在适当减小，当电流减小到0.02C时，蓄电池已经基本充满，t3～t4阶段进入恒压浮充阶段。t4时刻充电完毕。随着时间的推移，无论是蓄电池的自放电还是正常的蓄电池耗电，只要电池电压下降到U4以下，将进行t3～t4阶段的恒流充电的过程。以上各阶段在充电过程中重复进行，实现三段式充电。根据自行车蓄电池两端电压，判断蓄电池具体在哪个阶段充电。

本发明电动自行车的光伏充电方法包括以下步骤：

1、根据电压电流测量电路的测量值确定当前充电装置的工作状态。系统默认状态为继电器断开状态。根据图1所示，第二电压电流检测电路首先测量蓄电池两端的开路电压，当开路电压大于充电电压上限值或是小于充电电压下限值时，系统默认升压电路不工作，不对蓄电池充电。如果蓄电池的开路电压在允许充电范围内，系统将对蓄电池进行充电。充电过程中首先通过第一电压电流检测电路检测的电压值，测量太阳能电池板两端电压，当达到充电启动电压时，控制系统开始工作，否则系统不工作，持续检测太阳能电池板两端电压。

2、蓄电池充电阶段，根据太阳能电池板(光伏电池板)输出的电压值和电流值，计算出目前光照条件下的输出功率P＝UI。将采集到的光伏电池板实时输出电压值、电流值的信号输入到控制器中，通过乘法器相乘得到当前光伏电池板的输出功率，再与上一时刻输出功率相比较，通过最大功率点跟踪控制算法MPPT算出控制占空比，控制驱动电路输出PWM信号给升压电路。追踪到最大功率点。最大功率点跟踪算法采用扰动观察法，扰动观察法是在同一时刻的光照条件下，功率-电压曲线是一条单峰值曲线，可以周期性改变输出电压的大小，每次改变电压大小都会对应地使功率发生变化，每次通过与前一次改变的比较找到最大功率点的位置。如果向一个方向增加电压时功率也会增加，那么让电压增加直到功率开始减小，然后使电压大小反向变化，从而实现最大功率点跟踪。当工作点离最大功率点较近时，系统采用较小的步长进行调节，当工作点离最大功率点较远时，系统采用较大的步长调节NMOS管占空比，使系统工作在最大功率点。

3、根据蓄电池两端电压与蓄电池额定性能值比较，确定蓄电池状态，通过测量蓄电池两端电压，确定蓄电池充电阶段。

4、蓄电池输出通过升降压电路，选择充电自行车的充电的额定电压，后将电压稳定在电动自行车负载可用的电压范围。控制器首先判断蓄电池剩余电量是否可以给电动自行车充电。如在剩余电量范围以外，停止给自行车充电。如果在蓄电池剩余电量以内，对自行车进行充电。根据测量电动自行车蓄电池的电压，确定充电状态。本方法采用三段式充电方法给蓄电池充电。充电过程分为三个阶段，包括预充、恒充及浮充。

Claims (6)

1.一种电动自行车独立光伏充电装置，其特征在于：该装置包括太阳能电池板、升压电路、蓄电池、升降压电路、控制器、继电器、驱动电路、电压电流检测电路；太阳能电池板、升压电路、第一继电器、蓄电池、升降压电路、第二继电器依次连接，第二继电器的输出端与电动自行车蓄电池连接；控制器通过第一驱动电路与升压电路连接，通过第二驱动电路与升降压电路连接；太阳能电池板的输出端与第一电压电流检测电路的输入端连接，升压电路的输出端通过第一继电器与第二电压电流检测电路的输入端连接，升降压电路的输出端通过第二继电器与第三电压电流检测电路的输入端连接；第一电压电流检测电路、第二电压电流检测电路、第三电压电流检测电路检测的电压电流信号均输出给控制器，控制器通过计算被检测信号和控制要求控制第一驱动电路输出PWM信号给升压电路中的NMOS管，控制升压电路给蓄电池充电，控制器还控制第二驱动电路输出PWM信号给升降压电路中的NMOS管，控制升降压电路给电动自行车蓄电池充电；控制器还输出控制信号给第一继电器和第二继电器，控制第一继电器和第二继电器的通断；太阳能电池板产生的电流通过升压电路给蓄电池充电，蓄电池放电产生的电流通过升降压电路给电动自行车蓄电池充电。

2.根据权利要求1所述的一种电动自行车独立光伏充电装置，其特征在于：升压电路采用双boost电路，包括电容Cz1、电容Cz2、电容Cz3、电压传感器TBV1、电压传感器TBV2、电流传感器TBC1、电流传感器TBC2、电感Lz1、电感Lz2、NMOS管1、NMOS管2、二极管Dz1、二极管Dz2；电容Cz2一端分别与太阳能电池板一输出端、电容Cz3一端、电阻Rz2一端、电流传感器TBC1原边的输入端引脚相连，电容Cz2另一端分别与太阳能电池板另一输出端、电容Cz3另一端、电压传感器TBV1原边的输入端引脚2相连，电阻Rz2另一端与电压传感器TBV1引脚1相连；电流传感器TBC1输出端引脚分别与电感Lz1一端、电感Lz2一端相连，电感Lz1另一端分别与二极管Dz1阳极、NMOS管1漏极相连，电感Lz2另一端分别与二极管Dz2阳极、NMOS管2漏极相连，二极管Dz1阴极分别与二极管Dz2阴极、电容Cz1一端相连，电容Cz1另一端分别与NMOS管1源极、NMOS管2源极、电压传感器TBV1原边输入端引脚2、电压传感器TBV2原边输入端引脚2相连；电压传感器TBV1、电压传感器TBV2均采用HNV025A型电压传感器。

3.根据权利要求1所述的一种电动自行车独立光伏充电装置，其特征在于：升降压电路包括电容Cz4、电压传感器TBV3、电流传感器TBC3、电感Lz3、NMOS管3、二极管Dz9、继电器U9；蓄电池的阳极与NMOS管3的漏极相连，NMOS管3的源极与电感Lz3的一端相连，电感Lz3另一端与蓄电池负极相连，NMOS管3源极还与二极管Dz9阴极相连，二极管Dz9阳极分别与电流传感器TBC3的原边输入端引脚、电容Cz4的一端相连，电容Cz4另一端分别与蓄电池的负极、电压传感器TBV3的原边输入端引脚2相连，电流传感器TBC3原边输出端引脚与继电器U9的主触点3相连，继电器U9的主触点2与电阻Rz20的一端相连，电阻Rz20的另一端与电压传感器TBV3原边输入端引脚1连接；电压传感器TBV3采用HNV025A型电压传感器。

4.根据权利要求1所述的一种电动自行车独立光伏充电装置，其特征在于：蓄电池采用铅酸蓄电池或锂电池。

5.根据权利要求2所述的一种电动自行车独立光伏充电装置，其特征在于：控制器根据检测的电压电流数据及控制要求，运用最大功率点跟踪控制方法计算出驱动信号占空比，控制第一驱动电路输出PWM信号给升压电路，使太阳能电池板工作在最大功率点处；升压电路输出端连接第一继电器用于切断升压电路和蓄电池的连接，防止电压不足或者过高损坏蓄电池及元器件。

6.根据权利要求3所述的一种电动自行车独立光伏充电装置，其特征在于：控制器根据电动自行车蓄电池充电电压，调节PWM信号的占空比，通过第二驱动电路驱动升降压电路中的NMOS管，改变充电电压；控制器根据第三电压电流检测电路检测的信号对电动自行车蓄电池进行三段式充电；升降压电路末端连接第二继电器用于切断升降压电路和电动自行车蓄电池的连接，防止外部触电或短路故障损坏电动自行车蓄电池及元器件。