CN107707010A - 一种光伏充电电路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏充电电路系统，包括充电电池组、太阳能光伏板、充电单元、逆变单元、信号采集单元、电平转换单元以及控制芯片，所述逆变单元包括两个第一开关管组，所述控制芯片与充电单元相连，所述控制芯片输入端与信号采集单元输出端相连，所述控制芯片输出端分别通过电平转换单元与逆变单元中第一开关管组控制端相连。本发明所述控制芯片通过电平转换单元与逆变单元中第一开关管组的控制端相连，以提高控制芯片对第一开关管组的驱动能力，从而提高控制芯片与各种型号开关管的兼容性，降低电路设计过程中开关管的选型难度。本发明用于利用太阳能实现对充电电池进行充电以及实现交流电输出。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路系统，更具体地说涉及一种应用于太阳能充电领域的光伏充电电路系统。
背景技术
21世纪的今天，世界上各个国家都面临着能源资源的危机，石油煤炭等常规资源日益减少，因此各个国家都将目光投向了风能太阳能等可再生资源，如何将可再生能源高效地转换成电能或者其他能直接利用的能量，一直是人们研究的课题。
针对现有可再生能源利用的实际状况，最适合推广利用的就是太阳能，常规利用太阳能的方法，就是利用光生伏特效应，将光能转换成电能，再对充电电池进行充电，存储电能。
但是现在光伏系统已经不仅限于利用太阳能进行充电了，还包括将充电电池的直流输出转换成交流220V输出，直接对家用电器等设备供电，即将充电模块以及逆变模块组合在一起，能够大大地节省空间。
传统技术中，为了降低充电模块的输出电压的要求，所述的充电电池设有多个，且充电电池都是低输出电压的，将多个充电电池并联使用组成充电电池组，但是此时，在逆变模块中就需要利用开关管将充电电池组输出的直流电转换成交流电，再通过变压器升压，才得以使用；目前技术中常用开关控制芯片或者智能控制芯片对开关管进行导通或截止的开关控制，但是这种控制的方式存在其缺陷，就是开关控制芯片或者智能控制芯片的输出端电压有一定限制，对应某些开关管来说难以驱动，即现有的开关控制芯片或者智能控制芯片驱动能力有所欠缺，导致在设计过程中难以根据实际需求选择最为合适的开关管。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种配置有较大开关管驱动能力的光伏充电电路系统。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种光伏充电电路系统，包括充电电池组和太阳能光伏板，本发明创造还包括：
充电单元：将太阳能光伏板输入的电参数，转换成与充电电池组充电参数相匹配的电参数，并输出到充电电池组输入端；
逆变单元：将充电电池组输出的直流电转换成工频220V交流电输出；
信号采集单元：采集所述充电单元以及逆变单元电参数模拟信号；
电平转换单元：将输入的低电平信号转换成高电平信号并输出；
以及控制芯片；
所述逆变单元包括两个第一开关管组，所述控制芯片与充电单元相连，所述控制芯片输入端与信号采集单元输出端相连，所述控制芯片输出端分别通过电平转换单元与逆变单元中第一开关管组控制端相连，以控制两个第一开关管组分别导通与截止，实现输入的直流电转变成交流电。
作为上述技术方案的进一步改进，本发明创造还包括辅助电源单元，所述辅助电源单元输入端与充电单元相连，所述辅助电源模块输出端为各电路单元供电，所述辅助电源模块被配置为将输入的电压转换成15V、12V、5V、3.3V中其中一种或多种。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电平转换单元设有两个，所述电平转换单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、三极管Q1、三极管Q2、电容C1以及二极管D1，所述三极管Q1发射极接地，所述三极管Q1基极通过串联的电阻R1和电阻R2与辅助电源单元输出端相连，所述电容C1并联在电阻R2两端，所述三极管Q1集电极通过电阻R3与辅助电源单元输出端相连，所述三极管Q2基极与三极管Q1集电极相连，所述三极管Q2集电极与辅助电源单元输出端相连，所述二极管D1正极与三极管Q2发射极相连，二极管D1负极与三极管Q2基极相连，两个电平转换单元中三极管Q2发射极分别与逆变单元中的两个第一开关管组控制端相连，所述控制芯片输出端接在电阻R1与电阻R2之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述逆变单元包括升压模块、整流模块以及DC-AC模块，所述升压模块被配置为将输入的低压直流电转变成高压高频交流电，所述DC-AC模块被配置为将输入的直流电转变成工频220V交流电，所述充电电池组与升压模块输入端相连，所述升压模块输出端通过整流模块与DC-AC模块输入端相连，所述第一开关管组设置在升压模块上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述DC-AC模块包括两个第一开关组件和两个第二开关组件，所述第一开关组件和第二开关组件组成全桥式逆变器拓扑电路结构，所述控制芯片输出端分别与第一开关组件和第二开关组件控制端相连，所述两个第一开关组件均通过整流模块与升压模块输出端相连。
作为上述技术方案的进一步改进，所述升压模块包括高频变压器，所述每个第一开关管组均设有3个MOS管，同一开关管组中3个MOS管的栅极、源极以及漏极均连接在一起，所述电平转换单元输出端与各个MOS管的栅极相连，两个第一开关管组的各个MOS管源极均接地，两个第一开关管组的MOS管漏极分别与高频变压器初级绕组两端相连，所述充电电池组输出端与高频变压器初级绕组中间点相连，所述高频变压器次级绕组与整流模块相连。
作为上述技术方案的进一步改进，所述充电单元包括型号为TLP250的开关管驱动芯片。
作为上述技术方案的进一步改进，所述辅助电源单元包括型号为XL1509的降压开关芯片。
作为上述技术方案的进一步改进，所述信号采集单元包括电压采集模块以及电流采集模块；所述电压采集模块包括电阻R4、电阻R5以及电容C2，所述电阻R4和电阻R5串联在太阳能光伏板输出端与地之间，所述电容C2与电阻R5并联，所述控制芯片输入端接在电阻R4和电阻R5之间；所述电流采集模块包括运算放大器A1、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C3以及电容C4，所述运算放大器A1同相输入端分别通过电阻R6与电阻R7与地相连，反相输入端通过电阻R8与太阳能光伏板输出端相连，所述电阻R9两端分别与运算放大器A1反相输入端与输出端相连，所述运算放大器A1输出端先后通过电阻R10与电容C3接地，所述控制芯片输入端接在电阻R10与电容C3之间。
本发明的有益效果是：本发明所述控制芯片通过电平转换单元与逆变单元中用于实现直流电转交流电的第一开关管组的控制端相连，电平转换单元将输入的低电平信号转换成高电平信号输出，以提高控制芯片对第一开关管组的驱动能力，从而提高控制芯片与各种型号开关管的兼容性，降低电路设计过程中开关管的选型难度。本发明用于利用太阳能实现对充电电池进行充电以及实现交流电输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本发明电路系统的模块框架图；
图2是本发明电平转换单元实施例原理图；
图3是本发明逆变单元中升压模块以及整流模块实施例原理图；
图4是本发明逆变单元DC-AC模块实施例原理图；
图5是本发明充电单元的实施例原理图；
图6是本发明信号采集单元中电压采集模块以及电流采集模块的实施例原理图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指元件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接元件，来组成更优的电路结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1～图6，本发明创造公开了一种光伏充电电路系统，所述系统利用太阳能光伏板对充电电池组进行充电，同时还将充电电池组的直流输出转变成交流输出，其中所述充电电池组是有多个低电压充电电池并联形成的。本发明创造包括：
充电单元：将太阳能光伏板输入的电参数，转换成与充电电池组充电参数相匹配的电参数，并输出到充电电池组输入端；
逆变单元：将充电电池组输出的直流电转换成工频220V交流电输出；
信号采集单元：采集所述充电单元以及逆变单元电参数模拟信号；
电平转换单元：将输入的低电平信号转换成高电平信号并输出；
以及控制芯片，所述控制芯片根据信号采集单元所采集的充电单元以及逆变单元电参数模拟信号，结合内置的程序算法，实时控制充电单元对充电电池组的充电功率以及控制逆变单元放电功率；
所述逆变单元包括两个第一开关管组，所述控制芯片与充电单元相连，所述控制芯片输入端与信号采集单元输出端相连，所述控制芯片输出端分别通过电平转换单元与逆变单元中第一开关管组控制端相连，以控制两个第一开关管组分别导通与截止，实现输入的直流电转变成交流电。
具体地，本发明所述控制芯片通过电平转换单元与逆变单元中用于实现直流电转交流电的第一开关管组的控制端相连，电平转换单元将输入的低电平信号转换成高电平信号输出，以提高控制芯片对第一开关管组的驱动能力，从而提高控制芯片与各种型号开关管的兼容性，降低电路设计过程中开关管的选型难度。本发明用于利用太阳能实现对充电电池进行充电以及实现交流电输出。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中还包括辅助电源单元，所述辅助电源单元被配置为将太阳能光伏板输入的电压或者充电单元的输入电压转换成较低电压值输出，用于对电路系统中各个单元进行供电，当然实际上其实也可以直接利用充电电池组对电路系统中各个单元进行供电，但是缺陷在于充电电池组的输出功率较高，无法直接对运行功率较低的电路单元进行供电，其次，万一充电电池组本身并没有电量储存，即使太阳能光伏板有电压输出，由于充电单元也无法对充电电池组进行充电。具体地本发明具体实施方式中所述辅助电源单元输入端与充电单元相连，所述辅助电源模块输出端为各电路单元供电，所述辅助电源模块被配置为将输入的电压转换成15V、12V、5V、3.3V中其中一种或多种。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施例中，所述电平转换单元设有两个，所述电平转换单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、三极管Q1、三极管Q2、电容C1以及二极管D1，所述三极管Q1发射极接地，所述三极管Q1基极通过串联的电阻R1和电阻R2与辅助电源单元输出端相连，所述电容C1并联在电阻R2两端，所述三极管Q1集电极通过电阻R3与辅助电源单元输出端相连，所述三极管Q2基极与三极管Q1集电极相连，所述三极管Q2集电极与辅助电源单元输出端相连，所述二极管D1正极与三极管Q2发射极相连，二极管D1负极与三极管Q2基极相连，两个电平转换单元中三极管Q2发射极分别与逆变单元中的两个第一开关管组控制端相连，所述控制芯片输出端接在电阻R1与电阻R2之间。参照图2，常规的控制芯片的输出电压一般是5V以下，难以驱动绝大部分的开关管，因此本发明需要配置电平转换单元以提高控制芯片的驱动能力。当控制芯片输出高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2截止，电平转换单元向第一开关管组输出低电平，当控制芯片输出低电平时，三极管Q1截止，三极管Q2导通，电平转换单元向第一开关管组输出12V高电平。
进一步作为优选的实施方式，为降低本系统中所述逆变单元的损耗功率。具体地，参照图3和图4，本发明创造具体实施例中，所述逆变单元包括升压模块、整流模块以及DC-AC模块，所述升压模块被配置为将输入的低压直流电转变成高压高频交流电，所述DC-AC模块被配置为将输入的直流电转变成工频220V交流电，所述充电电池组与升压模块输入端相连，所述升压模块输出端通过整流模块与DC-AC模块输入端相连，所述第一开关管组设置在升压模块上。本发明创造中所述升压模块包括两个第一开关管组以及带中心抽头的高频变压器T1，所述控制芯片输出端分别通过电平转换单元与第一开关管组的控制端相连，所述控制芯片以高频脉冲信号控制两个第一开关管组的推挽导通，使充电电池组输出的直流电转变成高频的交流电，再输入到高频变压器T1初级绕组，在高频变压器T1次级绕组输出高压高频的交流电，在通过整流模块输入到DC-AC模块输入端，经DC-AC模块输出工频220V交流电。本发明创造如此设计，目的在于降低第一开关管组的开关损耗，同时减少实际应用中的高频变压器T1体积。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述DC-AC模块包括两个第一开关组件和两个第二开关组件，所述第一开关组件和第二开关组件组成全桥式逆变器拓扑电路结构，所述控制芯片输出端分别与第一开关组件和第二开关组件控制端相连，所述两个第一开关组件均通过整流模块与升压模块输出端相连。具体地，本发明创造中所述控制芯片单位时间内只能使其中一个第一开关管组和第二开关管组导通，下一个单位时间内使另一个第一开关管组和第二开关管组导通，两个单位时间内的负载电流方向相反。
进一步，本发明创造具体实施例中，所述第一开关组件包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C4、二极管D2、二极管D3以及MOS管M1，所述MOS管M1漏极与整流模块相连，源极与其中一个第二开关组件相连，二极管D2正极与MOS管M1源极相连，负极与MOS管M1栅极相连，MOS管M1栅极通过串联的电阻R11和电阻R12与二极管D3负极相连，二极管D3正极与辅助电源单元输出端相连，电容C4两端分别与二极管D3负极与二极管D2正极相连，电阻D13与电容C4并联；所述第二开关组件包括电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、三极管Q3、三极管Q4、二极管D4以及MOS管M2，所述MOS管M2漏极与MOS管M1源极相连，MOS管M2源极通过电阻R18接地，MOS管M2栅极通过电阻R15和电阻R16与三极管Q3基极相连，三极管Q3基极通过电阻R17接地，三极管Q3发射极接地，三极管Q3集电极接在第一开关组件中电阻R11和电阻R12之间，MOS管M2栅极与二极管D4正极相连，二极管D4负极通过电阻R14与辅助电源单元相连，二极管D4负极接在电阻R15和电阻R16之间，三极管Q4发射极接地，三极管Q4基极与控制芯片输出端相连，三极管Q4集电极接在二极管D4负极相连。具体地，本发明创造中所述控制芯片通过在三极管Q4基极输入控制信号，从而控制第一开关组件和第二开关组件的导通和截止；当控制芯片输出端向其中一个第二开关组件中三极管Q4基极输出高电平时，MOS管M2截止，MOS管M1导通，对于另外一个第二开关组件的三极管Q4基极则是输出低电平。本发明只需利用控制芯片中其中两个输出端口，即可同时实现对4个开关组件进行控制，节省控制芯片的硬件资源。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施例中，所述升压模块包括高频变压器，所述每个第一开关管组均设有3个MOS管，同一开关管组中3个MOS管的栅极、源极以及漏极均连接在一起，所述电平转换单元输出端与各个MOS管的栅极相连，两个第一开关管组的各个MOS管源极均接地，两个第一开关管组的MOS管漏极分别与高频变压器初级绕组两端相连，所述充电电池组输出端与高频变压器初级绕组中间点相连，所述高频变压器次级绕组与整流模块相连，设置3个MOS管目的在于提高流通第一开关管组的极限电流，将流通的总电流分摊到3个MOS管上，也能相应地提高第一开关管组的使用寿命。
进一步作为优选的实施方式，参照图5，本发明创造具体实施方式中，所述充电单元包括型号为TLP250的开关管驱动芯片U1，本实施例实用降压型开关电路拓扑结构，输出与充电电池组充电参数相匹配的电压电流。具体地，所述控制芯片输出端向开关管驱动芯片U1输入开关脉冲信号，经开关管驱动芯片U1的内部电路处理后，再输入到降压型开关电路拓扑结构中开关管的控制端，以提高控制芯片对开关管的驱动能力。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述辅助电源单元包括型号为XL1509的降压开关芯片，所述型号的降压开关芯片是一个150KHz固定频率脉宽调制降压型DC-DC转换器。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述信号采集单元包括电压采集模块以及电流采集模块；所述电压采集模块包括电阻R4、电阻R5以及电容C2，所述电阻R4和电阻R5串联在太阳能光伏板输出端与地之间，所述电容C2与电阻R5并联，所述控制芯片输入端接在电阻R4和电阻R5之间；所述电流采集模块包括运算放大器A1、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C3以及电容C4，所述运算放大器A1同相输入端分别通过电阻R6与电阻R7与地相连，反相输入端通过电阻R8与太阳能光伏板相连，所述电阻R9两端分别与运算放大器A1反相输入端与输出端相连，所述运算放大器A1输出端先后通过电阻R10与电容C3接地，所述控制芯片输入端接在电阻R10与电容C3之间。具体地，现有的太阳能充电系统中实用MPPT(最大功率点跟踪)算法，该算法需要以太阳能光伏板输出的电压电流信号为依据，因此所述信号采集单元需要配置电压采集模块和电流采集模块以采集太阳能光伏板的输出电参数。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种光伏充电电路系统，包括充电电池组和太阳能光伏板，其特征在于，还包括：
充电单元：将太阳能光伏板输入的电参数，转换成与充电电池组充电参数相匹配的电参数，并输出到充电电池组输入端；
逆变单元：将充电电池组输出的直流电转换成工频220V交流电输出；
信号采集单元：采集所述充电单元以及逆变单元电参数模拟信号；
电平转换单元：将输入的低电平信号转换成高电平信号并输出；
以及控制芯片；
所述逆变单元包括两个第一开关管组，所述控制芯片与充电单元相连，所述控制芯片输入端与信号采集单元输出端相连，所述控制芯片输出端分别通过电平转换单元与逆变单元中第一开关管组控制端相连。
2.根据权利要求1所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：还包括辅助电源单元，所述辅助电源单元输入端与充电单元相连，所述辅助电源模块输出端为各电路单元供电，所述辅助电源模块被配置为将输入的电压转换成15V、12V、5V、3.3V中其中一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：所述电平转换单元设有两个，所述电平转换单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、三极管Q1、三极管Q2、电容C1以及二极管D1，所述三极管Q1发射极接地，所述三极管Q1基极通过串联的电阻R1和电阻R2与辅助电源单元输出端相连，所述电容C1并联在电阻R2两端，所述三极管Q1集电极通过电阻R3与辅助电源单元输出端相连，所述三极管Q2基极与三极管Q1集电极相连，所述三极管Q2集电极与辅助电源单元输出端相连，所述二极管D1正极与三极管Q2发射极相连，二极管D1负极与三极管Q2基极相连，两个电平转换单元中三极管Q2发射极分别与逆变单元中的两个第一开关管组控制端相连，所述控制芯片输出端接在电阻R1与电阻R2之间。
4.根据权利要求1所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：所述逆变单元包括升压模块、整流模块以及DC-AC模块，所述升压模块被配置为将输入的低压直流电转变成高压高频交流电，所述DC-AC模块被配置为将输入的直流电转变成工频220V交流电，所述充电电池组与升压模块输入端相连，所述升压模块输出端通过整流模块与DC-AC模块输入端相连，所述第一开关管组设置在升压模块上。
5.根据权利要求4所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：所述DC-AC模块包括两个第一开关组件和两个第二开关组件，所述第一开关组件和第二开关组件组成全桥式逆变器拓扑电路结构，所述控制芯片输出端分别与第一开关组件和第二开关组件控制端相连，所述两个第一开关组件均通过整流模块与升压模块输出端相连。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：所述升压模块包括高频变压器，所述每个第一开关管组均设有3个MOS管，同一开关管组中3个MOS管的栅极、源极以及漏极均连接在一起，所述电平转换单元输出端与各个MOS管的栅极相连，两个第一开关管组的各个MOS管源极均接地，两个第一开关管组的MOS管漏极分别与高频变压器初级绕组两端相连，所述充电电池组输出端与高频变压器初级绕组中间点相连，所述高频变压器次级绕组与整流模块相连。
7.根据权利要求1所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：所述充电单元包括型号为TLP250的开关管驱动芯片。
8.根据权利要求2所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：所述辅助电源单元包括型号为XL1509的降压开关芯片。
9.根据权利要求1所述的一种光伏充电电路系统，其特征在于：所述信号采集单元包括电压采集模块以及电流采集模块；所述电压采集模块包括电阻R4、电阻R5以及电容C2，所述电阻R4和电阻R5串联在太阳能光伏板输出端与地之间，所述电容C2与电阻R5并联，所述控制芯片输入端接在电阻R4和电阻R5之间；所述电流采集模块包括运算放大器A1、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C3以及电容C4，所述运算放大器A1同相输入端分别通过电阻R6与电阻R7与地相连，反相输入端通过电阻R8与太阳能光伏板输出端相连，所述电阻R9两端分别与运算放大器A1反相输入端与输出端相连，所述运算放大器A1输出端先后通过电阻R10与电容C3接地，所述控制芯片输入端接在电阻R10与电容C3之间。
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