CN106451733A - 一种超容太阳能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超容太阳能控制器，包括太阳能电池板、输入防反接电路、同步整流BUCK降压电路、输出防反接防电流倒灌电路、蓄能模组、半桥驱动电路、MCU电路、BOOST升压驱动电路和LED模组，其中所述太阳能电池板的输出端与所述输入防反接电路连接，所述输入防反接电路与所述同步整流BUCK降压电路连接，所述同步整流BUCK降压电路分别与所述输出防反接防电流倒灌电路和所述半桥驱动电路连接，所述输出防反接防电流倒灌电路与所述蓄能模组连接；所述半桥驱动电路与所述MCU电路连接，所述MCU电路与所述BOOST升压驱动电路连接，所述BOOST升压驱动电路与所述LED模组连接。本发明可以有效降低器件的损耗，提升充电效率。

Description

一种超容太阳能控制器

技术领域

本发明涉及物联网、光伏照明技术领域，具体地是涉及一种超容太阳能控制器。

背景技术

随着社会的发展，可再生能源的应用越来越受青睐。其中太阳能作为一种清洁、安全、绿色的可再生能源，被认为是世界上最有发展前景的新能源技术之一。传统的路灯采用高压市电供电，必须铺设大量的电缆，并挖掘大量的电缆沟。这势必增加整个系统的安装成本与维护成本。而太阳能路灯不用铺设复杂的线路，只需要一个安装基座即可，节省了安装成本，并且太阳能路灯以免费的太阳能作为能源，绿色环保，无需支付电费。因此太阳能路灯在城市道路、工业园区、绿化带、广场等场所的照明中将带来明显的可利用优势。

由于太阳能光伏(Photovoltaic，简称PV)面板转换效率较低，一般为18％左右。因为太阳能是一种宝贵的资源，为了充分利用太阳能，需要使用一种高转换效率的太阳能控制器来对太阳能进行跟踪，以最大限度地将太阳能转换为电能。利用控制方法实现光伏面板的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术。目前使用的太阳能路灯控制器大多采用串联式PWM脉宽调制方式，对太阳能的利用率为60％左右，大大浪费了宝贵的太阳能。而采用MPPT技术能够显著提高太阳能的利用率，因此采用MPPT技术实现的太阳能路灯控制器具有广泛的市场前景。

由于太阳能转换成电能的成本是比较昂贵的，1W光伏面板的成本为12元左右，因此PV面板转换出来的电能是宝贵的。采用传统方式对其利用率不高，浪费了大量的能量。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

本发明旨在提供一种超容太阳能控制器，其可以降低器件损耗，提升充电效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种超容太阳能控制器，包括：太阳能电池板、输入防反接电路、同步整流BUCK降压电路、输出防反接防电流倒灌电路、蓄能模组、半桥驱动电路、MCU电路、BOOST升压驱动电路和LED模组，其中所述太阳能电池板的输出端与所述输入防反接电路连接，所述输入防反接电路与所述同步整流BUCK降压电路连接，所述同步整流BUCK降压电路分别与所述输出防反接防电流倒灌电路和所述半桥驱动电路连接，所述输出防反接防电流倒灌电路与所述蓄能模组连接；所述半桥驱动电路与所述MCU电路连接，所述MCU电路与所述BOOST升压驱动电路连接，所述BOOST升压驱动电路与所述LED模组连接。

优选地，所述输出防反接防电流倒灌电路包括稳压二极管DZ2、稳压二极管DZ10、稳压二极管DZ3、二极管D7、二极管D8、MOS管Q6、MOS管Q7、放大器U5B、电阻R44、电阻R45、电阻R46、电阻R47，其中稳压二极管DZ2的负极端与所述同步整流BUCK降压电路连接，其正极端与二极管D7的正极连接，二极管D7的负极与二极管D8的负极连接；MOS管Q6的源极与稳压二极管DZ2的负极端连接，其漏级与MOS管Q7连接；稳压二极管DZ10一端设置在MOS管Q6和MOS管Q7之间，另一端设置在二极管D7和二极管D8之间；稳压二极管DZ3的一端与MOS管Q7连接，另一端与二极管D8连接；MOS管Q6的栅极通过电阻R44后与放大器U5B连接；电阻R45一端与MOS管Q7连接，另一端依次串联电阻R46、电阻R47后与放大器U5B连接。

优选地，所述同步整流BUCK降压电路包括MOS管Q4、MOS管Q5、铁芯电感L1、电阻R37、电阻R39，其中MOS管Q4的漏极与所述输入防反接电路连接，其源极分别与铁芯电感L1和MOS管Q5的漏级连接；电阻R37设置在MOS管Q4的源极和栅极之间，电阻R39设置在MOS管Q5的源极和栅极之间。

优选地，所述输入防反接电路包括二极管D5、稳压二极管DZ1、电阻R33、电阻R105、MOS管Q3，其中二极管D5的正极端通过一接插件与所述太阳能电池板连接，二极管D5的负极端通过电阻R33后与MOS管Q3的栅极连接；稳压二极管DZ1和电阻R105并联设置在MOS管Q3的栅极和源极之间。

优选地，所述BOOST升压驱动电路包括芯片U7、芯片U8、MOS管Q12、MOS管Q13、稳压二极管D13、稳压二极管D14、稳压二极管D16、稳压二极管DZ8、二极管D12、电感L6、电阻R103，其中芯片U7的第三脚与所述MCU电路连接，其第四脚经二极管D12后与MOS管Q13连接，MOS管Q13的栅极与所述MCU电路连接，其第七脚依次经过稳压二极管DZ8、稳压二极管D16后与电感L6连接，其第八脚经过电阻R103后与芯片U8的第六脚连接，芯片U8与MOS管Q12连接；稳压二极管D13和稳压二极管D14并联，其一端与MOS管Q12的漏级连接，另一端经过稳压二极管D16后与电感L6连接，电感L6通过一接插件与所述LED模组连接。

优选地，还包括一输入过压保护器件，其设置在所述太阳能电池板和所述输入防反接电路之间。

优选地，还包括一通讯模块和电源模块，所述通讯模块与所述MCU电路连接，所述电源模块为所述通讯模块、所述MCU电路、所述BOOST升压驱动电路提供电能。

优选地，所述通讯模块为ZigBee通讯模块。

优选地，MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q12的型号为SUD50N06-09L，MOS管Q6和MOS管Q7的型号均为SUD50P06-15L。

优选地，所述蓄能模组为超级电容。

采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

本发明所述的超容太阳能控制器，在产品软件算法上采用新颖的电流扰动MPPT算法以获取PV面板的最大输出功率，在硬件设计上采用大量MOS管替代传统的肖特基二极管进行电流整流和续流极大的降低了器件损耗，相对于传统太阳能充电器充电效率得到极大的提升。

附图说明

图1为本发明所述的超容太阳能控制器的原理图；

图2为本发明所述的MCU电路的电路图；

图3为本发明所述的超容太阳能控制器的部分电路图；

图4为本发明所述的超容太阳能控制器的部分电路图；

图5a为本发明所述的电源模块的电路图；

图5b为本发明所述的电源模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，为符合本发明的一种超容太阳能控制器，包括：太阳能电池板、输入防反接电路、同步整流BUCK降压电路、输出防反接防电流倒灌电路、蓄能模组、半桥驱动电路、MCU电路、BOOST升压驱动电路和LED模组，其中所述太阳能电池板的输出端与所述输入防反接电路连接，所述输入防反接电路与所述同步整流BUCK降压电路连接，所述同步整流BUCK降压电路分别与所述输出防反接防电流倒灌电路和所述半桥驱动电路连接，所述输出防反接防电流倒灌电路与所述蓄能模组连接；所述半桥驱动电路与所述MCU电路连接，所述MCU电路与所述BOOST升压驱动电路连接，所述BOOST升压驱动电路与所述LED模组连接。

其中图2为MCU电路的电路图，图3包含输入防反接电路、同步整流BUCK降压电路、输出防反接防电流倒灌电路和半桥驱动电路。

优选地，所述输出防反接防电流倒灌电路包括稳压二极管DZ2、稳压二极管DZ10、稳压二极管DZ3、二极管D7、二极管D8、MOS管Q6、MOS管Q7、放大器U5B、电阻R44、电阻R45、电阻R46、电阻R47，其中稳压二极管DZ2的负极端与所述同步整流BUCK降压电路连接，其正极端与二极管D7的正极连接，二极管D7的负极与二极管D8的负极连接；MOS管Q6的源极与稳压二极管DZ2的负极端连接，其漏级与MOS管Q7连接；稳压二极管DZ10一端设置在MOS管Q6和MOS管Q7之间，另一端设置在二极管D7和二极管D8之间；稳压二极管DZ3的一端与MOS管Q7连接，另一端与二极管D8连接；MOS管Q6的栅极通过电阻R44后与放大器U5B连接；电阻R45一端与MOS管Q7连接，另一端依次串联电阻R46、电阻R47后与放大器U5B连接。优选地，MOS管Q7的源极通过一接插件J2与所述蓄能模组连接。其中电阻R45和电阻R46之间为一电压采集点CV，其与MCU电路中的芯片U3的第五脚连接。电阻R47为一电流采样电阻，经过放大器后输出端与MCU电路中的芯片U3的第二脚连接，其为一电流采集点CCI。半桥驱动电路如图3所示，其包括驱动信号互锁电路和芯片U4、芯片U10、芯片U11等，半桥驱动电路的PH和PL端与MCU电路中的芯片U3的第23脚和第20脚连接。其他具体连接关系如图所示，此处不再赘述。

优选地，所述同步整流BUCK降压电路包括MOS管Q4、MOS管Q5、铁芯电感L1、电阻R37、电阻R39，其中MOS管Q4的漏极与所述输入防反接电路连接，其源极分别与铁芯电感L1和MOS管Q5的漏级连接；电阻R37设置在MOS管Q4的源极和栅极之间，电阻R39设置在MOS管Q5的源极和栅极之间。

优选地，所述输入防反接电路包括二极管D5、稳压二极管DZ1、电阻R33、电阻R105、MOS管Q3，其中二极管D5的正极端通过一接插件J1与所述太阳能电池板连接，二极管D5的负极端通过电阻R33后与MOS管Q3的栅极连接；稳压二极管DZ1和电阻R105并联设置在MOS管Q3的栅极和源极之间。

优选地，如图4所示，所述BOOST升压驱动电路包括芯片U7、芯片U8、MOS管Q12、MOS管Q13、稳压二极管D13、稳压二极管D14、稳压二极管D16、稳压二极管DZ8、二极管D12、电感L6、电阻R103，其中芯片U7的第三脚与所述MCU电路(LED EN)连接，其第四脚经二极管D12后与MOS管Q13连接，MOS管Q13的栅极与所述MCU电路(PWM)连接，其第七脚依次经过稳压二极管DZ8、稳压二极管D16后与电感L6连接，其第八脚经过电阻R103后与芯片U8的第六脚连接，芯片U8与MOS管Q12连接；稳压二极管D13和稳压二极管D14并联，其一端与MOS管Q12的漏级连接，另一端经过稳压二极管D16后与电感L6连接，电感L6通过一接插件J3与所述LED模组连接。所述LED模组为实际的用电单元，如多个LED灯管等，由于本领域技术人员应当知晓，故此次不再赘述。图4中标注为A、B、C的三个模块均为辅助电路，其用于输出防反接、防短路等。其中CDI端用于采集输出电流，其与MCU电路中的芯片U3的第六脚连接。

优选地，还包括一输入过压保护器件R85，其设置在所述太阳能电池板和所述输入防反接电路之间，用于实现过压保护，进一步提高整个系统的安全性能。

优选地，还包括一通讯模块和电源模块，所述通讯模块与所述MCU电路连接，所述电源模块为所述通讯模块、所述MCU电路、所述BOOST升压驱动电路提供电能。由于电源模块是现有技术中比较常规的手段，其体电路结构可以根据实际的使用情况进行相应的调整和设计，图5a-5b提供了2种不同的电源模块的电路图，当然还有其他多种形式的电路结构可供使用，本实施例对此不作限定。

优选地，所述通讯模块为ZigBee通讯模块，其通过接插件J4与MCU电路实现连接。

优选地，MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q12的型号为SUD50N06-09L，MOS管Q6和MOS管Q7的型号均为SUD50P06-15L。

优选地，所述蓄能模组为超级电容。

本发明主要是针对超级电容模组特性进行的研发，在产品软件算法上采用新颖的电流扰动MPPT算法以获取PV面板的最大输出功率，在硬件设计上采用大量MOS管替代传统的肖特基二极管进行电流整流和续流极大的降低了器件损耗，相对于传统太阳能充电器充电效率得到极大的提升；电源和LED驱动部分特别针对低压超级电容组设计了电路组件，能够在最低4.5V电压状况下输出20W的驱动功率。众所周知，太阳能转换成电能的成本是比较昂贵的，1W光伏面板的成本为12元左右，因此PV面板转换出来的电能是宝贵的。采用传统方式对其利用率不高，浪费了大量的能量。采用MPPT算法实现的太阳能控制器能够将太阳能利用率显著提高，而其增加的硬件成本却远低于浪费的PV面板成本，因此MPPT控制的意义是很明显的。

为了提高太阳能转化效率，就必须使系统保持运行在PV面板最大功率点附近。最大功率点的跟踪控制本质上是一个自寻优过程，即通过测量电流、电压和功率，判定出当前工作点与峰值点的位置关系，并调节工作点电压(或电流)，使其向峰值功率点靠拢，从而使光伏系统运作在峰值功率点附近。常用的MPPT算法有恒压法、扰动观察法、电导增量法等。它们的工作原理及优缺点如下表1所示。

表1

由于恒压法精度低，而电导增量法硬件要求高，因此本发明采用了扰动观察法。传统的扰动观察法容易产生振荡与误判，在传统的扰动观察法上改变扰动观察机制，从输入电流电压采集转换为充电电流扰动、采集；该方法是基于短时间内超级电容模组电压几乎不变为前提，充电电流最大时，PV模组输出功率也最大。因为只需要采集一个电流参数，软件采集速度得到提升，可以快速的在一个快速扰动周期采集当前值、低一阶占空比电流值和高一阶占空比电流值三个数值进行比对，快速找到最大功率点；并能有效的应对PV模组输出功率突变。

本发明的改进点在于：

1.用独特的最大功率追踪(MPPT)方法，在同等光照条件下可从光伏板获取更多的电能输出功率。

传统的太阳能路灯控制器采用串联式PWM脉宽调制方式。该方式的原理是通过调整电路中MOS管的占空比来调节充电电流的大小。该方式的优点是电路简单，成本低，但是它存在一些无法克服的缺点：

由于采用串联PWM控制方式，PV面板通过双MOS管直接连接到电池，因此充电纹波电流很大，电池寿命受到影响；

当太阳辐照变化剧烈时，太阳能利用率很低。

另外传统太阳能路灯控制器大多采用电压扰动法MPPT算法，监控控制器输入功率，进而寻找PV面板的MPP，优点是能找到PV面板的MPP；缺点是但需要采集输入电压和电流两个参数，硬件电路和算法相对复杂，容易产生电流震荡。

本发明经过大量的实验论证，基于在极短时间内电池电压基本不变化的原则，采用独特的快速扰动充电电流的方式寻找PV板的MPP。优点为：硬件电路简单，算法简单，可以使用普通8位单片机实现MPPT算法，降低了硬件成本和算法复杂程度，响应迅速，充电电流、电压十分稳定。

2.充电回路采用MOS同步整流技术，相对于传统肖特基二极管整流技术，显著降低器件损耗，实现了电能的高效率转换。

例如在电流为10A时，使用低VF肖特基二极管功率损耗大约为10(A)*0.5(V)＝4W；而采用MOS同步整理时损耗则低于10(A)*0.1(V)＝1W；极大降低了器件损耗。

3.输入防反接采用MOS管替代传统大电流肖特基二极管，降低了器件功率损耗。

例如在电流为5A时，使用低VF肖特基二极管功率损耗高达5(A)*0.5(V)＝2.5W；而采用MOS管功率损耗仅为5(A)*0.1(V)＝0.5W；极大降低了器件损耗。

4.输出防反接/防倒流电路采用两颗低RDSON PMOS和若干模拟器件实现，相对于从传统大电流肖特基二极管，极大降低了器件功率损耗。

例如在电流为10A时，使用低VF肖特基二极管功率损耗高达10(A)*0.5(V)＝5W，而且还不能防蓄电池电流倒灌；而采用MOS管功率损耗仅为10(A)*0.2(V)＝2W，切能够做到防止蓄电池电流倒灌。

5.产品整合有BOOST升压驱动电路，可支援常见的10-20串80W以内LED灯具夜间工作需要。

6.产品电源部分，采用4.5V-75V宽压电源电路，可以在极宽电压范围内工作，相对于传统太阳能充电器，可以支援低压蓄能模组夜间驱动LED模组工作。

7.产品整合有Zigbee物联网通讯模组，可实现产品的大范围组网监控、参数修改。

8.产品软件开放性高，即可实时采集充放电工作参数，也可以对工作参数进行读取和再配置，使用非常灵活。

本发明可以取得的有益效果在于：

1.充电效率相较传统太阳能充电器提升30％以上。

2.转换效率高达97％以上。

3.支持所有类型的PV面板，如单晶硅、多晶硅、非晶硅等。

4.PV面板输入电压范围广：9～25V或18～50V。

5.除了支持超级电容模组外，还可编程支持所有类型的蓄电池，如铅酸电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池等。

6.支持各种电压型号的电池，如5.4V、8.1V、10.8V、12V、24V、36V、48V等。

7.科学的电池充电管理方式，可依据蓄能模组类型，配置为最大功率法、两阶段充电法、三阶段充电法、四阶段充电法、恒压、恒流等充电方式。

8.丰富的负载工作模式：如时控、纯光控、光控+时控、手动、调试模式、长开模式、远程实时调控等。

9.良好的电路保护功能，包括PV反接保护、PV过流保护、电池反接保护、电池过压保护、电池过放保护、负载过流保护、负载短路保护等。

10.支持ZigBee物联网监测、控制功能，可实现产品的远程工作状态监控和参数配置，使用及其方便。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超容太阳能控制器，其特征在于，包括：太阳能电池板、输入防反接电路、同步整流BUCK降压电路、输出防反接防电流倒灌电路、蓄能模组、半桥驱动电路、MCU电路、BOOST升压驱动电路和LED模组，其中所述太阳能电池板的输出端与所述输入防反接电路连接，所述输入防反接电路与所述同步整流BUCK降压电路连接，所述同步整流BUCK降压电路分别与所述输出防反接防电流倒灌电路和所述半桥驱动电路连接，所述输出防反接防电流倒灌电路与所述蓄能模组连接；所述半桥驱动电路与所述MCU电路连接，所述MCU电路与所述BOOST升压驱动电路连接，所述BOOST升压驱动电路与所述LED模组连接。

2.如权利要求1所述的超容太阳能控制器，其特征在于：所述输出防反接防电流倒灌电路包括稳压二极管DZ2、稳压二极管DZ10、稳压二极管DZ3、二极管D7、二极管D8、MOS管Q6、MOS管Q7、放大器U5B、电阻R44、电阻R45、电阻R46、电阻R47，其中稳压二极管DZ2的负极端与所述同步整流BUCK降压电路连接，其正极端与二极管D7的正极连接，二极管D7的负极与二极管D8的负极连接；MOS管Q6的源极与稳压二极管DZ2的负极端连接，其漏级与MOS管Q7连接；稳压二极管DZ10一端设置在MOS管Q6和MOS管Q7之间，另一端设置在二极管D7和二极管D8之间；稳压二极管DZ3的一端与MOS管Q7连接，另一端与二极管D8连接；MOS管Q6的栅极通过电阻R44后与放大器U5B连接；电阻R45一端与MOS管Q7连接，另一端依次串联电阻R46、电阻R47后与放大器U5B连接。

3.如权利要求1或2所述的超容太阳能控制器，其特征在于：所述同步整流BUCK降压电路包括MOS管Q4、MOS管Q5、铁芯电感L1、电阻R37、电阻R39，其中MOS管Q4的漏极与所述输入防反接电路连接，其源极分别与铁芯电感L1和MOS管Q5的漏级连接；电阻R37设置在MOS管Q4的源极和栅极之间，电阻R39设置在MOS管Q5的源极和栅极之间。

4.如权利要求1-3任一所述的超容太阳能控制器，其特征在于：所述输入防反接电路包括二极管D5、稳压二极管DZ1、电阻R33、电阻R105、MOS管Q3，其中二极管D5的正极端通过一接插件与所述太阳能电池板连接，二极管D5的负极端通过电阻R33后与MOS管Q3的栅极连接；稳压二极管DZ1和电阻R105并联设置在MOS管Q3的栅极和源极之间。

5.如权利要求1-4任一所述的超容太阳能控制器，其特征在于：所述BOOST升压驱动电路包括芯片U7、芯片U8、MOS管Q12、MOS管Q13、稳压二极管D13、稳压二极管D14、稳压二极管D16、稳压二极管DZ8、二极管D12、电感L6、电阻R103，其中芯片U7的第三脚与所述MCU电路连接，其第四脚经二极管D12后与MOS管Q13连接，MOS管Q13的栅极与所述MCU电路连接，其第七脚依次经过稳压二极管DZ8、稳压二极管D16后与电感L6连接，其第八脚经过电阻R103后与芯片U8的第六脚连接，芯片U8与MOS管Q12连接；稳压二极管D13和稳压二极管D14并联，其一端与MOS管Q12的漏级连接，另一端经过稳压二极管D16后与电感L6连接，电感L6通过一接插件与所述LED模组连接。

6.如权利要求1-5任一所述的超容太阳能控制器，其特征在于：还包括一输入过压保护器件，其设置在所述太阳能电池板和所述输入防反接电路之间。

7.如权利要求1-6任一所述的超容太阳能控制器，其特征在于：还包括一通讯模块和电源模块，所述通讯模块与所述MCU电路连接，所述电源模块为所述通讯模块、所述MCU电路、所述BOOST升压驱动电路提供电能。

8.如权利要求1-7任一所述的超容太阳能控制器，其特征在于：所述通讯模块为ZigBee通讯模块。

9.如权利要求1-8任一所述的超容太阳能控制器，其特征在于：MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q12的型号为SUD50N06-09L，MOS管Q6和MOS管Q7的型号均为SUD50P06-15L。

10.如权利要求1-9任一所述的超容太阳能控制器，其特征在于：所述蓄能模组为超级电容。