CN107017701A

CN107017701A - 一种太阳能不间断电源管理系统

Info

Publication number: CN107017701A
Application number: CN201710437254.3A
Authority: CN
Inventors: 陈廉中; 林伟深
Original assignee: Zhongshan Zhongtai Technology Co Ltd
Current assignee: Zhongshan Zhongtai Technology Co Ltd
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2017-08-04
Anticipated expiration: 2037-06-12
Also published as: CN107017701B

Abstract

本发明涉及一种太阳能不间断电源管理系统，包括主控制器、太阳能光伏电池、过流过压保护电路、防倒灌控制电路、输入欠压判断电路、最大功率点跟踪及电池充放电管理、锂电池组、电池电压采集及平衡充电路和多路输出控制电路。本发明的有益效果为：该发明绕过直流转交流的步骤，直接将输入电源通过最大功率点跟踪算法将输入电源升降压给电池充电，同时内部使用电源降压芯片输出稳定的电源给外部设备供电；利用锂电池作为能量存储，本发明自带电池保护电路、集成数据存储器、具有输入防倒灌电路、有效利用太阳能光伏电池电能、带通讯功能及多路通讯接口、具有故障预报警、能实时提供支整个系统的工作状态、持多路电源可控输出及多路电源输入。

Description

一种太阳能不间断电源管理系统

技术领域

本发明涉及能源利用的技术领域，具体为一种太阳能不间断电源管理系统。

背景技术

在现有的太阳能不间断电源管理系统，基本都是由低压直流升压再逆变成高压交流电，而设备使用却还需要把高压交流电源转化成适合自己系统需要的直流低压电源，极大降低太阳能的使用效率。还有，现有的太阳能不间断电源管理系统成本较高、电源输出不易控制，基本都是使用蓄电池导致体积大，重量高，不适用于低压供电的中小功率电器。

发明内容

为了克服上述的问题，本发明提供了一种太阳能不间断电源管理系统，该发明绕过直流转交流的步骤，直接将输入电源通过最大功率点跟踪算法将输入电源升降压给电池充电，同时内部使用电源降压芯片输出稳定的电源给外部设备供电；本发明使用锂电池作为能量存储，本发明具有体积小、成本低、自带电池保护电路、集成数据存储器、具有输入防倒灌电路、有效利用太阳能光伏电池电能、带通讯功能及多路通讯接口、具有故障预报警、能实时提供支整个系统的工作状态、持多路电源可控输出及多路电源输入；本发明集成度高、应用灵活，用途广。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种太阳能不间断电源管理系统，包括主控制器、太阳能光伏电池、过流过压保护电路、防倒灌控制电路、输入欠压判断电路、最大功率点跟踪及电池充放电管理、锂电池组、电池电压采集及平衡充电路和多路输出控制电路；

所述太阳能光伏电池、所述过流过压保护电路、所述防倒灌控制电路、所述最大功率点跟踪及电池充放电管理和所述主控制器依次电连接；

所述输入欠压判断电路、所述锂电池组和所述多路输出控制电路均与所述最大功率点跟踪及电池充放电管理电连接；

所述电池电压采集及平衡充电路、所述输入欠压判断电路和所述多路输出控制电路均与所述主控制器电连接。

进一步，所述防倒灌控制电路包括MOS管Q1、晶体管U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，其中MOS管的Q1漏极与晶体管U1的1脚相连，MOS管的Q1栅极与晶体管U1的3脚相连，MOS管的Q1源极与晶体管U1的3和电阻R7的一端脚相连，晶体管U1的6脚与R4一端、R5的一端和R6的一端相连，晶体管U1的2脚与R5的一端相连，晶体管U1的5脚与R6的一端相连，R4的一端与R7的一端相连到电源的GND。

进一步，所述最大功率点跟踪及电池充放电管理包括可控降压电路、电池放电控制电路和电池MPPT充电；所述可控降压电路包括MOS管Q2、电感L1、二极管D2、二极管D3、电容CT2、晶体管Q6、晶体管Q8、电阻R3、电阻R1、电阻R8和电阻R11；所述电池放电控制电路包括MOS管Q4、MOS管Q5、晶体管U3、晶体管Q9、电阻R2、电阻R9、电阻R12、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电阻R21。

进一步，所述多路输出控制电路包括多个可控电源输出电路，所述可控电源输出电路包括MOS管Q11、电阻R31、电阻R32、电阻R35和晶体管Q13。

进一步，所述输入欠压判断电路包括比较器U7、电阻R43、电阻R33、电阻R44、电阻R34和电阻R38。

进一步，所述电池电压采集及平衡充电路包括电池电压采集电路和电池平衡充电路；所述电池电压采集电路包括运放U8、电阻R40、电阻R41、电阻R46、电阻R47和电阻R39；所述电池平衡充电路包括MOS管Q12、晶体管Q15、电阻R42、电阻R37、电阻R49和电阻R48。

进一步，还包括温度采集模块，所述温度采集模块与所述主控制器电连接，用于采集温度信息。

进一步，还包括所述温度采集模块包括热敏电阻R80、电阻R81和电阻R79。

进一步，还包括存储器、远程传输模块、人机交换模块和通讯接口模块，所述存储器、所述远程传输模块、所述人机交换模块和所述通讯接口模块均与所述主控制器电连接。

本发明具有的有益效果包括：

利用一个主控系统对一路或多路太阳能光伏电池输入进行最大功率点跟踪，从而最大限度的利用太阳能光伏电池产生的电能对锂电池进行充电。本发明优先采用太阳能光伏电池给负载供电，充分利用太阳能，当太阳能光伏电池供电不足，电压下降到14V时，系统将快速切换为电池供电，实现不间断供电效果。系统的每个输入口都有做过压保护，且用MOSFET做防倒灌设计，比常规的二极管防倒灌设计更加高效，更加有效的利用输入电源的能源。主控系统同时对各组电池电压和电池充电电流进行采样，对每节电池都进行过充过放保护，在电池组进行充电时同时也给电池进行平衡充电，让串联的各节锂电池电压达到彼此之间相对平衡，使锂电池的寿命增长，并能在使用过程中加大电池的用电时间。主控系统对各路对外输出口的电流进行实时监控，有效防止外部设备损坏时对系统的破坏,提高系统的稳定性。本太阳能不间断电源管理系统还可以通过GPRS、GSM、3G或4G进行实时数据传输，可实现其他系统远程对此系统的状态进行读取并且对此系统的输出进行控制，当系统出现较严重的故障且系统有电输入时，系统将会把故障信息发送给管理员，使管理员知道有什么故障，从而有效处理故障。系统还留有其他通讯接口，更加方便其它系统的接入。系统具有内部时钟和数据存储器，可以对外部发送过来的数据进行存储，可以对某些控制指令进行定时开启执行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明太阳能不间断电源管理系统的原理框图。

图2是本发明太阳能不间断电源管理系统的部分电路原理图。

图3是本发明太阳能不间断电源管理系统的电池电压检测及电池平衡充原理图。

图4是本发明太阳能不间断电源管理系统的电源输入电压欠压判断电路原理图。

图5是本发明太阳能不间断电源管理系统的可控电源输出电路原理图。

图6是本发明太阳能不间断电源管理系统的内部温度采集原理图。

图7是本发明太阳能不间断电源管理系统的存储器原理图。

附图标记说明如下：

1、太阳能光伏电池；2、过流过压保护电路；3、防倒灌控制电路；4、最大功率点跟踪及电池充放电管理；5、锂电池组；6、电池电压采集及平衡充电路；7、存储器；8、温度采集模块；9、远程传输模块；10、人机交换模块；11、通讯接口模块；12、主控制器；13、多路输出控制电路；14、输入欠压判断电路；15、最大功率点跟踪及电池充放电管理。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明提供的一种太阳能不间断电源管理系统，包括主控制器12、太阳能光伏电池1、过流过压保护电路2、防倒灌控制电路3、输入欠压判断电路14、最大功率点跟踪及电池充放电管理4、锂电池组5、电池电压采集及平衡充电路6和多路输出控制电路13；

所述太阳能光伏电池1、所述过流过压保护电路2、所述防倒灌控制电路3、所述最大功率点跟踪及电池充放电管理4和所述主控制器12依次电连接；

所述输入欠压判断电路14、所述锂电池组5和所述多路输出控制电路13均与所述最大功率点跟踪及电池充放电管理4电连接；

所述电池电压采集及平衡充电路6、所述输入欠压判断电路14和所述多路输出控制电路13均与所述主控制器12电连接。

其中，图2为输入过流过压保护、防反接防倒灌、电池MPPT充电和放电电路。如图系统在每个输入端口都接有一个保险丝保护系统过流，在保险丝之后又接有瞬变电压抑制二极管进行过压保护电路设计，为整个系统提供适合工作电压的电源，过压保护电路在当系统遭遇雷击时可以有效保护系统。所述防倒灌控制电路3包括MOS管Q1、晶体管U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，其中MOS管的Q1漏极与晶体管U1的1脚相连，MOS管的Q1栅极与晶体管U1的3脚相连，MOS管的Q1源极与晶体管U1的3和电阻R7的一端脚相连，晶体管U1的6脚与R4一端、R5的一端和R6的一端相连，晶体管U1的2脚与R5的一端相连，晶体管U1的5脚与R6的一端相连，R4的一端与R7的一端相连到电源的GND,此电路应用镜像电流源原理改进成为简易的比较器，当Q1的漏极电压大于源极电压时，MOS管导通，当Q1的漏极电压小于源极电压时，MOS管停止导通，可以防止电流倒灌给太阳能光伏电池1而使太阳能光伏电池1损坏，此方式和传统的二极管防倒灌相比，压降仅为传统的二极管的十分之一，例如，新型大电流低压降肖特基的压降约为0.3V，而此发明使用的MOS管做防倒灌时的压降为0.03V，当电流为5A时，用肖特基作为防倒灌设计时损耗约为5(A)*0.3(V)＝1.5W,而使用MOS管的损耗为5(A)*0.03(V)＝0.15W，因此此发明使用的MOS管做防倒灌大大减少损耗从而提高总体效率。

可控降压电路包括MOS管Q2、电感L1、二极管D2、二极管D3、电容CT2、晶体管Q6、晶体管Q8、电阻R3、电阻R1、电阻R8、电阻R11，其各器件连接如图所示，此处不再赘述；主控制器12的PWM输出引脚控制晶体管Q8的开关再而控制晶体管Q6的开关最后控制Q2的开关来实现对可控降压电路的控制，主控制器12通过对电池电压及充电电流的读取，而调整PWM波的占空比来调制充电电流，实现最大功率点跟踪实现对电池进行高效的充电，因而最大限度的利用太阳能光伏电池1产生的电能对锂电池进行充电；当系统刚上电时，主控制器12将即刻判断电池电压，当判断电池未充满可以充电时，可控降压电路将迅速把输出电压控制在比电池电压高三点多伏特的电压给电池充电，再用扰动跟踪算法，通过轻微改动PWM的占空比而改变充电电流，实时通过多次更改PWM的占空比取得到最大的充电电流的点进行，从而实现最大功率点跟，充分利用太阳能。

电池放电控制电路包括MOS管Q4、MOS管Q5、晶体管U3、晶体管Q9、电阻R2、电阻R9、电阻R12、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21，其各器件连接如图所示，此处不再赘述；主控制器12通过电阻R12控制晶体管O9的开关从而控制Q4的开关，最终控制电池放电，主控制器12通过实时对电池电压的采集而进行合理放电管理，例如当单节锂电池电压小于2.8V时，系统将停止对锂电池放电，因而有效保护电池不会过充过放，使锂电池有更长的使用寿命；MOS管Q5、晶体管U3、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电阻R21组成的理想二极管防倒灌电路用于防止VCC电流倒灌给电池而造成不可控的损坏。图2中的DC-DC电路使比较成熟的稳压电路，在此不多做赘述。

图3为电池电压检测及电池平衡充原理图，其单节锂电池电压采集电路包括运放U8、电阻R40、电阻R41、电阻R46、电阻R47、电阻R39，其各器件连接如图所示，此处不再赘述，其组成的减法器电路使主控制器12能精确读取锂电池两端电压；其单节锂电池平衡充电路包括MOS管Q12、晶体管Q15、电阻R42、电阻R37、电阻R49、电阻R48，其各器件连接如图所示，此处不再赘述,主控制器12在锂电池组5充时对每节电池进行实时的电压读取，当读取到其中某节电压高于其它电池的1％时，系统开启平衡充模式，通过MOS管将电压过高的电池旁路掉，电池较低的电池将继续充电，待所有电池电压误差小于0.6％时，平衡充模式停止，此为主动平衡充，较传统的充满再做旁路的做法，此电路使电池组内各电池的电压实时均衡，传统单节锂电池充满再平衡还是会使电池稍微过充，因此此实时均衡充使锂电池拥有更长的使用寿命。

图4为电源输入电压欠压判断电路原理图，其包括比较器U7、电阻R43、电阻R33、电阻R44、电阻R34、电阻R38，其各器件连接如图所示，此处不再赘述，此电路在电源输入电压小于14V时，迅速会给主控制器12一个欠压信号，主控制器12通过芯片的外部中断引脚读取信号并迅速读取后开启电池放电，保证系统电源的稳定输出。

图5为可控电源输出电路原理图，其中一路可控电源输出电路包括MOS管Q11、电阻R31、电阻R32、电阻R35、晶体管Q13，其各器件连接如图所示，此处不再赘述，主控制器12通过此电路可以根据系统要求通过电阻R35的开关从而控制MOS管Q11的开关再而控制电源输出；其输出电流监控电路包括电流检测芯片U6、电阻R30、电阻R36，其各器件连接如图所示，此处不再赘述，当主控制器12读取到输出电流超出设定的值时，主控制器12将断开电源输出，保证系统的稳定。

图6为内部温度采集模块8原理图。其包括热敏电阻R80、电阻R81、电阻R79，其各器件连接如图所示，此处不再赘述，主控制器12通过此电路可以读取电源管理系统内部的温度，当读取到电源管理系统内部的温度超过设定温度值时将会把故障发给服务器，并进入休眠模式，保护整个电源管理系统不会由于工作在过高的温度环境下而遭到损坏。

图7为存储器7原理图，其包括存储器7U12、电阻R82、电阻R78，其各器件连接如图所示，此处不再赘述，主控制器12可以把外部发过来的指令通过SCL引脚和SDA引脚存放在存储器7内，例如外部设备发过来的指令要求每天九点钟开启A路电源输出时，主控通过主内部的定时器定时，当过后的每天九点钟，主控将开启A路电源输出。

其次主控制器12通过串口与GPRS、GSM、3G或4G等远程传输模块9进行远程数据实时传输，可实现其他系统远程对此系统的状态进行读取并且对此系统的输出进行控制，当系统出现较严重的故障例如电池损坏(除远程传输模块9)且系统有电输入时，系统将主动把故障信息发送给管理员，使管理员知道有什么故障，从而有效处理故障；主控制器12通过远程传输模块9定时向服务器发送心跳，当服务器多次没收到设备心跳且在此之前没有收到设备发送电池电压不足的信息时，服务器将认为此设备的通讯模块损坏，并将此信息发给管理员，通知管理员进行维修处理，使整个系统设备的维修更加方便。主控制器12通过通讯接口可以对接到其他设备系统，使其它设备系统可以灵活使用本太阳能不间断电源管理系统。当设备刚装上和维护时主控制器12还可以通过人机交互模块显示系统每节电池电压、太阳能板电压、实际充电电流、电池充满状态、当前环境温度、放电电流、电池是否损坏等基本状态，方便调试及维修人员了解设备的基本状态，方便本太阳能不间断电源管理系统的调试和维护。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种太阳能不间断电源管理系统，其特征在于：包括主控制器、太阳能光伏电池、过流过压保护电路、防倒灌控制电路、输入欠压判断电路、最大功率点跟踪及电池充放电管理、锂电池组、电池电压采集及平衡充电路和多路输出控制电路；

2.根据权利要求1所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，所述防倒灌控制电路包括MOS管Q1、晶体管U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，其中MOS管的Q1漏极与晶体管U1的1脚相连，MOS管的Q1栅极与晶体管U1的3脚相连，MOS管的Q1源极与晶体管U1的3和电阻R7的一端脚相连，晶体管U1的6脚与R4一端、R5的一端和R6的一端相连，晶体管U1的2脚与R5的一端相连，晶体管U1的5脚与R6的一端相连，R4的一端与R7的一端相连到电源的GND。

3.根据权利要求1所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，所述最大功率点跟踪及电池充放电管理包括可控降压电路、电池放电控制电路和电池MPPT充电；所述可控降压电路包括MOS管Q2、电感L1、二极管D2、二极管D3、电容CT2、晶体管Q6、晶体管Q8、电阻R3、电阻R1、电阻R8和电阻R11；所述电池放电控制电路包括MOS管Q4、MOS管Q5、晶体管U3、晶体管Q9、电阻R2、电阻R9、电阻R12、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电阻R21。

4.根据权利要求1所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，所述多路输出控制电路包括多个可控电源输出电路，所述可控电源输出电路包括MOS管Q11、电阻R31、电阻R32、电阻R35和晶体管Q13。

5.根据权利要求1所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，所述输入欠压判断电路包括比较器U7、电阻R43、电阻R33、电阻R44、电阻R34和电阻R38。

6.根据权利要求1所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，所述电池电压采集及平衡充电路包括电池电压采集电路和电池平衡充电路；所述电池电压采集电路包括运放U8、电阻R40、电阻R41、电阻R46、电阻R47和电阻R39；所述电池平衡充电路包括MOS管Q12、晶体管Q15、电阻R42、电阻R37、电阻R49和电阻R48。

7.根据权利要求1所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，还包括温度采集模块，所述温度采集模块与所述主控制器电连接，用于采集温度信息。

8.根据权利要求7所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，还包括所述温度采集模块包括热敏电阻R80、电阻R81和电阻R79。

9.根据权利要求1所述的太阳能不间断电源管理系统，其特征在于，还包括存储器、远程传输模块、人机交换模块和通讯接口模块，所述存储器、所述远程传输模块、所述人机交换模块和所述通讯接口模块均与所述主控制器电连接。