CN105871032B - 恒压限流脉冲充电控制系统及其充电方法 - Google Patents

恒压限流脉冲充电控制系统及其充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒压限流脉冲充电控制系统及其充电方法。该控制系统包括充电控制器、电源输入模块、电源输出模块和充电模块，其中，充电控制器通过电源输入模块与光伏电池板连接，充电控制器通过电源输出模块与蓄电池连接；充电模块包括恒压充电电路和脉冲充电电路，分别与充电控制器连接；充电控制器通过充电模块对蓄电池进行充电。本发明将恒压充电和脉冲充电结合的充电方法，能够实现与马斯定律中涉及的蓄电池最大可接受电流曲线逼近，使得在相同的时间内使用更大的电流进行充电，有效地降低在充电过程中极板的极化作用，更好地保护蓄电池。

Description

恒压限流脉冲充电控制系统及其充电方法
技术领域
本发明涉及一种恒压限流脉冲充电的方法，利用充电控制器对光伏系统中直流电源进行储能，属于蓄电池充电技术领域。
背景技术
利用太阳能的核心问题就是解决储能问题。现有的太阳能充电控制器的充电方法均是采用较为单一的恒压充电或者恒流充电，稍微理想一点的是多段式充电。但是根据马斯定律，在蓄电池的充电过程中，蓄电池的可接受电流的大小会随着充电过程的深入而逐渐减小，故常规的充电控制器会使得蓄电池由于板间极化作用导致可接受电流变小,造成充电速度过慢。
发明内容
针对现有技术中存在的这一缺陷，本发明的目的是设计一种恒压限流脉冲充电控制系统，能够实现与马斯定律中涉及的蓄电池最大可接受电流曲线逼近，使得在相同的时间内使用更大的电流进行充电。本发明的另外一个目的是提供该充电控制系统的充电方法，该方法可以更好的保护蓄电池和延长蓄电池的寿命。
为了达到上述所提及的目的，本发明采用以下的技术方案：
恒压限流脉冲充电控制系统，包括充电控制器、电源输入模块、电源输出模块和充电模块，所述充电控制器通过电源输入模块与光伏电池板连接，所述充电控制器通过电源输出模块与蓄电池连接；所述充电模块包括恒压充电电路和脉冲充电电路，分别与充电控制器连接；所述充电控制器通过充电模块对蓄电池进行充电。
进一步地，所述充电控制器还与检测模块相连，检测模块包括电量检测模块、电压检测模块和温度检测模块。
所述温度检测模块直接安装在蓄电池的外壳上。
进一步地，所述充电控制器还与显示模块、时钟模块和按键模块相连。
所述充电控制器具有三种充电模式：定时充电、低电量充电和充电至满，并通过按键模块进行模式的选择。
所述恒压充电电路和脉冲充电电路中均包括MOS管电路及其驱动电路。
本发明上述恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，包括如下步骤：
(1)充电控制器首先对各端口进行复位，然后检测各个模块与控制器的连接状态；
(2)通过按键模块选择充电模式，充电控制器检测按键模块的输入并执行相应的充电模式；
(3)充电控制器通过采集电路实时采集蓄电池的电压U1和温度数据，并进行存储，同时对已经存储的电压数据进行判断，确定蓄电池的电量是否已满，若是已满则继续采集蓄电池的电压和温度数据；
(4)若是判断蓄电池的电量未满，则对光伏电池板的电压U2进行采集和存储，同时进行误差处理，将处理后的电压数据U2与预设定的恒压充电幅值U3进行比较，若是U2≥U3，则表明目前是属于白天并且光照条件较为理想，此时可以进行蓄电池的充电；
具体充电过程为：首先利用充电控制器计算恒压充电的PWM波形占空比D1：
D1＝U3/U2
再利用充电控制器产生一个固定占空比D2的PWM波形，当产生占空比为D1和D2两个PWM波之后就可以为蓄电池充电；其中，充电控制器通过对占空比D1进行控制，实现恒压幅值可调，同时通过占空比D2实现脉冲充电的占空比可调。
所述步骤(2)中，若充电模式是定时充电模式，则充电控制器检测用户输入的时间数据，然后与现有时间进行比较，若是时间到了则开始进行充电，若时间未到则继续等待；若充电模式是低电量充电模式，则检测蓄电池电量，判断蓄电池是否处于低电量，若是低电量则开始充电，若不是低电量则继续进行等待；若充电模式是充电至满模式，则直接进行充电。
所述步骤(4)中，充电控制器对蓄电池进行充电的同时，对蓄电池的充电温度进行监测，若蓄电池的温度未达到温度预警值，则继续充电，若是温度达到预警值，则通过减小PWM波的占空比D1，来减小恒压充电的电压幅值，从而减小充电电流；若是温度达到了警戒值，则直接将PWM波的占空比D1和D2清零，从而断开充电回路，等待一段时间后，继续执行步骤(3)。
优选地，所述步骤(4)中，预设定的恒压充电幅值U3的初始值为14.4V，占空比D2的初始值为80％。
本发明将恒压充电和脉冲充电结合的充电方法，能够实现与马斯定律中涉及的蓄电池最大可接受电流曲线逼近，使得在相同的时间内使用更大的电流进行充电，有效地降低在充电过程中极板的极化作用，更好地保护蓄电池。和现有的方案进行比较，其提升的充电效果在于：
(1)本发明使用了脉冲充电法，即在充电过程中通过间歇性的充电使得蓄电池的可接受电流变大，在相同的时间内，能使蓄电池充入更多的电量。
(2)本发明还使用了恒压充电的方式，该方式可以使用与蓄电池可接受电流较为接近的电流进行充电，使得充电电流较之恒流充电的数值要大。
(3)通过在充电过程中对蓄电池的温度进行监测，当温度达到限定值启动保护动作，以防电流过大造成蓄电池的温度升高过快，进而影响蓄电池的使用寿命，确保蓄电池的安全充电。
(4)本发明的充电控制系统实现了工作效率高，充电速度快，运行稳定，蓄电池温度和电量的实时显示功能，能应用在大多数蓄电池储能系统中。
附图说明
图1本发明的控制系统总体结构框图；
图2基于AVR单片机的恒压限流脉冲充电控制系统的系统结构图；
图3系统运行流程图；
图4恒压限流脉冲充电硬件电路图；
图5温度传感器与单片机的连接图；
图6LCD液晶显示器与单片机的连接图；
图7恒压脉冲充电和恒流脉冲充电曲线对比图。
具体实施方式
本实施例的一种恒压限流脉冲充电控制系统，主要包括AVR128单片机、恒压脉冲充电电路、蓄电池温度检测电路、电压检测电路、按键电路、时钟电路和LCD显示电路。AVR128单片机的主要作用是承担本发明中的充电控制器的角色，主要作用是检测蓄电池电压，蓄电池温度，充电电流，电源电压数据，接受按键电路的按键输入，同时控制充电过程中的电压幅值和脉冲占空比。恒压限流脉冲充电部分主要有两个MOS管和两个MOS管驱动电路组成，其中一组MOS管和其驱动电路的功能是调节恒压限流脉冲充电的电压幅值，而另一组的功能是实现充电的脉冲占空比。蓄电池温度检测电路是利用温度传感器测量蓄电池的温度数据，并通过单片机进行数据的采集和比较，若是超过预设定的温度值则开始启动相应保护操作。LCD显示电路主要实现蓄电池状态的实时监测与显示，通过单片机采集蓄电池电量和温度数据，将数据在LCD液晶显示屏上进行实时显示，同时LCD液晶显示屏上还可以显示当前的时间和充电模式。
其中，充电控制器是整个恒压限流脉冲充电控制系统的核心，充电控制器通过对充电过程中的电路参数进行收集，从而对电路状态进行诊断并且做出相应的操作。用户通过按键电路向充电控制器发送充电模式的数据。本实施例有定时充电、低电量充电、充电至满三种充电模式可供用户选择。在用户设置完充电方式之后，充电控制器开始对充电模块进行精确控制，安全快速的完成充电过程。
电压检测电路设有两个，分别是对电源部分电压进行检测和蓄电池部分进行电压检测。在系统运行时，控制器分别对电源和蓄电池这两部分的电压数据进行采集和存储。温度检测电路检测的是蓄电池部分的温度，在系统运行时，对蓄电池的温度进行采集和存储。通过对蓄电池的温度进行检测和判断确定是否要进行限流或者停充。
如图3所示，为本实施例整个系统的运行流程图，具体实施过程如下：
(1)首先对整个系统进行初始化，先对各端口进行复位，然后检测电源模块是否已经连接完好，若是未连接在显示屏上对用户进行提示；再检测蓄电池模块是否已经连接完好，若是未连接在显示屏上对用户进行提示。
(2)检测按键模块的输入，判断是否是定时充电，若是定时充电模式，则检测用户输入的时间数据，然后系统与现有时间进行比较，若是时间到了则开始进行充电，若时间未到则继续等待。在充电开始之后显示屏上将显示的是充电电流、电源模块电压，蓄电池电压和温度。
(3)检测蓄电池电量，判断是否是低电量充电模式，若是低电量充电模式，则判断蓄电池是否低电量，若是低电量则开始充电，若不是低电量则继续进行等待。若判断不是低电量充电模式，则直接进行充电。
(4)单片机通过硬件电路采集蓄电池的电压U1，通过AD转换存储到单片机的内部，同时读取温度传感器的温度数据，并且进行存储，多次进行采集，并且对数据进行误差处理。
(5)将进行过误差处理过的电压数据和温度数据通过AVR单片机显示到LCD液晶显示屏上。同时对已经存储的电压数据进行判断，确定蓄电池的电量是否已满。若是已满则继续采集电池电压数据和温度数据，同时进行显示。
(6)对蓄电池的电压U1进行判断，若U1≤14.4V则表明蓄电池的电量未满，则对光伏电池板的电压U2进行采集和存储，同时进行误差处理，将处理的电压数据U2与预设定的恒压充电幅值U3进行比较，若是U2≥U3则表明目前是属于白天并且光照条件较为理想，此时可以进行蓄电池的充电。
(7)利用单片机计算恒压充电的PWM波形占空比D1：
D1＝U3/U2
其中，U2是光伏电池板发电的电压值，U3是预设定的恒压充电幅值，其初始值为14.4V。再利用单片机产生一个固定占空比D2的PWM波形，D2的初始值为80％。当产生这两个PWM之后就可以输出到硬件电路对应的位置，即开始充电，同时对蓄电池的充电温度进行监测，若蓄电池未达到温度预警值，则继续充电，同时对蓄电池的温度进行检测。若是温度达到预警值，则通过减小PWM波的占空比D1，来减小恒压充电的电压幅值，从而减小充电电流。若是温度达到了警戒值，则直接将PWM波的占空比D1，D2清零，从而断开充电回路，等待十分钟后，执行步骤(4)。
如图4所示，为该充电控制器的硬件电路，MOS管Q1、电感L1和电容C5组成了恒压充电电路，恒压充电电路的的作用是对输入电压进行稳压，同时通过改变PD4口的PWM波形占空比实现对输出电压幅值的控制。MOS管Q3、三极管Q4组成了脉冲充电电路，当PD5口为高电平时，脉冲产生高电平，反之，PD5为低电平时，脉冲产生低电平。从而实现脉冲充电。
如图5所示，为蓄电池的温度传感器与单片机的连接示意图，本实施例的充电控制系统中采用的是DS18B20温度传感器。将该温度传感器直接接触蓄电池的外壳，从而实现对蓄电池的温度检测。
如图6所示，为LCD液晶显示器与AVR单片机的连接示意图，AVR单片机通过LCD液晶显示器来显示蓄电池的电压和温度数据。
如图7所示，为恒压脉冲充电和恒流脉冲充电的充电电流曲线图比较，由此可以看出本发明的恒压脉冲充电的充电电流更大，充电速度更快。

Claims (8)

1.恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，控制系统包括充电控制器、电源输入模块、电源输出模块和充电模块，其特征在于，所述充电控制器通过电源输入模块与光伏电池板连接，所述充电控制器通过电源输出模块与蓄电池连接；所述充电模块包括恒压充电电路和脉冲充电电路，分别与充电控制器连接；所述充电控制器通过充电模块对蓄电池进行充电；所述充电方法包括如下步骤：
(1)充电控制器首先对各端口进行复位，然后检测各个模块与控制器的连接状态；
(2)通过按键模块选择充电模式，充电控制器检测按键模块的输入并执行相应的充电模式；
(3)充电控制器通过采集电路实时采集蓄电池的电压U1和温度数据，并进行存储，同时对已经存储的电压数据进行判断，确定蓄电池的电量是否已满，若是已满则继续采集蓄电池的电压和温度数据；
(4)若是判断蓄电池的电量未满，则对光伏电池板的电压U2进行采集和存储，同时进行误差处理，将处理后的电压数据U2与预设定的恒压充电幅值U3进行比较，若是U2≥U3，则表明目前是属于白天并且光照条件较为理想，此时可以进行蓄电池的充电；
具体充电过程为：首先利用充电控制器计算恒压充电的PWM波形占空比D1：
D1＝U3/U2
再利用充电控制器产生一个固定占空比D2的PWM波形，当产生占空比为D1和D2两个PWM波之后就可以为蓄电池充电；其中，充电控制器通过对占空比D1进行控制，实现恒压幅值可调，同时通过占空比D2实现脉冲充电的占空比可调。
2.根据权利要求1所述的恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，其特征在于，所述充电控制器还与检测模块相连，检测模块包括电量检测模块、电压检测模块和温度检测模块。
3.根据权利要求2所述的恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，其特征在于，所述温度检测模块直接安装在蓄电池的外壳上。
4.根据权利要求1所述的恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，其特征在于，所述充电控制器还与显示模块、时钟模块和按键模块相连。
5.根据权利要求1所述的恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，其特征在于，所述恒压充电电路和脉冲充电电路中均包括MOS管电路及其驱动电路。
6.根据权利要求1所述的恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，其特征在于，所述步骤(2)中，若充电模式是定时充电模式，则充电控制器检测用户输入的时间数据，然后与现有时间进行比较，若是时间到了则开始进行充电，若时间未到则继续等待；若充电模式是低电量充电模式，则检测蓄电池电量，判断蓄电池是否处于低电量，若是低电量则开始充电，若不是低电量则继续进行等待；若充电模式是充电至满模式，则直接进行充电。
7.根据权利要求1所述的恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，其特征在于，所述步骤(4)中，充电控制器对蓄电池进行充电的同时，对蓄电池的充电温度进行监测，若蓄电池的温度未达到温度预警值，则继续充电，若是温度达到预警值，则通过减小PWM波的占空比D1，来减小恒压充电的电压幅值，从而减小充电电流；若是温度达到了警戒值，则直接将PWM波的占空比D1和D2清零，从而断开充电回路，等待一段时间后，继续执行步骤(3)。
8.根据权利要求1所述的恒压限流脉冲充电控制系统的充电方法，其特征在于，所述步骤(4)中，预设定的恒压充电幅值U3的初始值为14.4V，占空比D2的初始值为80％。
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