CN106788178B - 一种面向消防应急灯的太阳能快速充电方法 - Google Patents

一种面向消防应急灯的太阳能快速充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种追踪太阳能光照，并采用阶段式恒流充电技术用无线传输模块进行通信对应急灯照明系统中蓄电池进行快速、安全、高效充电的方法。本发明包括对太阳能光照强度进行自动跟踪，以使太阳能极板获得最大的光电转换效率；根据马斯曲线设计一种模拟跟踪马斯曲线的阶段式恒流充电方法，以使电池充电效率最大和析气率最低；根据对扰动观察法和电导增量法两种算法进行分析，提出一种新型的最大功率跟踪算法。本发明不仅可以保证消防应急灯备用电池的充电效率，而且可以保证其蓄电池寿命，使蓄电池能够满足消防应急灯应对突发的情况，安全、可靠、稳定地投入工作。

Description

一种面向消防应急灯的太阳能快速充电方法
技术领域
本发明属于消防应急灯充电技术领域，设计一种改进的扰动观察法和电导增量法相融合的最大输出功率跟踪算法，利用太阳能电池板自动跟踪技术来提高光电转换的效率，从而实现对消防应急灯蓄电池的快速、安全和可靠的充电方法。
背景技术
目前，国内的公共建筑里消防应急灯的供电方式大多采用由市电供电的自带电源型。而利用太阳能供电系统对其自带蓄电池进行供电，必须有效提高太阳能极板的转化效率，在保证蓄电池使用寿命的前提下实现对消防应急灯蓄电池的快速充电，从而使消防应急灯应对突发情况的发生，能够快速、稳定、持续地投入到工作状态。
太阳能电池板作为自带电源型消防应急灯系统供电的主要来源，其转换效率的低下一直是阻碍其普及化道路上的巨大障碍。如何有效提高太阳能电池板的转换效率成为急需解决的重要的问题。
蓄电池作为整个消防应急灯系统的主要储能部件，其地位是相当显著的。如果蓄电池出现过充或者充电不够，都会影响到电池的放电效果，直接导致消防应急灯的放电时间不够和电池的使用寿命，影响其正常使用。
太阳能供电系统成本高、寿命短的缺点正是由于蓄电池不能安全正确使用，从而降低其使用寿命造成的。其使用寿命的长短直接决定着整个太阳能供电系统的寿命。由于影响蓄电池寿命的因素很多，而蓄电池充放电的方法又是影响其寿命的主要因素。而常规的充电方法，要么充电效率不高，要么有大量气体析出，进而影响蓄电池的使用寿命。
为了有效提高太阳能极板的光电转换效率，充分利用太阳能，需要对太阳能极板的最大输出功率进行追踪。由于目前经典控制方法中的扰动观察法，虽然其算法简单，对参数检测的精度要求不高，易于硬件实现，但是，其相应速度慢，在实际功率点附近做小幅度震荡，使得输出功率不稳定，造成一定的功率损失，只适合于光照强度变化比较慢的场合。而传统的电导增量法，能够快速地使系统工作在最大功率点，不会在最大功率点附近反复震荡，当外界光照强度等条件剧烈变化时，也能很好地快速进行跟踪，且系统运动效果好，但是，算法中需要反复进行微分运算，系统统计量较大，需要告诉运算控制器。其它几种经典控制方法也或多或少存在些不足。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种面向消防应急灯的太阳能快速充电方法。
本发明方法具体是：
基于消防应急灯的太阳能供电系统电池板追踪：
四个相同的光照传感器分别固定在由两个互相垂直的不透明挡板分成的四个不同区域，使它们两个处于水平方向，另外两个处于垂直方向，构成光照检测装置；假设由R1、R2、R3、R4分别代表这四个光照传感器，由M1、M2表示控制极板方向的步进电机；其中R1和R2控制步进电机M1，步进电机M1控制水平方向，R3和R4控制步进电机M2，步进电机M2控制垂直方向；根据太阳照射在两两光照传感器上面的光照强度不同，而输出的电压值的不同，从而使控制水平方向的步进电机M1和控制垂直方向的步进电机M2来调整电池板的方向；
蓄电池的快速充电：
当太阳能电池板将太阳能转换为电能之后，电能需要存储在蓄电池中供消防应急灯照明使用；然后，通过电压检测电路，电流检测电路对蓄电池的充、放电电压、电流进行检测，利用无线传输模块将检测到的信息发送给控制器，控制器对系统状态分析之后，通过无线传输模块发送出控制信息；
最大功率跟踪实现：
步骤一：利用测电压电路和测电流电路测出电池板当前工作状态下的电压值U和电流值I；对控制器内的计数器进行初始化，使得N＝0；
步骤二：根据P＝U*I计算出此刻的输出功率P(K)，然后与前一次存储的功率值P(K-1)进行比较，看它们是否相等；若相等，则存储此刻的功率值和占空比，以后保持这一占空比进行功率输出；若不等，且判断此刻N的值是否满足等式N>8；
步骤三：当N值不满足等式N>8时，则执行改进过的扰动观察法；否则，则执行改进过的电导增量法；
所述的改进过的扰动观察法具体是：
判断当前的输出功率P(k)与前一次存储的输出功率P(K-1)的大小关系；假设当P(K)时刻的功率小于P(K-1)时刻的功率时，说明功率的变化方向与占空比D的变化方向相同；
保持前一刻的步长大小继续在这个方向上调整占空比；直到输出功率P(K)大于P(K-1)时，此刻说明最大输出功率点已经过去，此时，需要反方向调整占空比；
反方向调整步长，每执行一次，计数器加1，且步长减小为原来的一半，当P(K)仍然大于P(K-1)时，则继续执行此过程；直到条件不满足，此时说明最大功率点又已经过去，则回转去判断当前的输出功率P(k)与前一次存储的输出功率P(K-1)的大小关系，此时，计数器停止计数，步长停止减半；
循环执行以上过程，直到等式N>8不满足条件时，且每次往返过程的步长都在前一次步长的基础上减少一半，这样8次下来之后，系统就已经工作在最大功率点附近了，且在最大功率点附近做往返运动；
所述的改进过的电导增量法具体是：
判断此刻的输出功率是否与前一刻的输出功率是否相等；如果两时刻的功率相等，则保持前一刻的占空比，输出此刻的输出功率、占空比，并保存起来；如果此刻的输出功率与前一刻的输出功率不相等，则判断两时刻的大小关系；
当功率的变化方向是与占空比D的变化方向相同时，即dP/dD>0，此时为了使功率达到最大输出调节占空比，若dD>0，则D继续增加；若dD<0,则D应该减小；
当功率的变化方向与占空比D的变化方向相反时，即dP/dD<0,此时如果使功率达到最大输出应该调节占空比，若dD>0,则D应该减小，若dD<0,则D应该增大；
当电池板已经工作在最大功率点附近，即dP/dD＝0；此时已达到最大功率输出，应该保持此刻的占空比不变；
最后把此刻的输出功率P(K)、占空比D(K)存储起来。
本发明的有益效果：本发明提出一种扰动观察法和电导增量法相融合的方法，对系统的最大功率点进行跟踪。其能够结合上述两种算法的优点，进行优势互补，既不会在最大功率点附近进行无休止的小幅震荡，又能快速地进行最大功率点精准跟踪。
附图说明
图1：光照强度检测装置；
图2：光伏电池板追踪太阳装置；
图3：太阳追踪模块的结构图；
图4：蓄电池的充电流程图；
图5.最大功率跟踪算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示，基于消防应急灯的太阳能供电系统电池板追踪技术步骤如下：
光照检测装置是采用先进光电转换模块，将太阳光照强度转换为电压值的光照传感器HA2003。将四个相同的光照传感器HA2003分别固定在由两个互相垂直的不透明挡板分成的四个不同区域，使它们两个处于水平方向，另外两个处于垂直方向。假设由R1、R2、R3、R4分别代表这四个光照传感器，由M1、M2表示控制极板方向的步进电机佑田35HB。其中R1和R2控制步进电机M1，步进电机M1控制水平方向，R3和R4控制步进电机M2，步进电机M2控制垂直方向。根据太阳照射在两两光照传感器上面的光照强度不同，而输出的电压值的不同，从而使控制水平方向的步进电机M1和控制垂直方向的步进电机M2来调整电池板的方向。
步骤一：首先将光照检测装置与电池板固定在同一平面上，保证太阳光垂直照射在检测装置上也就保证了垂直照射在电池板上。
步骤二：然后，检测R1和R2支路上的电压
步骤三：如果R1支路上的电压大于R2支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制步进电机M1正转，发出适当的脉冲频率；如果R2支路上的电压大于R1支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制电机M1反转，发出适当的脉冲频率调整极板的位置。
步骤四：如果R1支路上的电压等于R2支路上的电压，则转去检测R3和R4支路的电压。
步骤五：如果R3支路上的电压大于R4支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制电机M2正转，发出适当的脉冲频率；如果R3支路上的电压大于R4支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制电机M2反转，发出适当的脉冲频率调整极板的位置。
步骤六：如果R3支路上的电压等于R4支路上的电压，则又转去检测R1和R2支路的电压。以此往复进行调整。
步骤七：重复上面几步的过程，以使极板尽可能垂直正对光照强度，从而实时获得较强的太阳能照射。
如图4所示，蓄电池的快速充电步骤如下：
当太阳能电池板将太阳能转换为电能之后，电能需要存储在蓄电池中供消防应急灯照明使用。然后，通过电压检测电路，电流检测电路对蓄电池的充、放电电压、电流进行检测，利用无线传输模块将检测到的信息发送给控制器，控制器对系统状态分析之后，通过无线传输模块发送出控制信息。
步骤一：首先，对蓄电池进行充电的初期进行小电流恒流充电。
步骤二：检测电路对蓄电池两端电压U、电流I进行检测，并且计算恒流充电时间。
步骤三：控制器对接收到的蓄电池状态信息进行计算(蓄电池容量C1)、分析，然后由无线传输模块发送控制信号给驱动电路，控制开关管的接通和关断。
步骤四：当蓄电池电压达到一定值时，为了减小蓄电池的析气率，且提高对蓄电池的充电效率，转为对蓄电池进行阶段式恒流充电。
步骤五：当检测到蓄电池的充电容量C1大于85％时，则接通浮充电路的开关，断开快充电路的开关，使电池以恒定的小电流对蓄电池进行浮充充电，以维持蓄电池的自放电量。
步骤六：当检测到蓄电池的充电容量C1小于85％时，则接通快充电路的开关，断开浮充电路的开关，使电池进入快充阶段。
步骤七：在对蓄电池进行充电时，对充电过程中电流进行检测。
步骤八：当检测到的电流比马斯曲线上的电流高时，就接通电路，以阶段式恒流方式进行充电；当检测到的电流比马斯曲线上的电流低时，就接通电路，以最大功率下的电流进行直接充电。
步骤九：在每一个电流阶段之后，接通放电电路的开关，进行瞬间的放电。
如图5所示，最大功率跟踪算法实现：
步骤一：利用测电压电路和测电流电路测出电池板当前工作状态下的电压值U和电流值I。此时，对控制器内的计数器进行初始化，使得N＝0.
步骤二：根据P＝U*I计算出此刻的输出功率P(K)，然后与前一次存储的功率值P(K-1)进行比较，看它们是否相等。若相等，则存储此刻的功率值和占空比，以后保持这一占空比进行功率输出；若不等，且判断此刻N的值是否满足等式N>8。
步骤三：当N值不满足等式N>8时，则执行改进过的扰动观察法；否则，则执行改进过的电导增量法。
步骤四：当执行扰动观察法判断当前的输出功率P(k)与前一次存储的输出功率P(K-1)的大小关系。假设当P(K)时刻的功率小于P(K-1)时刻的功率时，说明功率的变化方向与占空比D的变化方向相同(此时的步长比较大)。
步骤五：为了使输出功率达到最大，应该保持前一刻的步长大小继续在这个方向上调整占空比。
步骤六：直到输出功率P(K)大于P(K-1)时，此刻说明最大输出功率点已经过去，此时，需要反方向调整占空比。
步骤七：反方向调整步长，每执行一次，计数器加1，且步长减小为原来的一半，当P(K)仍然大于P(K-1)时，则继续执行此过程。
步骤八：直到条件不满足，此时说明最大功率点又已经过去，则转去执行步骤四，此时，计数器停止计数，步长停止减半。
步骤九：循环执行以上步骤。
步骤十：直到等式N>8不满足条件时，且每次往返过程的步长都在前一次步长的基础上减少一半，这样8次下来之后，系统就已经工作在最大功率点附近了，且在最大功率点附近做往返运动。
步骤十一：当N>8时，转到调到增量法，判断此刻的输出功率是否与前一刻的输出功率是否相等。
步骤十二：如果两时刻的功率相等，则保持前一刻的占空比，输出此刻的输出功率、占空比，并保存起来。
步骤十三：如果此刻的输出功率与前一刻的输出功率不相等，则判断两时刻的大小关系。
步骤十四：当功率的变化方向是与占空比D的变化方向相同时，即dP/dD>0，此时为了使功率达到最大输出应该调节占空比，若dD>0，则D继续增加；若dD<0,则D应该减小；
步骤十五：当功率的变化方向与占空比D的变化方向相反时，即dP/dD<0,此时如果使功率达到最大输出应该调节占空比，若dD>0,则D应该减小，若dD<0,则D应该增大；
步骤十六：当电池板已经工作在最大功率点附近，即dP/dD＝0。此时已达到最大功率输出，应该保持此刻的占空比不变。
步骤十七：最后把此刻的输出功率P(K)、占空比D(K)存储起来。

Claims (2)

1.一种面向消防应急灯的太阳能快速充电方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
基于消防应急灯的太阳能供电系统电池板追踪：
四个相同的光照传感器分别固定在由两个互相垂直的不透明挡板分成的四个不同区域，使它们两个处于水平方向，另外两个处于垂直方向，构成光照检测装置；假设由R1、R2、R3、R4分别代表这四个光照传感器，由M1、M2表示控制极板方向的步进电机；其中R1和R2控制步进电机M1，步进电机M1控制水平方向，R3和R4控制步进电机M2，步进电机M2控制垂直方向；根据太阳照射在两两光照传感器上面的光照强度不同，而输出的电压值的不同，从而使控制水平方向的步进电机M1和控制垂直方向的步进电机M2来调整电池板的方向；
蓄电池的快速充电：
当太阳能电池板将太阳能转换为电能之后，电能需要存储在蓄电池中供消防应急灯照明使用；然后，通过电压检测电路，电流检测电路对蓄电池的充、放电电压、电流进行检测，利用无线传输模块将检测到的信息发送给控制器，控制器对系统状态分析之后，通过无线传输模块发送出控制信息；具体是：
步骤一：对蓄电池进行充电的初期进行小电流恒流充电；
步骤二：检测电路对蓄电池两端电压U、电流I进行检测，并且计算小电流恒流充电时间；
步骤三：控制器对接收到的蓄电池状态信息进行计算、分析，然后由无线传输模块发送控制信号给驱动电路，控制开关管的接通和关断；
步骤四：当蓄电池电压达到设定值时，转为对蓄电池进行阶段式恒流充电；
步骤五：当检测到蓄电池的充电容量C1大于85％时，则接通浮充电路的开关，断开快充电路的开关，使电池以恒定的小电流对蓄电池进行浮充充电，以维持蓄电池的自放电量；
步骤六：当检测到蓄电池的充电容量C1小于85％时，则接通快充电路的开关，断开浮充电路的开关，使电池进入快充阶段；
步骤七：在对蓄电池进行充电时，对充电过程中电流进行检测；
步骤八：当检测到的电流比马斯曲线上的电流高时，就接通电路，以阶段式恒流方式进行充电；当检测到的电流比马斯曲线上的电流低时，就接通电路，以最大功率下的电流进行直接充电；
步骤九：在每一个电流阶段之后，接通放电电路的开关，进行瞬间的放电；
所述的以最大功率下的电流进行直接充电，其最大功率跟踪由以下步骤实现：
步骤一：利用测电压电路和测电流电路测出电池板当前工作状态下的电压值U和电流值I；对控制器内的计数器进行初始化，使得N＝0；
步骤二：根据P＝U*I计算出此刻的输出功率Pk，然后与前一次存储的功率值PK-1进行比较，看它们是否相等；若相等，则存储此刻的功率值和占空比，以后保持这一占空比进行功率输出；若不等，且判断此刻N的值是否满足不等式N>8；
步骤三：当N值不满足不等式N>8时，则执行改进过的扰动观察法；否则，则执行改进过的电导增量法；
所述的改进过的扰动观察法具体是：
(1)判断当前的输出功率Pk与前一次存储的输出功率PK-1的大小关系；假设当Pk时刻的功率小于PK-1时刻的功率时，说明功率的变化方向与占空比D的变化方向相同；
(2)保持前一刻的步长大小继续在这个方向上调整占空比；直到输出功率Pk大于PK-1时，此刻说明最大输出功率点已经过去，此时，需要反方向调整占空比；
(3)反方向调整步长，每执行一次，计数器N的值加1，且步长减小为原来的一半，当Pk仍然大于PK-1时，则继续“反方向调整步长，每执行一次，计数器N的值加1，且步长减小为原来的一半”这一过程；直到Pk仍然不大于PK-1时，此时说明最大功率点又已经过去，则回转去判断当前的输出功率Pk与前一次存储的输出功率PK-1的大小关系，此时，计数器N停止计数，步长停止减半；
(4)循环执行(1)～(3)，直到N>8时，且每次往返过程的步长都在前一次步长的基础上减少一半，这样8次下来之后，系统就已经工作在最大功率点附近了，且在最大功率点附近做往返运动；
所述的改进过的电导增量法具体是：
判断此刻的输出功率是否与前一刻的输出功率是否相等；如果两时刻的功率相等，则保持前一刻的占空比，输出此刻的输出功率、占空比，并保存起来；如果此刻的输出功率与前一刻的输出功率不相等，则判断两时刻的大小关系；
当功率的变化方向是与占空比D的变化方向相同时，即dP/dD>0，此时为了使功率达到最大输出调节占空比，若dD>0，则D继续增加；若dD<0,则D应该减小；
当功率的变化方向与占空比D的变化方向相反时，即dP/dD<0,此时如果使功率达到最大输出应该调节占空比，若dD>0,则D应该减小，若dD<0,则D应该增大；
当电池板已经工作在最大功率点附近，即dP/dD＝0；此时已达到最大功率输出，应该保持此刻的占空比不变；
最后把此刻的输出功率Pk、占空比Dk存储起来。
2.根据权利要求1所述的一种面向消防应急灯的太阳能快速充电方法，其特征在于：太阳能供电系统电池板追踪具体是：
步骤一：将光照检测装置与电池板固定在同一平面上，保证太阳光垂直照射在检测装置上也就保证了垂直照射在电池板上；
步骤二：检测R1和R2支路上的电压；
步骤三：如果R1支路上的电压大于R2支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制步进电机M1正转；如果R2支路上的电压大于R1支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制电机M1反转；
步骤四：如果R1支路上的电压等于R2支路上的电压，则转去检测R3和R4支路的电压；
步骤五：如果R3支路上的电压大于R4支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制电机M2正转；如果R3支路上的电压大于R4支路上的电压，则根据两支路上电压差值的大小而控制电机M2反转；
步骤六：如果R3支路上的电压等于R4支路上的电压，则又转去步骤二，检测R1和R2支路的电压，重复步骤二到步骤六，进行调整。
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