CN105490317A - 太阳能电池智能充电控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电控制器装置，特别是一种太阳能电池智能充电控制装置。<b>包括</b>太阳能电池阵列，防反充二极管，磁保持继电器、DC/DC电路、充电控制电路、锂电池组，放电控制电路、电压检测电路、温度传感器、报警电路及显示器等单元组成。本发明以MSP430F133微处理器为控制核心的硬软件相结合的控制方式，采用DC/DC升压变换器对太阳能电池阵列输出电压进行升压，以恒压限流的方式给锂电池组允电，通过微处理器控制MOSFET管的开关占空比，控制充放电电压。通过数字温度传感器检测锂电池组温度，对锂电池组的充电阈值电压进行温度补偿；另一个目的是当检测到锂电池组温度超过正常工作温度之后，微处理器及时发出指令切断锂电池组的充电和放电通路，并发出报警声音。

Description

太阳能电池智能充电控制装置

技术领域

本发明涉及一种充电控制器装置，特别是一种太阳能电池智能充电控制装置。

背景技术

随着太阳能发电技术的发展，太阳能电池在各个领域的应用越来越广。目前己在等很多场合被广泛使用，做为新型电源的太阳能电池虽然具有长久性、清洁性和灵活性的优点，但是同时它也有不稳定性的缺点，这就使在昼夜、不同天气等条件下对负载正常供电受到影响，同时在日照不足时蓄电池的储能也存在不能工作问题。因此为了避免工作环境的影响，采用DC/DC转换器在太阳能发电系统中的作用就显得特别重要。

由于太阳能电池的不稳定性，同时也要解决好蓄电池的储能问题，由于单节太阳能电池电压0.4---0.7v之间，假如将20个太阳能电池串联获得电压范围应该在8-14v之间,阳光直射，串联后的太阳能电池将达到14v，可以对12V的锂电池充电，但是阴天或者光照不足的情况下串联后的太阳能电池最高只能达到8v左右，此时不能对12v的锂电池进行充电，因此本发明利用DC-DC技术设计一款升压电路，当光照不足的时候，通过升压电路对其升压可以使太阳能电池继续对锂电池充电。

目前已有很多类型的太阳能充电控制装置，但大部分太阳能充电控制装置存在光线不足时无法使用的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种由太阳能电池阵列，通过DC/DC升压电路和充电控制电路给锂电池进行充电的太阳能充电控制器，解决了光线不足时无法使用的问题，并由外接输出端给不同产品进行电能的有效补充和供电。

太阳能电池智能充电控制装置是由太阳能电池阵列，防反充二极管，磁保持继电器、DC/DC电路、充电控制电路、锂电池组，放电控制电路、电压检测电路、温度传感器、报警电路及显示器等单元组成。

太阳能电池阵列1的输出电压经防反充二极管3输入到DC/DC电路5，充电控制电路7输入端与DC/DC电路5的输出连接，另一端输出到锂电池组8，放电控制电路11输入端与锂电池组8的输出连接，放电控制电路11输出端与直流负载连接。

进一步，电压检测电路2检测太阳能电池阵列1的输出电压，并将信号输入到微处理器12；电压检测电路6检测DC/DC升压电路输出电压，并将信号输入到微处理器12；电压检测电路10检测锂电池组8输出电压，并将信号输入到微处理器12。

进一步，温度传感器9检测锂电池组8的工作温度，并将信号输入到微处理器12。

进一步，微处理器12与显示器13连接，将相关信息予以实时显示，微处理器10与报警电路14连接，将相关报警信号予以声音警示。

进一步，微处理器12输出口控制磁保持继电器4的动作开启与关闭。

本发明的有益效果在于:通过采用DC/DC升压电路解决了由于光线不足时，太阳能电池无法给蓄电池进行充电的问题；采用以MSP430F133微处理器为控制核心的硬软件相结合的控制方式，使得太阳能电池充放电控制性能更加稳定，不仅提高了太阳能电池的工作效率，同时也保护了所使用的蓄电池，在利用绿色能源方面，具有一定的社会效益和广泛的推广价值。

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步详细的阐述。

附图说明

图1:太阳能电池智能充电控制装置系统框图

图2：DC/DC变换器电路原理图

图3：充放电控制器电路原理图

图4：温度传感器检测电路原理图

图5：显示电路电流原理图

图6：磁保持继电器控制原理图

图7：软件流程图

具体实施方式

图1是太阳能电池智能充电控制装置系统框图，太阳能电池智能充电控制装置是由太阳能电池阵列、防反充二极管、磁保持继电器、DC/DC电路、充电控制电路、锂电池组、放电控制电路、电压检测电路、温度传感器、报警电路及显示器等单元电路组成。

太阳能电池阵列中太阳能电池单体是光电转换的最小单元，太阳能电池单体一般不能单独作为电源使用。将多个单体进行串、并联然后在封装就成为太阳能电池组，它们的功率一般从几瓦到几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组再经过串、并联后组装在一起就构成了太阳能电池阵列。太阳能电池阵列是太阳能电池智能充电控制装置的输入，为整个系统提供所需电能。

防反充二极管又叫阻塞二极管，它串联在太阳能电池阵列输出电路和DC/DC电路回路中，它的主要作用是避免太阳能电池阵列输出电压极性与DC/DC电路输入端极性接反时，造成对DC/DC电路的损坏，简单来说就是起到一个单向导通作用。

在阴天或者光照不足的情况下串联后的太阳能电池输出电压降低，此电压值不能对锂电池进行充电，因此需要采用DC/DC升压电路，当光照不足的时候，通过升压电路对其升压可以使太阳能电池继续对蓄电池充电。

锂电池组当有光照在太阳能电池阵列时，通过太阳能电池把光能转化成了电能，释放出来的电能一部分被直接传输给负载，一部分被储存在蓄电池组中，这部分能量可以在太阳能电池不放电的时候随时输送给负载。本发明采用锂电池应用在太阳能电池充电装置中，因为锂电池具有以下优点：能量比较高,具有高储存能量密度，是铅酸电池的约6-7倍；使用寿命长，使用寿命可达到6年以上；额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V)，便于组成电池电源组；具备高功率承受力；自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1％/月以下；重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用；绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。本发明采用4节方型3.7v锂电池(型号523450)。

图2是DC/DC变换器电路原理框图，DC/DC变换器的种类非常多，但是他们的工作原理都大致相同，都是利用控制电路产生根据误差信号进行调制的开关信号区控制功率开关管的导通与截止，在利用电感、电容及二极管的储存能量和释放能量的作用实现稳压。本方面采用的是一种典型的升压式集成开关电源调整器Lm2577，Lm2577是NS公司生产的一种典型的升压式集成开关电源调整器，广泛应用在许多电子产品的电源电路中。它具有外接元器件少、输入直流电源电压范围宽,内部有固定频率52KHZ振荡器、电流反馈型工作方式、有软启动、电流限制、欠压锁定和热关闭保护等功能，可以接成简单升压、隔离和多输出电压的开关电源电路。

Lm2577一共有五个引脚，PIN1是耦合端；PIN2是反馈端；PIN3是地；PIN4是开关输出端；PIN5是电源输入端。

PIN1外接R1/C2是补偿网络，作用是使内部反馈环路称定工作，其值主要取决于调节器的电压增益到最好的补偿效果。补偿电容C2也是软启动电路的一部分，电源接通时。晶体管的开关占空比以一定的速率攀升，C2就控制晶体管的开关占空比在电深刚接通时的攀升速率.如果没有电容C2,则晶体普的开关占空比在电像刚接通时瞬间达到90％，就会从输入端拉入很大电流，为保证电派软启动工作，C2建议大0.22μ。

PIN2外接反馈取样电阻R2和R3，它们的阻值可以确定直流输出端的电压值。

输出电压VOUT＝1.23*(1+R2/R3)

例如当输出直流电压为+12V时，R2的阻值为17.5k，R3为2K。

PIN4和PIN5外接L，L是储能电感,芯片内部晶体管以52KHZ开关工作时，当芯片内部晶体管工作时能量储存在电感中,当芯片内部晶体管截止时,电感L上的能量经二极管泄放并将能量储存在电容C3中。

Lm2577在过流时，内部过流电阻反馈信号关断开关晶体管，实现对电路的保护。当温度过高时，器件内部热敏元件反馈信号关断开关晶体管，实现对电路的过温保护。输入电压过低时，相应的检测电路禁止开关晶体管导通。

在图2中可以看到采用Lm2577升压式集成开关电源调整器，整个电路外接元器件少、输入直流电源电压范围宽,内部有固定频率52KHZ振荡器、电流反馈型工作方式、有软启动、电流限制、欠压锁定和热关闭保护等功能，通过不同演变，可以接成简单升压、隔离和多输出电压的开关电源电路。

图3是充放电控制器电路原理图，充放电控制器主要对锂电池起到保护的作用。影响锂电池使用寿命的主要原因就是充放电次数和放电深度，要想延长锂电池的寿命，就得保证锂电池不能过分的充电也不能过分的放电，而充放电控制器就正好起到这样一个作用，它能够自动阻止锂电池过充电和过放电，所以充放电控制器是太阳能发电系统的重要组成部分。

本发明以MSP430F133微处理器为控制核心的硬软件相结合的控制方式，使用并联在太阳能电池阵列两端的两个电阻Ra和Rb，以分压方式对太阳能电池阵列进行采样，采样后的电压输入到MSP430F133微处理器的P6.0口；使用并联在DC/DC升压电路输出端的两个电阻Rc和Rd，以分压方式对DC/DC升压电路输出电压进行采样，采样后的电压输入到MSP430F133微处理器的P6.1口；使用并联在锂电池组两端的两个电阻Re和Rf，以分压方式对锂电池组两端电压进行采样，采样后的电压输入到MSP430F133微处理器的P6.2口；在锂电池组安装有温度传感器，采集到锂电池组温度信号输入到MSP430F133微处理器的P6.3口。

微处理器运算处理后的信号从P4.1口输出到光耦G1，控制MOSEFT管Q1，控制MOSEFT管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM),根据程序设计的参数来调制MOSEFT管Q1的开关占空比。

当微处理器运算处理后的信号从P4.0口输出信号K1为低电平时，光耦G1内部的发光二极管的电流近似为零，G1内部输出管两管脚之间呈现极大电阻，电流无法通过。当微处理器运算处理后的信号从P4.0口输出信号K1为高电平时，光耦G1内部的发光二极管导通发光，G1内部输出管两管脚之间电阻变小，此时从VCC输入的电压、经电阻R2和光耦G1流向地端，MOSEFT管Q1控制极电压Ug接近为零，当MOSEFT管Q1的Vgs达到一定值时Q1导通。

按程序设计，当检测到锂电池电压低于12V，充电模式为均充，此时Q1处于全导通状态，其输出脉冲占空比为最大；当检测到锂电池电压在12V---14V范围时，充电模式为浮充，此时Q1其输出脉冲占空比变小，当检测到锂电池电压在14.8V---15V范围时，此时Q1关闭处于截至状态，停止对锂电池组进行充电。

微处理器运算处理后的信号从P4.0口输出到磁保持继电器驱动电路，由磁保持继电器驱动电路输出驱动信号给磁保持继电器J1执行开关动作。并联在太阳能电池阵列两端的两个电阻Ra和Rb，以分压方式对太阳能电池阵列进行采样，当光照极差或天黑以后，太阳能电池阵列输出电压如果低于3.5V以后，微处理器P4.0口将发出指令使得磁保持继电器驱动电路输出驱动信号给磁保持继电器J1，令其关断太阳能电池阵列输出到DC/DC升压转换器的通路，DC/DC升压转换器控制芯片Lm2577将停止工作，有效保护了DC/DC升压转换器控制芯片Lm2577的安全。

微处理器运算处理后的信号从P4.1口输出到光耦G2，控制MOSEFT管Q2导通与关闭，当检测到锂电池电压低于10.8V时，MOSEFT管Q2将关闭，切断了锂电池组向直流负载的放电通路，保护锂电池组电压不会深度放电而影响其寿命。

图4是温度传感器检测电路原理图，数字温度传感器DS18820安装在锂电池组中，一个目的是检测锂电池组温度，对锂电池组的充电阈值电压进行温度补偿；另一个目的是当检测到锂电池组温度超过正常工作温度之后，微处理器及时发出指令切断锂电池组的充电和放电通路，并发出报警声音。在图中可以搞到数字温度传感器DS18820输出送往MSP430F133微处理器的P6.3口。

温度传感器采用的是美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。它具有零待机功耗，测温范围为-55℃+125℃，以0.5℃递增，它无需外部器件，使用极其方便，稳定可靠。它有3个管脚GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过上拉电阻R100与微处理器P6.3口相连，VDD为电源，电源范围DC3.0V---5.5V，在图中温度传感器DS1820负责对锂电池组温度进行采集并转换为数字信号直接送微处理器进行处理，无需再进行A/D转换。

MSP430F147

图5是液晶显示器微处理器连接原理框图，本发明采用的是HJ12864M-1图形点阵液晶显示器，显示分辨率为128X64，内置中文字库，总共提供8192个16X16点阵的汉字和128个16X8点阵的字符.它可以提供三种传输模式，分别是8位并行模式、4位井行模式和串行模式。在图中液晶显示屏的数据口DB0-DB7与微处理器的P1.0-P1.7口连接，液晶显示屏的E脚是使能信号脚；R/W脚是读写控制脚；RS是控制脚，当RS＝H时显示数据，当RS＝L时接受控制指令；RET脚是复位脚，在低电平时复位，上述脚分别与微处理器的P3.0—P3.3口相连接。用于显示太阳能电池电压，DC/DC升压电路输出电压，锂电池组充电电压及放电电压和温度。

图6是磁保持继电器控制电路原理图，磁保持继电器作为继电器的一种，也是一种自动开关，对电路起自动接通和切断作用，所不同的是，磁保持继电器的常闭常开作用完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠一定量的脉冲电信号的触发而完成的，因此，具有省电节能、性能稳定、体积小、比一般电磁继电器性能优越。

本发明采用BL8023双向继电器驱动集成电路，用于控制磁保持继电器的工作，它具有输出电流大，静态功耗小的特点。工作电压在5-16V静态功耗电流<1OnA，输入高低转换电平在2V左右，与各种单片机兼容，工作温度适用范围:-40℃一80℃。

输入A.B用电平触发应在输入端加入电阻R10、R11到地，保持低电平。这样需要继电器工作就可以在A端加高电平，反之在B端加高电平，BL8023双向继电器驱动集成电路管脚功能如下：

输入A.接触发脉冲，也可接电平触发。

(2)输入B.接触发脉冲，也可接电平触发。

(3)2脚、6脚是空脚。

(4)输出QA接继电器的线包一端。

(5)输入QB接继电器的线包另一端。

(6)Vdd加继电器工作电压正端。

(7)Vss加继电器工作电压负端。

在图中可以看到微处理器P6.0口接收来自太阳能阵列输出采样信号，微处理器P4.0口输出经驱动电路和二极管D10、D11送入双向继电器驱动集成电路BL8023的3脚(输入A)和7脚(输入B),控制磁保持继电器J1的动作，开启或关闭太阳能阵列输出到DC/DC变换器的电压。

与本发明的硬件电路对应的软件程序包括：主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及显示处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序。图7是锂电池组电压检测控制软件流程图，

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明部分实施案例，而不是全部的实施案例，不能认定本发明的具体实施只局限于这些案例说明，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种太阳能电池智能充电控制装置，其特征在于：太阳能电池智能充电控制装置是由太阳能电池阵列，防反充二极管，磁保持继电器、DC/DC电路、充电控制电路、锂电池组，放电控制电路、电压检测电路、温度传感器、报警电路及显示器等单元组成；太阳能电池阵列（1）的输出电压经防反充二极管（3）输入到DC/DC电路（5），充电控制电路（7）一端与DC/DC电路（5）的输出连接，另一端输出到锂电池组（8），放电控制电路（11）输入端与锂电池组（8）的输出连接，放电控制电路（11）输出端与直流负载连接；电压检测电路（2）检测太阳能电池阵列（1）的输出电压，并将信号输入到微处理器（12）；电压检测电路（6）检测DC/DC升压电路输出电压，并将信号输入到微处理器（12）；电压检测电路（10）检测锂电池组（8）输出电压，并将信号输入到微处理器（12）；温度传感器（9）检测锂电池组（8）的工作温度，并将信号输入到微处理器（12）；微处理器（12）与显示器（13）连接，将相关信息予以实时显示，微处理器（10）与报警电路（14）连接，将相关报警信号予以声音警示；微处理器（12）输出口控制磁保持继电器（4）的动作开启与关闭。

2.根据权利要求1所述太阳能电池智能充电控制装置，其特征在于：以MSP430F133微处理器为控制核心的硬软件相结合的控制方式，使用并联在太阳能电池阵列两端的两个电阻Ra和Rb，以分压方式对太阳能电池阵列进行采样，采样后的电压输入到MSP430F133微处理器的P6.0口；使用并联在DC/DC升压电路输出端的两个电阻Rc和Rd，以分压方式对DC/DC升压电路输出电压进行采样，采样后的电压输入到MSP430F133微处理器的P6.1口；使用并联在锂电池组两端的两个电阻Re和Rf，以分压方式对锂电池组两端电压进行采样，采样后的电压输入到MSP430F133微处理器的P6.2口；在锂电池组安装有温度传感器，采集到锂电池组温度信号输入到MSP430F133微处理器的P6.3口。

3.根据权利要求1所述太阳能电池智能充电控制装置，其特征在于：微处理器运算处理后的信号从P4.1口输出到光耦G1，控制MOSEFT管Q1，控制MOSEFT管导通的方式是脉冲宽度调制（PWM）,根据程序设计的参数来调制MOSEFT管Q1的开关占空比。

4.根据权利要求1所述太阳能电池智能充电控制装置，其特征在于：微处理器运算处理后的信号从微处理器P4.0口输出到磁保持继电器驱动电路，由磁保持继电器驱动电路输出驱动信号给磁保持继电器J1执行开关动作，用以打开或关闭太阳能电池阵列输出到DC/DC升压转换器的通路。

5.根据权利要求1所述太阳能电池智能充电控制装置，其特征在于：微处理器运算处理后的信号从P4.1口输出到光耦G2，控制MOSEFT管Q2导通与关闭，当检测到锂电池电压低于10.8V时，MOSEFT管Q2将关闭，切断了锂电池组向直流负载的放电通路，保护锂电池组电压不会深度放电而影响其寿命。

6.根据权利要求1所述太阳能电池智能充电控制装置，其特征在于：数字温度传感器DS18820安装在锂电池组中其输出送往MSP430F133微处理器的P6.3口。