CN107800184B - 一种用于小型12v光伏应用系统的准mppt充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，包括可控DC‑DC电路、光伏板、直连充电电路、数字变阻器一、DC‑DC电路输出端电流信号采样处理电路、单片机、蓄电池、数字变阻器二、控制DC‑DC电路的集成芯片、电压跟随器一、下阻一、电压跟随器二、数字变阻器二、和下阻二。本发明的有益效果：本发明能够提高充电电流，加快充电过程，缩小原系统的光伏板面积或其发电功率数，节省成本，同时本发明具有结构简单的优点。

Description

一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置

技术领域

本发明涉及充电装置技术领域，具体来说，涉及一种小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置。

背景技术

目前小型12V独立光伏应用系统常见有太阳能路灯、由太阳能供电的测量站、太阳能家庭照明系统等，主要结构部分由光伏板、密封阀控式铅酸蓄电池(以下简称蓄电池)、PWM式太阳能充电控制器和负载组成。

目前，小型12V独立光伏应用系统的充电方案一般采用PWM方案，比如专利申请号：200810058103.8名称为PWM方式充电的光控定时双路输出太阳能路灯控制器的发明专利就是一种典型的PWM方案。

这种PWM方案把光伏板正极和密封阀控式铅酸蓄电池(以下简称蓄电池)正极相连，在光伏板负极和蓄电池负极之间串接N沟通场效应管，用PWM方波控制场效应管通断，在场效应管导通时，也把光伏板输出电压“拖到”蓄电池端电压上，光伏板并没有工作在最大功率点上，并没有将光伏板此时最大的发电功率输送给蓄电池，后来出现MPPT充电方案，可以让光伏板工作在最大功率点上，用一个DC-DC电路(直流到直流变换电路)的两端分别连接光伏板和蓄电池，从而使输给蓄电池的功率(电流)比PWM方式多，以加快充电进程，或者可以减小原光伏应用系统中配置的光伏板功率。

但是常规MPPT技术较复杂，成本较高，散热片体积大等特点，应用于小型12V光伏应用系统并不常见。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，包括可控DC-DC电路，所述可控DC-DC电路的正输入端分别连接光伏板的正极、直连充电电路的一端和数字变阻器一的上端，所述可控DC-DC电路的正输出端分别连接直连充电电路的2引脚和DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路的输入端，所述直连充电电路的1引脚连接单片机的2引脚，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路的输出端分别连接蓄电池的正极和数字变阻器二的上端，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路还连接有单片机的AD转换部分的3引脚，所述可控DC-DC电路还连接有控制DC-DC电路的集成芯片，所述控制DC-DC电路的集成芯片的1引脚分别连接电压跟随器一的信号入口、数字变阻器一的下端和下阻一的上端，所述控制DC-DC电路的集成芯片的2引脚分别连接电压跟随器二的信号入口、数字变阻器二的下端和下阻二的上端，所述电压跟随器一的信号出口连接单片机的AD转换部分的5引脚，所述电压跟随器二的信号出口连接单片机的AD转换部分的4引脚，所述单片机的1引脚与数字变阻器二通信连接，所述单片机的6引脚与数字变阻器一通信连接，所述可控DC-DC电路的负输入端、可控DC-DC电路的负输出端、光伏板的负极、下阻一的下端、下阻二的下端、蓄电池的负极和直连充电电路的输出负极均接地。

进一步的，所述单片机的1引脚通过通信总线与数字变阻器二连接。

优选的，所述单片机的6引脚通过通信总线与数字变阻器一连接。

进一步的，所述单片机的2引脚通过直连充电控制线与直连充电电路的1引脚连接。

进一步的，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路内设有采样电阻。

进一步的，所述控制DC-DC电路的集成芯片的型号为CN3722或bq24650。

本发明的有益效果：本发明能够提高充电电流，加快充电过程，缩小原系统的光伏板面积或其发电功率数，节省成本，同时本发明具有结构简单的优点。

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是根据本发明实施例所述的一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置的电路框图；

图2是图1的详细电路图；

图中：

1、可控DC-DC电路；2、光伏板；3、DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路；4、控制DC-DC电路的集成芯片；5、直连充电电路；6、蓄电池；7、数字变阻器一；8、数字变阻器二；9、单片机；10、电压跟随器一；11、下阻一；12、电压跟随器二；13、下阻二；14、采样电阻。

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1-2所示，根据本发明实施例所述的一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，其特征在于，包括可控DC-DC电路1，所述可控DC-DC电路1的正输入端分别连接光伏板2的正极、直连充电电路5的一端和数字变阻器一7的上端，所述可控DC-DC电路1的正输出端分别连接直连充电电路5的2引脚和DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路3的输入端，所述直连充电电路5的1引脚连接单片机9的2引脚，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路3的输出端分别连接蓄电池6的正极和数字变阻器二8的上端，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路3还连接有单片机9的AD转换部分的3引脚，所述可控DC-DC电路1还连接有控制DC-DC电路的集成芯片4，所述控制DC-DC电路的集成芯片4的1引脚分别连接电压跟随器一10的信号入口、数字变阻器一7的下端和下阻一11的上端，所述控制DC-DC电路的集成芯片4的2引脚分别连接电压跟随器二12的信号入口、数字变阻器二8的下端和下阻二13的上端，所述电压跟随器一10的信号出口连接单片机9的AD转换部分的5引脚，所述电压跟随器二12的信号出口连接单片机9的AD转换部分的4引脚，所述单片机9的1引脚与数字变阻器二8通信连接，所述单片机9的6引脚与数字变阻器一7通信连接，所述可控DC-DC电路1的负输入端、可控DC-DC电路1的负输出端、光伏板2的负极、下阻一11的下端、下阻二13的下端、蓄电池6的负极和直连充电电路5的输出负极均接地。

在一具体实施例中，所述单片机9的1引脚通过通信总线与数字变阻器二8连接。

在一具体实施例中，所述单片机9的6引脚通过通信总线与数字变阻器一7连接。

在一具体实施例中，所述单片机9的2引脚通过直连充电控制线与直连充电电路5的1引脚连接。

在一具体实施例中，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路3内设有采样电阻14。

在一具体实施例中，所述控制DC-DC电路的集成芯片4的型号为CN3722或bq24650。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的可控的DC-DC电路和控制DC-DC电路的集成芯片是本发明的核心，可控的DC-DC电路的输入端连接光伏板，输出端连接蓄电池，控制DC-DC电路的集成芯片(如CN3722，bq24650等)连接DC-DC电路，并控制它。

本发明所述的数字变阻器一或作为分压网络一的上阻，或作为其下阻，分压网络一的抽头连接到控制DC-DC电路的集成芯片的1引脚(用于控制DC-DC电路输入端电压的反馈基准电压脚)；利用集成芯片的特点，在DC-DC电路输出端电压未达到限定电压前，通过改变数字变阻器一阻值，就可以通过反馈控制，改变DC-DC电路输入端电压。这个技术手段用来变动在小型12V光伏应用系统中的光伏板的输出电压。

本发明所述的DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路连接到可控DC-DC电路的输出端，该电流信号采样处理电路内部包含一个采样电阻，用于提取DC-DC电路输出端充电电流信号，将其变换为电压信号，并放大和滤波，最终输出电流采样信号的直流成分；通过带单片机对该信号直流成分的AD转换，在单片机软件上，可以记录并可比较充电电流大小。

本发明所述的数字变阻器一通过通信总线连接到单片机，通过单片机对数字变阻器一的通信控制，数字变阻器一可以变动阻值。

在本发明的单片机软件上，通过线性地变动数字变阻器一阻值，进而扫描光伏板整个输出电压范围，在单片机软件上记录并比较每次变动后输送给蓄电池的充电电流，直到找到在这次扫描过程中的最大充电电流，同时也找到此时的光伏板输出电压，就可认为光伏板输出功率处在最大功率点。这种寻找过程需在短时间内完成，在这段时间内，环境温度和光照强度变化不大。可控DC-DC电路效率可假定不变，蓄电池电压可假定不变。因此能够找到这个短时间内的最大充电电流，也就可以认为光伏板输出功率处在最大功率点。本发明以此结构简单为主要特点。

本发明增设直连充电电路，直连充电电路跨接可控DC-DC电路，在单片机控制下，直连充电电路可取消可控DC-DC电路的直流变换功能，直接将光伏板的正极与蓄电池的正极相连；光伏板的负极与负极相连。当直连充电电路不起作用时，可控DC-DC电路恢复直流变换功能。因为在气温高时，或者光线弱时，光伏板的最大功率点处的电压偏低，这样经过可控DC-DC电路的直流变换后，输送给蓄电池的电流还没有直连充电时的多，因此须切换到直连充电。

本发明所述的直连充电电路与单片机通过直连充电控制线相连。

本发明所述的数字变阻器二或作为分压网络二的上阻，或作为下阻，分压网络二的抽头连接到控制DC-DC电路的集成芯片的2引脚(用于控制DC-DC电路输出端限定电压的反馈基准电压脚)。利用集成芯片的特点，通过改变数字变阻器二阻值，来设定可控DC-DC电路输出端限定电压，当蓄电池电压经充电上升到此限定电压时，就可以通过反馈控制，将蓄电池电压限定到此电压来充电。这个技术手段用在给蓄电池充电的恒压充电阶段。

本发明所述的数字变阻器二通过通信总线连接到单片机，通过单片机对数字变阻器二的通信控制，数字变阻器二可以变动阻值。

本发明所述的控制DC-DC电路的集成芯片的1引脚(用于控制DC-DC电路输入端电压的反馈基准电压信号)和2引脚(用于控制DC-DC电路输出端限定电压的反馈基准电压信号)分别通过电压跟随器连接到带AD转换功能的单片机，以防止因阻抗匹配因素导致的信号衰减问题。这样，在单片机软件上，可以准确获知这两种信号的数值，从而单片机可通过数字变阻器一或数字变阻器二准确设定DC-DC电路输入端电压或者DC-DC电路输出端限定电压。

本发明的一个具体实施方式如下：

如图2所示，设计思路以CN3722及其控制的BUCK电路(BUCK电路是一种DC-DC电路)为核心，CN3722是一个专用的具备太阳能电池最大功率点跟踪技术的蓄电池充电管理集成电路，由它控制一个BUCK电路。

BUCK电路由C1、Q1、D2、L1、C6组成，D1是对光伏板的防反充电二极管。

为了实现最大化充电电流充电阶段，CN3722的MPPT脚连接到分压网络一的抽头上，分压网络一由R8、MCP42050的数字变阻器一、R3组成。根据CN3722以及它所控制的BUCK电路的特点，在BUCK电路输出端电压未达到限定电压前，通过变动数字变阻器一的阻值，就可以变动光伏板的输出电压Vpvout。其关系式如下：

上式中的1.04是CN3722的MPPT脚在环境温度25℃时的基准电压值。在以线性地变动光伏板输出电压Vpvout过程中，通过BUCK电路输出端电流信号采样处理电路以及带AD转换功能的单片机，在软件上记录并比较每次变动后输送给蓄电池的充电电流，通过步进扫描光伏板各个输出电压，找到最大充电电流时光伏板的输出电压Vpvout-mppt，以及相应的数字变阻器二的阻值，并在随后一段时间保持这个光伏板输出电压Vpvout-mppt。

这种寻找过程要在500ms以内完成，因为在这么短的时间内，环境温度和光照强度才没有变化。这种准MPPT算法有别于常规MPPT跟踪算法，理论上是行的通的，因为这段时间内BUCK效率可假定不变，蓄电池电压可假定不变。能够找到这个时间内的最大充电电流，也就可以认为光伏板输出大致在最大功率点处。

增加直连充电电路，此电路由Q2和直连控制电路组成，Q2跨接在Q1上，直连控制电路由R9、R10、Q3、R11组成。由于当环境温度高时，或者阳光弱时都会导致光伏板的最大功率点处电压降低，经BUCK电路变换出来的充电电流可能还没有直连方式的多(因为输入电压与输出电压比值下降，并且BUCK也只有90％的转换效率)，这时就要换成直连充电。Q2导通时将短路Q1，由于光伏板充电电流一般变化频率不大，电感L1的影响不大，所以仍可视为直连充电。单片机STC15W404AS发出直连控制信号通过直连控制电路控制Q2导通。

CN3722的FB脚连接到分压网络二的抽头上，分压网络二有R7、MCP42050数字变阻器二、R6组成。根据CN3722以及它所控制的BUCK电路的特点，通过变动数字变阻器二阻值，可以变动蓄电池的充电限制电压Vlmt。其关系式：

注：2.416是CN3722的FB脚基准电压值，通过设置Vlmt，实现恒压充电，可以防止对蓄电池过充电。

输出端电流信号采样处理电路由采样电阻Rcs、MAX4173F和R12、R13、C9、LM324/C、C10组成的有源二阶滤波器构成。它提取采样电阻Rcs上的随流经电流而按一定比例而形成的微弱电压信号，并放大和滤波，得到信号里的直流成分。并将该信号引到单片机AD转换器，用于获知当前充电电流大小。

只有直流成分才能反映充电效率，因为对蓄电池来说，流经它的直流电流才对蓄电池充电效果有意义，流经蓄电池的交流电流对蓄电池充电效果没有意义，因为交流电流若正半周流过电池充电，负半周流出电池放电，正负相抵消，对蓄电池充电效果没有意义。

CN3722的MPPT脚电压信号经过电压跟随器LM324/A引到单片机STC15W404AS的AD转换器，用于获知当前MPPT脚基准电压值，以便单片机决定设置数字变阻器一初值。这是因为光伏板输出电压扫描变动范围定于15V-22V，而环境温度变化和CN3722芯片温度变化引起的MPPT脚基准电压值的变化范围从0.9V到1.18V，故设置的数字变阻器一的初值也需变化，设置初值使光伏板输出电压变动扫描从15V开始。

CN3722的FB脚电压信号经过电压跟随器LM324/B引到单片机STC15W404AS的AD转换器，用于获知当前FB脚基准电压值，以便单片机了解在充电的蓄电池端电压，和通过设置数字变阻器二阻值，准确设置蓄电池充电限制电压。

综上所述，本发明能够提高充电电流，加快充电过程，缩小原系统的光伏板面积或其发电功率数，节省成本，同时本发明具有结构简单的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，其特征在于，包括可控DC-DC电路（1），所述可控DC-DC电路（1）的正输入端分别连接光伏板（2）的正极、直连充电电路（5）的一端和数字变阻器一（7）的上端，所述可控DC-DC电路（1）的正输出端分别连接直连充电电路（5）的2引脚和DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路（3）的输入端，所述直连充电电路（5）的1引脚连接单片机（9）的2引脚，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路（3）的输出端分别连接蓄电池（6）的正极和数字变阻器二（8）的上端，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路（3）还连接有单片机（9）的AD转换部分的3引脚，所述可控DC-DC电路（1）还连接有控制DC-DC电路的集成芯片（4），所述控制DC-DC电路的集成芯片（4）的1引脚分别连接电压跟随器一（10）的信号入口、数字变阻器一（7）的下端和下阻一（11）的上端，所述控制DC-DC电路的集成芯片（4）的2引脚分别连接电压跟随器二（12）的信号入口、数字变阻器二（8）的下端和下阻二（13）的上端，所述电压跟随器一（10）的信号出口连接单片机（9）的AD转换部分的5引脚，所述电压跟随器二（12）的信号出口连接单片机（9）的AD转换部分的4引脚，所述单片机（9）的1引脚与数字变阻器二（8）通信连接，所述单片机（9）的6引脚与数字变阻器一（7）通信连接，所述可控DC-DC电路（1）的负输入端、可控DC-DC电路（1）的负输出端、光伏板（2）的负极、下阻一（11）的下端、下阻二（13）的下端、蓄电池（6）的负极和直连充电电路（5）的输出负极均接地；

所述单片机（9）的6引脚通过通信总线与数字变阻器一（7）连接；

所述控制DC-DC电路的集成芯片（4）的型号为CN3722。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，其特征在于，所述单片机（9）的1引脚通过通信总线与数字变阻器二（8）连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，其特征在于，所述单片机（9）的2引脚通过直连充电控制线与直连充电电路（5）的1引脚连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于小型12V光伏应用系统的准MPPT充电装置，其特征在于，所述DC-DC电路输出端电流信号采样处理电路（3）内设有采样电阻（14）。

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