CN104638750B - 具有微能量收集功能的风光互补供电系统 - Google Patents

具有微能量收集功能的风光互补供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有微能量收集功能的风光互补供电系统，包括：整流隔离电路，将太阳能电池板输出的直流电发送到蓄电池充电电路和超级电容充电电路中；蓄电池充电电路，将所述整流隔离电路输出的直流电输出到蓄电池中；超级电容充电电路，将所述整流隔离电路输出的直流电稳压后，输出到超级电容中；超级电容，用所述超级电容充电电路的输出电流充电；稳压电路，将所述超级电容的输出的直流电升压到12V，再输出到电源切换电路中；电源切换电路，通过所述微控制器的控制，将所述蓄电池或所述稳压电路的输出直流电输出到用电设备；以及微控制器；输入能量弱时也能充电，对风光互补供电系统本身间歇性供电，使风光互补供电系统持续工作。

Description

具有微能量收集功能的风光互补供电系统
技术领域
本发明涉及风光互补发电领域，尤其涉及具有微能量收集功能的风光互补供电系统。
背景技术
目前已有的风光互补控制器的主要关注点在输入能量的管理和蓄电池的充放电管理上，在实际应用中其主要缺点表现在：
1、启动电压过高，风机在小风速、太阳能电池板在弱光时均能输出能量，只是此时输出的电压较低，启动门槛过高，控制器将无视这部分能量的存在，造成能量的浪费。
2、常规风光互补电源中的储能设备是蓄电池，蓄电池本身的自放电较大，在输入能量功率较小时，无法克服其自放电带来的能量损耗，无法进行能量的存储，也就无法收集微小能量。
3、常规风光互补控制器的工作电源均由蓄电池提供，在长期阴雨天后，电池馈电或自保护后，控制器因无工作电源而无法恢复工作，整个系统因缺电而瘫痪。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有微能量收集功能的风光互补供电系统，输入能量弱时也能充电，涓流充电，集中释放，对风光互补供电系统本身间歇性供电，采用超低压超低功耗的微控制器，节约电能，使风光互补供电系统持续工作。
本发明的技术方案是具有微能量收集功能的风光互补供电系统，包括：
整流隔离电路，将太阳能电池板输出的直流电发送到蓄电池充电电路和超级电容充电电路中；还将三相风机输出的交流电整流成直流电，再和直流风机输出的直流电并联，作为风机的总输出电流，发送到蓄电池充电电路和超级电容充电电路中；
蓄电池充电电路，将所述整流隔离电路输出的直流电输出到蓄电池中；
超级电容充电电路，将所述整流隔离电路输出的直流电稳压后，输出到超级电容中；
蓄电池，用所述整流隔离电路的输出电流充电；给电源切换电路放电；当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载，且超级电容放电至4.5Ｖ时，向微控制器供电；
超级电容，用所述超级电容充电电路的输出电流充电；给所述稳压电路放电；当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载，且超级电容内的电压大于4.5Ｖ时，向微控制器供电；
稳压电路，将所述超级电容的输出的直流电升压到12V，再输出到电源切换电路中；
电源切换电路，通过所述微控制器的控制，将所述蓄电池或所述稳压电路的输出直流电输出到用电设备；以及
微控制器，控制所述蓄电池充电电路，防止所述蓄电池过充和充电电流过大；控制所述超级电容充电电路，使所述超级电容充电电路对所述整流隔离电路的输出电流自动稳压，防止对所述超级电容过充；
其中，所述超级电容充电电路包括自动升降压电路和充电控制开关，该充电控制开关连接所述自动升降压电路和所述超级电容，所述自动升降压电路对所述整流隔离电路的输出电流自动稳压，作为超级电容充电的输入；所述微控制器通过调节所述充电控制开关的PWM信号的脉宽，调节充电电流，同时也可防止因输入电压过低时自动升降压电路效率较低，自发热较大而导致芯片烧毁。
当太阳能电池板或风机输入电压超过电池电压，且功率足够时，供电系统一方面通过蓄电池充电电路为蓄电池充电。按照蓄电池充电所需的分段式充电模型工作，并提供电池充电管理所需的过流、过压保护功能；另一方面，超级电容充电电路为超级电容充电，供电系统输出小电流负载时，由超级电容充电电路提供，输出大电流负载时，由蓄电池充电电路提供。负载可满负荷不间断工作，超级电容处于满充状态，蓄电池处于浮充状态。
当太阳能电池板或风机输入功率大于小电流负载且小于蓄电池充电门限时，超级电容满充，由超级电容充电电路提供小功率负载，蓄电池提供大电流负载。
当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载时，超级电容充电至9.5V时开始放电，为小功率负载供电；放电至4.5Ｖ时，停止放电，转由蓄电池供电。该模式在可延长蓄电池的续航时间，在蓄电池亏电后，供电系统还可间歇性的提供电源，满足应急工作的需要。
在微光和微风条件下，输入能量弱时也能充电，涓流充电，超级电容充满后集中释放，对风光互补供电系统本身间歇性供电，也能对外部负载供电，采用超低压超低功耗的微控制器，节约了电能，使风光互补供电系统持续工作。
进一步地，所述三相风机输出的交流电通过6只肖特基管组成的全桥整流电路整成直流。直流风机输入和交流风机整流后的输出并联后，作为风机的总输入。
进一步地，风机的总输出电流和太阳能电池板输出的直流电相互隔离后输出，防止夜间太阳能电池板无输出时，电流倒流至太阳能电池板会烧毁太阳能电池板。所述隔离功能通过太阳能电池板和风能两个独立的充电电路来实现。
进一步地，所述蓄电池充电电路包括MOS管Q3、MOS管Q4、稳压二极管D7以及稳压二极管D8，所述MOS管Q3的源极连接稳压二极管D7的反向输入端，所述MOS管Q3的栅极连接稳压二极管D7的反向输出端，所述稳压二极管D7与R31并联；MOS管Q3的漏极连接MOS管Q4的漏极，所述MOS管Q4的源极连接稳压二极管D8的输出端，所述MOS管Q4的栅极连接稳压二极管D8的输入端，所述稳压二极管D8与R15并联；所述MOS管Q3的栅极通过R28连接所述微控制器，所述MOS管Q4的栅极通过R44连接所述微控制器，太阳能电池板的输出端连接所述MOS管Q3的源极。采用双MOS管背对背的连接方式，MOS管Q3为PWM充电控制MOS管，MOS管Q4为同步整流MOS管，充电时打开，降低MOS管体二极管的损耗，补充点时截止，防止电池输出逆流至太阳能电池板。太阳能电池板和风机输入的PWM充电电路相互独立，使用同步的PWM脉冲信号控制，同步整流MOS管的存在有效隔离了太阳能电池板和风机。
进一步地，自动升降压电路采用LT3959型DC/DC转换器，将自动升降压电路的输出电流稳定到11V。
进一步地，稳压电路包括三极管Q14、电阻R2、升压IC、三极管Q13、电阻R50、电阻R1、电感L3、二极管D14以及电阻R46，所述升压IC的型号为MP1542；所述三极管Q14的基极通过电阻R52连接超级电容，所述三极管Q14的集电极通过电阻R2连接三极管Q13的发射极和电感L3的输入端，所述三极管Q14的集电极连接所述升压IC的第3引脚，所述三极管Q14的发射极接地，所述电感L3、二极管D14和电阻R46串联，该电阻R46连接电源切换电路；所述三极管Q13的基极通过电阻R51连接电源切换电路，三极管Q13的集电极通过电阻R50连接电阻R1的输入端，所述电阻R1的输出端连接电源切换电路；所述升压IC的第2引脚连接所述R1的输入端，所述升压IC的第5引脚连接所述二极管D14的输入端，所述升压IC的第4和第7引脚接地，所述升压IC的引脚1串联电容C1和电阻R4后接地。有效防止输出短路时，超级电容瞬间放电电流过大，而导致升压IC损坏。
进一步地，微控制器采集超级电容和蓄电池的电压，同时根据超级电容的充放电状态确定当前供电输出时由蓄电池提供还是由超级电容升压后提供；当所述超级电容处于充电模式时，且充电电压低于9.5V时，由蓄电池提供电源；超级电容充电至9.5V后，切换至放电状态，放电深度低于4.5V之前，由超级电容提供电源；放电深度低于4.5V后，超级电容切换至充电状态，转由蓄电池提供电源
有益效果：启动电压低，输入超过2.5Ｖ即可工作，开始对超级电容进行充电；除了使用蓄电池作为储能设备外，还配备了12.5F的超级电容，在输入能量较大时可对蓄电池进行充电，在输入能量弱时使用自放电系数很小的超级电容来收集能量，能量收集到一定程度后再集中释放，保证电力供给。该风光互补控制器采用超低压超低功耗的微控制器，工作时自身耗电很小，其工作电源可有蓄电池、超级电容或太阳能电池板、风能直接提供，任何一种电源输入达到工作要求后供电系统即可正常工作，避免了蓄电池亏电后供电系统无法恢复的情况。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路结构框图；
图2是整流隔离电路图；
图3是蓄电池充电电路图；
图4是超级电容充电电路框图；
图5是稳压电路图；
图6是电源切换电路框图；
图7是电源切换电路图；
图中标记：1-整流隔离电路；2-蓄电池充电电路；3-超级电容充电电路；4-蓄电池；5-超级电容；6-电源切换电路；7-稳压电路；8-微控制器；9-自动升降压电路；10-充电控制开关；11-供电选择开关。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
参见图1至7，具有微能量收集功能的风光互补供电系统，包括：整流隔离电路1，将太阳能电池板输出的直流电发送到蓄电池充电电路2和超级电容充电电路3中；还将三相风机输出的交流电整流成直流电，再和直流风机输出的直流电并联，作为风机的总输出电流，发送到蓄电池充电电路2和超级电容充电电路3中；蓄电池充电电路2，将所述整流隔离电路1输出的直流电输出到蓄电池4中；超级电容充电电路3，将所述整流隔离电路1输出的直流电稳压后，输出到超级电容5中；蓄电池4，用所述整流隔离电路1的输出电流充电；给电源切换电路6放电；当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载，且超级电容5放电至4.5Ｖ时，向微控制器8供电；超级电容5，用所述超级电容充电电路3的输出电流充电；给所述稳压电路7放电；当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载，且超级电容5内的电压大于4.5Ｖ时，向微控制器8供电；稳压电路7，将所述超级电容5的输出的直流电升压到12V，再输出到电源切换电路6中；电源切换电路6，通过所述微控制器8的控制，将所述蓄电池4或所述稳压电路7的输出直流电输出到用电设备；以及微控制器8，控制所述蓄电池充电电路2，防止所述蓄电池4过充和充电电流过大；控制所述超级电容充电电路3，使所述超级电容充电电路3对所述整流隔离电路1的输出电流自动稳压，防止对所述超级电容5过充；
其中，所述超级电容充电电路3包括自动升降压电路9和充电控制开关10，该充电控制开关10连接所述自动升降压电路9和所述超级电容5，所述自动升降压电路9对所述整流隔离电路1的输出电流自动稳压，作为超级电容5充电的输入；所述微控制器8通过调节所述充电控制开关10的PWM信号的脉宽，调节充电电流，同时也可防止因输入电压过低时自动升降压电路9效率较低，自发热较大而导致芯片烧毁。
当太阳能电池板或风机输入电压超过电池电压，且功率足够时，供电系统一方面通过蓄电池充电电路2为蓄电池4充电。按照蓄电池4充电所需的分段式充电模型工作，并提供电池充电管理所需的过流、过压保护功能；另一方面，超级电容充电电路3为超级电容5充电，供电系统输出小电流负载时，由超级电容充电电路3提供，输出大电流负载时，由蓄电池充电电路2提供。负载可满负荷不间断工作，超级电容5处于满充状态，蓄电池4处于浮充状态。
当太阳能电池板或风机输入功率大于小电流负载且小于蓄电池4充电门限时，超级电容满充，由超级电容充电电路3提供小功率负载，蓄电池4提供大电流负载。
当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载时，超级电容5充电至9.5V时开始放电，为小功率负载供电；放电至4.5Ｖ时，停止放电，转由蓄电池4供电。该模式在可延长蓄电池4的续航时间，在蓄电池4亏电后，供电系统还可间歇性的提供电源，满足应急工作的需要。
在微光和微风条件下，输入能量弱时也能充电，涓流充电，超级电容5充满后集中释放，对风光互补供电系统本身间歇性供电，也能对外部负载供电，采用超低压超低功耗的微控制器8，节约了电能，使风光互补供电系统持续工作。
参见图2，所述三相风机输出的交流电通过6只肖特基管组成的全桥整流电路整成直流。直流风机输入和交流风机整流后的输出并联后，作为风机的总输入。
参见图2和图3，风机的总输出电流和太阳能电池板输出的直流电相互隔离后输出，防止夜间太阳能电池板无输出时，电流倒流至太阳能电池板会烧毁太阳能电池板。所述隔离功能通过太阳能电池板和风能两个独立的充电电路来实现。
参见图1至3，所述蓄电池充电电路2包括MOS管Q3、MOS管Q4、稳压二极管D7以及稳压二极管D8，所述MOS管Q3的源极连接稳压二极管D7的反向输入端，所述MOS管Q3的栅极连接稳压二极管D7的反向输出端，所述稳压二极管D7与R31并联；MOS管Q3的漏极连接MOS管Q4的漏极，所述MOS管Q4的源极连接稳压二极管D8的输出端，所述MOS管Q4的栅极连接稳压二极管D8的输入端，所述稳压二极管D8与R15并联；所述MOS管Q3的栅极通过R28连接所述微控制器8，所述MOS管Q4的栅极通过R44连接所述微控制器8，太阳能电池板的输出端连接所述MOS管Q3的源极。采用双MOS管背对背的连接方式，MOS管Q3为PWM充电控制MOS管，MOS管Q4为同步整流MOS管，充电时打开，降低MOS管体二极管的损耗，补充点时截止，防止电池输出逆流至太阳能电池板。太阳能电池板和风机输入的PWM充电电路相互独立，使用同步的PWM脉冲信号控制，同步整流MOS管的存在有效隔离了太阳能电池板和风机。
参见图4，自动升降压电路9采用LT3959型DC/DC转换器，将自动升降压电路9的输出电流稳定到11V。
参见图5，稳压电路7包括三极管Q14、电阻R2、升压IC、三极管Q13、电阻R50、电阻R1、电感L3、二极管D14以及电阻R46，所述升压IC的型号为MP1542；所述三极管Q14的基极通过电阻R52连接超级电容5，所述三极管Q14的集电极通过电阻R2连接三极管Q13的发射极和电感L3的输入端，所述三极管Q14的集电极连接所述升压IC的第3引脚，所述三极管Q14的发射极接地，所述电感L3、二极管D14和电阻R46串联，该电阻R46连接电源切换电路6；所述三极管Q13的基极通过电阻R51连接电源切换电路6，三极管Q13的集电极通过电阻R50连接电阻R1的输入端，所述电阻R1的输出端连接电源切换电路6；所述升压IC的第2引脚连接所述R1的输入端，所述升压IC的第5引脚连接所述二极管D14的输入端，所述升压IC的第4和第7引脚接地，所述升压IC的引脚1串联电容C1和电阻R4后接地。有效防止输出短路时，超级电容5瞬间放电电流过大，而导致升压IC损坏。
参见图6和图7，微控制器8采集超级电容5和蓄电池4的电压，同时根据超级电容5的充放电状态确定当前供电输出时由蓄电池4提供还是由超级电容5升压后提供；当所述超级电容5处于充电模式时，且充电电压低于9.5V时，由蓄电池4提供电源；超级电容5充电至9.5V后，切换至放电状态，放电深度低于4.5V之前，由超级电容5提供电源；放电深度低于4.5V后，超级电容5切换至充电状态，转由蓄电池4提供电源
启动电压低，输入超过2.5Ｖ即可工作，开始对超级电容5进行充电；除了使用蓄电池4作为储能设备外，还配备了12.5F的超级电容5，在输入能量较大时可对蓄电池4进行充电，在输入能量弱时使用自放电系数很小的超级电容5来收集能量，能量收集到一定程度后再集中释放，保证电力供给。该风光互补控制器采用超低压超低功耗的微控制器8，工作时自身耗电很小，其工作电源可有蓄电池4、超级电容5或太阳能电池板、风能直接提供，任何一种电源输入达到工作要求后供电系统即可正常工作，避免了蓄电池4亏电后供电系统无法恢复的情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.具有微能量收集功能的风光互补供电系统，其特征在于，包括：
整流隔离电路，将太阳能电池板输出的直流电发送到蓄电池充电电路和超级电容充电电路中；还将三相风机输出的交流电整流成直流电，再和直流风机输出的直流电并联，作为风机的总输出电流，发送到蓄电池充电电路和超级电容充电电路中；
蓄电池充电电路，将所述整流隔离电路输出的直流电输出到蓄电池中；
超级电容充电电路，将所述整流隔离电路输出的直流电稳压后，输出到超级电容中；
蓄电池，用所述整流隔离电路的输出电流充电；给电源切换电路放电；当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载，且超级电容放电至4.5Ｖ时，向微控制器供电；
超级电容，用所述超级电容充电电路的输出电流充电；给所述稳压电路放电；当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载，且超级电容内的电压大于4.5Ｖ时，向微控制器供电；
稳压电路，将所述超级电容的输出的直流电升压到12V，再输出到电源切换电路中；
电源切换电路，通过所述微控制器的控制，将所述蓄电池或所述稳压电路的输出直流电输出到用电设备；以及
微控制器，控制所述蓄电池充电电路，防止所述蓄电池过充和充电电流过大；控制所述超级电容充电电路，使所述超级电容充电电路对所述整流隔离电路的输出电流自动稳压，防止对所述超级电容过充；
其中，所述超级电容充电电路包括自动升降压电路和充电控制开关，该充电控制开关连接所述自动升降压电路和所述超级电容，所述自动升降压电路对所述整流隔离电路的输出电流自动稳压，作为超级电容充电的输入；所述微控制器通过调节所述充电控制开关的PWM信号的脉宽，调节充电电流，同时也可防止因输入电压过低时自动升降压电路效率较低，自发热较大而导致芯片烧毁，
当太阳能电池板或风机输入功率大于小电流负载且小于蓄电池充电门限时，超级电容满充，由超级电容充电电路提供小功率负载，蓄电池提供大电流负载；
当太阳能电池板或风机输入功率小于小电流负载时，超级电容充电至9.5V时开始放电，为小功率负载供电；放电至4.5V时，停止放电，转由蓄电池供电，负载可满负荷不间断工作，超级电容处于满充状态，蓄电池处于浮充状态。
2.根据权利要求1所述的具有微能量收集功能的风光互补供电系统，其特征在于：所述三相风机输出的交流电通过6只肖特基管组成的全桥整流电路整成直流。
3.根据权利要求2所述的具有微能量收集功能的风光互补供电系统，其特征在于：风机的总输出电流和太阳能电池板输出的直流电相互隔离后输出。
4.根据权利要求1所述的具有微能量收集功能的风光互补供电系统，其特征在于：所述蓄电池充电电路包括MOS管Q3、MOS管Q4、稳压二极管D7以及稳压二极管D8，所述MOS管Q3的源极连接稳压二极管D7的反向输入端，所述MOS管Q3的栅极连接稳压二极管D7的反向输出端，所述稳压二极管D7与R31并联；MOS管Q3的漏极连接MOS管Q4的漏极，所述MOS管Q4的源极连接稳压二极管D8的输出端，所述MOS管Q4的栅极连接稳压二极管D8的输入端，所述稳压二极管D8与R15并联；所述MOS管Q3的栅极通过R28连接所述微控制器，所述MOS管Q4的栅极通过R44连接所述微控制器，太阳能电池板的输出端连接所述MOS管Q3的源极。
5.根据权利要求4所述的具有微能量收集功能的风光互补供电系统，其特征在于：自动升降压电路采用LT3959型DC/DC转换器，将自动升降压电路的输出电流稳定到11V。
6.根据权利要求5所述的具有微能量收集功能的风光互补供电系统，其特征在于：稳压电路包括三极管Q14、电阻R2、升压IC、三极管Q13、电阻R50、电阻R1、电感L3、二极管D14以及电阻R46，所述升压IC的型号为MP1542；所述三极管Q14的基极通过电阻R52连接超级电容，所述三极管Q14的集电极通过电阻R2连接三极管Q13的发射极和电感L3的输入端，所述三极管Q14的集电极连接所述升压IC的第3引脚，所述三极管Q14的发射极接地，所述电感L3、二极管D14和电阻R46串联，该电阻R46连接电源切换电路；所述三极管Q13的基极通过电阻R51连接电源切换电路，三极管Q13的集电极通过电阻R50连接电阻R1的输入端，所述电阻R1的输出端连接电源切换电路；所述升压IC的第2引脚连接所述R1的输入端，所述升压IC的第5引脚连接所述二极管D14的输入端，所述升压IC的第4和第7引脚接地，所述升压IC的引脚1串联电容C1和电阻R4后接地。
7.根据权利要求6所述的具有微能量收集功能的风光互补供电系统，其特征在于：微控制器采集超级电容和蓄电池的电压，同时根据超级电容的充放电状态确定当前供电输出时由蓄电池提供还是由超级电容升压后提供；当所述超级电容处于充电模式时，且充电电压低于9.5V时，由蓄电池提供电源；超级电容充电至9.5V后，切换至放电状态，放电深度低于4.5V之前，由超级电容提供电源；放电深度低于4.5V后，超级电容切换至充电状态，转由蓄电池提供电源。
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