CN106058970B - 一种太阳能电动车充电控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电动车充电控制器，包括壳体以及安装在壳体内的的线路板，线路板上设有控制电路，该控制电路包括：输入模块电路、输入电压采样电路、输入电流采样电路、升压主电路、MCU主控芯片、MCU外围电路、数模变换电路、脉宽调制器驱动电路、输出电压采样电路和输出模块电路；本发明提供的充电控制器能够自动识别蓄电池组电压等级，自动根据不同的蓄电池组电压等级输出合理的蓄电池充满保护电压，这样有效的简化方便了用户的使用操作，同时可以避免电动车上电池板易受阴影干扰的影响，提高太阳能电池板发电效率，避免能源的浪费；本发明可以使蓄电池有效的充满并且在输出模块电路关闭时可以采集识别蓄电池电压。
Description
技术领域
本发明属于太阳能离网储能蓄能技术领域，特别涉及到一种太阳能电动三轮车和旅游观光车的充电器，具体是一种太阳能电动车充电控制器。
背景技术
随着太阳能充电技术不断的发展，太阳能电动车已经逐步被人们广泛应用用。太阳能电动车是在原有电动车的基础上，将电动车的顶棚改成太阳能电池板，通过太阳能电动车充电器给蓄电池充电。太阳能电动车充电器作为核心的部件起到关键的作用。
现有产品出现的问题：
(1)很多太阳能电动车控制器都是将多块电池板串联起来，形成高的开路电压给蓄电池充电，但是由于电动车正常使用的时候是运动着，串联的电池板部分面积很容易受到阴影干扰，由于电池板是串联结构，一块电池板的干扰将会影响整个太阳能板的发电效率，能源的浪费。
(2)现有的太阳能电动车充电器将太阳能板串联很高的电压后直接采用串联MOS的电路结构给蓄电池充电，这样给蓄电池充电的时候，太阳能板的电压会被蓄电池的电压拉到相等，从而太阳能板就偏离了最大功率点工作，浪费了太阳能板的能量。
(3)现在电动车蓄电池的种类很多，大致分为36V,48V,60V,72V。由于每种蓄电池充满电压参数是不一样的，这样使用起来就必须要每个太阳能电动车充电器只能对应其中一种电压等级铅酸蓄电池充电，如果使用拨码开关或者按键调整极为不方便，而且不利于防水。
(4)太阳能电动车是户外使用，对工作环境要求非常高。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种具有防潮湿的外壳，具有MPPT升压，且能够自动识别输出端蓄电池组电压的功能的太阳能电动车充电控制器，充电器内部电源取自太阳能板，这样又降低了蓄电池自损耗的太阳能充电器。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种太阳能电动车充电控制器，包括壳体以及安装在壳体内的的线路板，线路板上设有控制电路，该控制电路包括：输入模块电路、输入电压采样电路、输入电流采样电路、升压主电路、MCU主控芯片、MCU外围电路、数模变换电路、脉宽调制器驱动电路、输出电压采样电路和输出模块电路；
所述输入模块电路接入太阳能电池板，然后依次连接升压主电路和输出模块电路，输出模块电路接入到外部蓄电池；
所述的输入模块电路与升压主电路之间的节点分别通过输入电压采样电路、输入电流采样电路接入到MCU主控芯片，MCU主控芯片通过依次连接的数模变换电路与脉宽调制器驱动电路接入升压主电路；
所述输出模块电路与蓄电池之间的节点通过输出电压采样电路接入MCU主控芯片，MCU主控芯片连接有MCU外围电路包括驱动电源电路。
所述太阳能电池板经过输入模块电路滤波后，得到一个平稳的直流电压，然后输入电压采样电路和输入电流采样电路分别采集太阳能电池板的电压和充电电流，输送给MCU主控芯片，实现MPPT算法。
所述MCU主控芯片输出数字信号经过数模变换电路，得到的模拟信号通过脉宽调制器驱动电路信号芯片的死区控制，通过其PWM驱动电路提高驱动电流后，直接驱动升压主电路中的MOSFET。
所述升压主电路采用boost升压，升压后的电压经过输出模块电路，得到蓄电池合适的充电电压；同时输出电压采样电路反馈的电压直接传输到MCU主控芯片，控制合适的蓄电池充电电压。
所述输入模块电路包括并联的TVS二极管D3、电容C10、电容C11和电容C12，太阳能电池板经过电容C10、电容C11的稳压，电容C12的高频滤波得到直流稳压的电源。
所述输入电压采样电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15和电容C15，太阳能电池板的电压经过电阻R13和电阻R14分压，通过电阻R15和电容C15的滤波，输入给MCU主控芯片的AD采样口。
所述输入电流采样电路包括分流电阻R16、电阻R17、电容C16和U2A放大器，太阳能电池板的负极端有分流电阻R16，这个电阻式电流取样电阻，经过电阻R17，电容C16滤波后，通过U2A放大器放大后，经过电阻R44，电容C19滤波后直接送给MCU主控芯片的AD采样口。
所述MCU主控芯片的微处理器选用ATMEGA8；
所述脉宽调制器驱动电路的脉宽调制器选用TL494IPK，TL494IPK输出的脉宽通过Q14，D10，R82来驱动升压主电路的MOSFET，得到高频升压。
所述输出模块电路，利用两个N型的MOSFET Q4和Q5漏极串联在一起，其中Q4和Q5的栅极连接在一起，三极管Q3，Q11，电阻R11，R12组成推拉互补驱动电路，+15V作为驱动电源来驱动Q4，Q5。MCU控制IO口2信号通过电阻R57驱动三极管Q9关断控制推拉互补驱动电路，以便于控制Q4，Q5的导通和截止。
所述输出采样电路，包括OP3，OP4光耦和U5的放大器，蓄电池正极通过电阻R19和R20到蓄电池负极，使光耦OP3工作在放大区，通过光耦OP3的隔离传输，R83相应的两端产生电压，再通过U5A放大器和OP4光耦的电流放大，在R84两端电阻上产生电压，再通过U5B运算放大器的保持电路，R88和C43的滤波输送给MCU采集AD3口。
所述MCU外围电路，MCU外围电路包括电源电路和MCU复位电路，电源电路包含二极管D7，三极管Q12，Q10，稳压器U4，电容C31组成的，主要功能是生成稳定的驱动电源+15V和MCU供电5V。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的充电控制器利用太阳能电池板组件并联然后再升压，这样能够避免电动车上电池板因某一块受阴影干扰的影响，而影响了整体的充电效率，提高了太阳能电池板发电利用率，避免能源的浪费；
2)本发明通过升压主电路，MCU采集输入端太阳能板的的电压和电流，实现MPPT扰动算法，最大效率的利用了太阳能板的发电，输出模块电路输入合适的充电电压到蓄电池，同时输出电压采样电路反馈的电压直接传输到MCU主控芯片，控制合适的蓄电池充电电压，这样的充电方式，可以使蓄电池有效的充满；
3)本发明能够在上电初期，MCU检测输出端蓄电池组的电压，通过软件判断蓄电池的电压等级，合理的控制升压主电路输出合适的电压给蓄电池充电，避免了重复设置蓄电池保护电压；
4)本发明充电控制器能够满足现有大部分电动车蓄电池的充电需求；能够满足太阳能电动车的户外使用，满足对工作环境的高要求。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种太阳能电动车充电控制器控制电路示意图；
图2为本发明一种太阳能电动车充电控制器结构示意图；
图3为本发明一种太阳能电动车充电控制器输入模块电路示意图；
图4为本发明一种太阳能电动车充电控制器输入电压采样电路示意图；
图5为本发明一种太阳能电动车充电控制器输入电流采样电路示意图；
图6为本发明一种太阳能电动车充电控制器升压主电路示意图；
图7为本发明一种太阳能电动车充电控制器MCU外围电路示意图；
图8为本发明一种太阳能电动车充电控制器数模变换电路示意图；
图9为本发明一种太阳能电动车充电控制器脉宽调制器驱动电路示意图；
图10为本发明一种太阳能电动车充电控制器输出模块电路示意图；
图11为本发明一种太阳能电动车充电控制器输出电压采样电路意图。
具体实施方式
一种太阳能电动车充电控制器，如图2所示，包括壳体100以及安装在壳体内的的线路板101，线路板101上设有控制电路，该控制电路包括：输入模块电路2、输入电压采样电路3、输入电流采样电路4、升压主电路11、MCU主控芯片7、MCU外围电路6、数模变换电路5、脉宽调制器驱动电路8、输出电压采样电路9和输出模块电路12。
参见图1，外部太阳能电池板1通过依次连接的输入模块电路2、升压主电路11和输出模块电路12接入到外部蓄电池10；
输入模块电路2与升压主电路11之间的节点分别通过输入电压采样电路3、输入电流采样电路4接入到MCU主控芯片7，MCU主控芯片7通过依次连接的数模变换电路5与脉宽调制器驱动电路8接入升压主电路11；
输出模块电路12与蓄电池10之间的节点通过输出电压采样电路9接入MCU主控芯片7，MCU主控芯片7连接有MCU外围电路6；
上述控制电路各个部分之间的联系为：太阳能电池板1经过输入模块电路2滤波后，得到一个平稳的直流电压，然后输入电压采样电路3和输入电流采样电路4分别采集太阳能电池板1的电压和充电电流，通过运算放大器跟随电路，送给MCU主控芯片7，MCU主控芯片7相乘计算出当前的太阳能电池板1的发电功率，再和上一次计算出的太阳能电池板1发电功率进行比较，实现MPPT算法，具体算法采用扰动法实现；
然后MCU主控芯片7根据功率大小的比较结果，输出数字信号经过数模变换电路5，得到的模拟信号通过脉宽调制器驱动电路8信号芯片的死区控制，脉宽调制器驱动电路8发出的PWM信号，通过其PWM驱动电路提高驱动电流后，直接驱动升压主电路11中的MOSFET；
升压主电路11是采用改进式boost升压，这种升压方式效率高，升压后的电压经过输出模块电路12，得到蓄电池合适的充电电压，同时输出电压采样电路9反馈的电压直接传输到MCU主控芯片7进行计算，控制合适的蓄电池10充电电压。
输入模块电路2：参见图3，包括并联的TVS二极管D3、电容C10、电容C11和电容C12，太阳能电池板的正极经过C10、C11的稳压，C12的高频滤波得到直流稳压的电源；
输入电压采样电路3包括电阻R13、电阻R14、电阻R15和电容C15：参见图4，太阳能电池板的电压经过电阻R13和电阻R14分压，通过电阻R15和电容C15的滤波，输入给MCU主控芯片的AD采样口1；
输入电流采样电路4：参见图5，太阳能电池板的负极端有分流电阻R16，这个电阻式电流取样电阻，经过电阻R17，电容C16滤波后，通过U2A放大器放大后，经过电阻R44，电容C19滤波后直接送给MCU主控芯片的AD采样口2；
以上采集电路，采集的太阳能板的电压和电流给MCU主控芯片，以实现MPPT最大功率点跟踪；
升压主电路11：参见图6，太阳能电池板经过输入模块电路后就进入升压主电路部分，这种升压主电路比常规的升压主电路在升压比比较高的条件下，占空比变化不是太大，有利于减小高频开关管Q2的损耗，同时增加电阻R10，电容C13缓冲电路吸收Q2的尖峰电压，保障了充电器的稳定性；
MCU主控芯片7的微处理器选用ATMEGA8；
MCU外围电路6，如图7所示，外围电路包括+15V电源电路和+5V的产生和MCU的供电，+15V电路由二极管D7，15V稳压管D9，电阻R66，三极管Q12产生的，进过C29和C30的滤波，稳定的给后面的芯片供电。+5V是由U4TL431和Q10三极管,基准分压电阻R68和R69产生的，电容C31和C32起到滤波作用，以维持MCU稳定的工作，MCU采用内部RC振荡器工作。
数模变换电路5，如图8所示，MCU主控芯片通过MPPT最大功率点的算法，计算出脉宽变化量，通过S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7数字IO口通过AD数模变换电路装换成模拟信号给脉宽调制器的死区，来控制脉宽的变化；
脉宽调制器驱动电路8，如图9所示，脉宽调制器选用TL494IPK，TL494输出的脉宽G1通过D10，R82，Q14缓冲电路驱动升压主电路的MOSFET，进过二极管D4对电容C14不断的充电，在C14两端产生高电压。
输出模块电路12，如图10所示，输出模块电路是和升压主电路的输出端是连在一起的，输出模块电路的正极是和蓄电池的正极连在一起的，输出模块电路的负极采用两个N型的MOS的漏极连在一起，Q4的源极接升压输出电路负极，Q5的源极接蓄电池的负极，在上电初期，MCU检测输出端蓄电池的电压未结束时，Q4和Q5是关闭的，升压主电路也是停止工作的，由于是升压主电路结构，所以检测到的输出端蓄电池的电压条件是：蓄电池电压要大于太阳能板的电压，否则MCU不执行升压充电程序。一但MCU检测到输出端蓄电组的电压后，且连续判断输出蓄电池电压是一个稳定的电压，MCU控制升压主电路升压，并启动MPPT算法跟踪太阳能板的最大功率，同时再根据输出电压采样电路反馈的输出电压信号，调整蓄电池的充电压，如果蓄电池两端的电压达到充满电压，Q4和Q5将立即关断保护蓄电池，蓄电池电压低于充满恢复值时，Q4和Q5将恢复打开。本述的Q4和Q5的串联结构，在上电初期，还可以起到蓄电池接反保护的作用。MOSFET Q4的驱动电路是利用三极管Q3和Q11的推拉互补作用，输出驱动电压通过R12栅极下流电阻驱动Q4。而三极管Q3和Q11的基极是连在一起的，并且通过R11电阻上拉到+15V,三极管Q9的集电极连接到Q3和Q11的基极，三极管Q9的基极是MCU控制IO通过电阻R57连在一起的。所以MCU控制IO口信号改变时，Q4的栅极信号也在变化。这样就构成了Q4的驱动电路。
输出电压采样电路9，如图11所示，电阻R19和R20分别连接在蓄电池的正极和负极上，如果前面描述的输出模块电路12中的Q4和Q5是关闭的，且蓄电池没有连接，此时光耦OP3是不工作的，输出电压采样电路反馈的是0信号。蓄电池接上后，R19和R20分别有小电流流过，光耦OP3开始工作，电阻R83两端产生电压，此时电压信号经过U5A放大器放大输出后，直接通过电阻R84使光耦OP4开始工作，同时R86两端也产生电压并且通过R85反馈到U5A放大器的反相端，以维持运算放大器的负反馈平衡。这样就在R84两端产生蓄电池的隔离分压，分压比为：R84/(R19+R20)。通过光耦隔离得到的电压再经过R87,U5B运放放大器的1:1保持，R88和C43的高频滤波后，进入MCU采集AD3口，这样就可以高精度的采集输出端不共地时的电压信号，也就是蓄电池组两端的电压。本所述的OP3和OP4光耦的选择，最好传输特性完全一致，尽量选择同一种型号。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种太阳能电动车充电控制器，包括壳体(100)以及安装在壳体内的线路板(101)，线路板(101)上设有控制电路，其特征在于，该控制电路包括：输入模块电路(2)、输入电压采样电路(3)、输入电流采样电路(4)、升压主电路(11)、MCU主控芯片(7)、MCU外围电路(6)、数模变换电路(5)、脉宽调制器驱动电路(8)、输出电压采样电路(9)和输出模块电路(12)；
所述输入模块电路(2)接入太阳能电池板(1)，然后依次连接升压主电路(11)和输出模块电路(12)，输出模块电路(12)接入到外部蓄电池(10)；
所述的输入模块电路(2)与升压主电路(11)之间的节点分别通过输入电压采样电路(3)、输入电流采样电路(4)接入到MCU主控芯片(7)，MCU主控芯片(7)通过依次连接的数模变换电路(5)与脉宽调制器驱动电路(8)接入升压主电路(11)；
所述输出模块电路(12)与蓄电池(10)之间的节点通过输出电压采样电路(9)接入MCU主控芯片(7)，MCU主控芯片(7)连接有MCU外围电路(6)；
所述输出电压采样电路(9)包括OP3光耦、OP4光耦和U5A放大器，蓄电池正极通过电阻R19、二极管D5、电阻R20连接到蓄电池负极，使OP3光耦工作在放大区，通过OP3光耦的隔离传输，电阻R83相应的两端产生电压，再通过U5A放大器和OP4光耦的电流放大，在电阻R84两端产生电压，再通过U5B运算放大器构成的保持电路，电阻R88和电容C43的滤波输送给MCU主控芯片采集AD3口；所述MCU外围电路(6)包括电源电路和MCU复位电路，电源电路包含二极管D7、三极管Q12、Q10、稳压器U4、电容C31；OP3光耦的发射脚与U5A放大器的正相输入端连接，U5A放大器的输出端与OP4光耦的阳极脚连接，电阻R83连接至OP3光耦的发射脚与U5A放大器的正相输入端之间节点，OP4光耦的阴极脚分别连接电阻R84、U5B运算放大器的正相输入端，U5B运算放大器的输出端再依次连接电阻R88、MCU主控芯片，电容C43连接至电阻R88与MCU主控芯片之间节点；二极管D7阴极连接至三极管Q12的集电极，三极管Q12的发射极连接至三极管Q10的集电极，三极管Q10的发射极连接至电容C31，三极管Q10的基极连接至稳压器U4的阴极，稳压器U4的阳极与电容C31的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述太阳能电池板(1)经过输入模块电路(2)滤波后，得到一个平稳的直流电压，然后输入电压采样电路(3)和输入电流采样电路(4)分别采集太阳能电池板(1)的电压和充电电流，输送给MCU主控芯片(7)。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述MCU主控芯片(7)输出数字信号经过数模变换电路(5)，得到的模拟信号通过脉宽调制器驱动电路(8)信号芯片的死区控制，通过其PWM驱动电路提高驱动电流后，直接驱动升压主电路(11)中的升压MOSFET。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述升压主电路(11)采用改进式boost升压，升压后的电压经过输出模块电路(12)，得到蓄电池(10)合适的充电电压；同时输出电压采样电路(9)反馈的电压直接传输到MCU主控芯片(7)，控制合适的蓄电池(10)充电电压。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述输入模块电路(2)包括并联的TVS二极管D3、电容C10、电容C11和电容C12，太阳能电池板产生的电压经过电容C10、电容C11的稳压，电容C12的高频滤波得到直流稳压的电源。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述输入电压采样电路(3)包括电阻R13、电阻R14、电阻R15和电容C15，太阳能电池板的电压经过电阻R13和电阻R14分压，通过电阻R15和电容C15的滤波，输入给MCU主控芯片的AD采样口。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述输入电流采样电路(4)包括分流电阻R16、电阻R17、电容C16和U2A放大器，太阳能电池板的负极依次连接分流电阻R16、电阻R17、U2A放大器的正相输入端，U2A放大器的输出端依次连接电阻R44与MCU主控芯片，电容C16连接至电阻R17与U2A放大器的正相输入端之间节点，电容C19连接至电阻R44与MCU主控芯片之间节点；太阳能电池板的负极端有分流电阻R16产生电压，经过电阻R17、电容C16滤波后，通过U2A放大器放大后，经过电阻R44，电容C19滤波后直接送给MCU主控芯片的AD采样口。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述脉宽调制器驱动电路(8)的脉宽调制器选用TL494CN，TL494CN输出端9、10脚连接至三极管Q14基极与二极管D10阳极之间节点，二极管D10阴极与电阻R82串联后再与三极管Q14发射极连接；TL494CN输出的脉宽通过三极管Q14、二极管D10、电阻R82来驱动升压主电路的MOSFET，得到高频升压。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能电动车充电控制器，其特征在于，所述输出模块电路(12)采用两个N型的MOSFET Q4和Q5漏极串联在一起，其中MOSFET Q4与Q5的栅极连接在一起，三极管Q3，Q11，电阻R11，R12组成推拉互补驱动电路，+15V作为驱动电源来驱动MOSFET Q4；MOSFET Q4的驱动电路是利用三极管Q3和Q11的推拉互补作用，输出驱动电压通过电阻R12驱动MOSFET Q4，而三极管Q3和Q11的基极是连在一起的，并且通过电阻R11上拉到+15V。
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