CN107979125A - 太阳能辅助充电系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能辅助充电系统，主要针对现有的太阳能充电系统转换的电能利用率低的问题，提出了一种能够提高太阳能利用率的太阳能辅助充电系统，包括主动力电池组、太阳能光伏发电组件和辅助电池组；辅助电池组与太阳能光伏发电组件电连接；主动力电池组通过DC/DC转换器与辅助电池组电连接；辅助充电系统还包括用于控制DC/DC转换器与辅助电池组接通/断开的开关、用于检测辅助电池组电压的检测模块、用于依据辅助电池组电压控制开关通/断的控制模块；开关与DC/DC控制器和辅助电池组串联，检测模块与辅助电池组电连接，检测模块与控制模块通讯连接。本发明能够充分利用太阳能光伏组件转换而来的电能。

Description

太阳能辅助充电系统和控制方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能辅助充电系统。
背景技术
太阳能应用技术其中有两个方面：一、作为主动力；二、用作辅助能源。地面上太阳辐射功率至多1kW/m2，以目前光电转化效率计算，全部用太阳能作为主动力，需要几米至几十米甚至几百平方米的接收面积，在有限的空间显然难以达到。所以，目前太阳能配合蓄电池用作辅助能源是常用的应用模式之一。
动力蓄电池电压一般都较高，达到几百伏，而太阳能组件在有限的空间内应用时，其功率有限，电压一般为几十伏，如果直接将太阳能发电升压后给蓄电池充电，损失较大，太阳能利用率很低，所以，目前太阳能发电在有限的空间内应用时常用来为低压辅助蓄电池和低压电器供电。
由于目前的低压辅助蓄电池与高压动力电池直接通过DC/DC转换器连接，中间并无电气控制元件，只要DC/DC转换器启动后，就一直处于工作状态。所以在有光照且DC/DC转换器启动后，高压动力电池和太阳能会同时给低压辅助蓄电池进行充电，存在竞争关系，且高压动力电池充电能力强，低压辅助蓄电池短时间达到电量饱和状态，太阳能只提供少部分的能量便转入浮充状态，太阳能利用率很低，从而浪费了大量的太阳能发电电能。例如：在电动汽车上应用太阳能电池组件时就存在上述的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种提高太阳能组件利用率的太阳能辅助充电系统。
为达到上述目的，本发明太阳能辅助充电系统，包括主动力电池组、太阳能光伏发电组件和辅助电池组；所述辅助电池组与所述太阳能光伏发电组件电连接；所述主动力电池组通过DC/DC转换器与所述辅助电池组电连接；其特征在于：
所述辅助充电系统还包括用于控制所述DC/DC转换器与所述辅助电池组接通/断开的开关、用于检测所述辅助电池组电压的检测模块、用于依据辅助电池组电压控制所述开关通/断的控制模块；
所述开关与所述DC/DC控制器和辅助电池组串联，所述检测模块与所述辅助电池组电连接，所述检测模块与所述控制模块通讯连接。
进一步地，所述开关为继电器，所述DC/DC转换器输出端通过继电器与所述辅助电池组电连接；所述DC/DC转换器的输出端电极与所述继电器的COM口电连接，所述辅助电池组对应的电极与所述继电器的常开触点电连接。
当辅助电池组的电压低于预定电压时，控制模块控制继电器闭合，主动力电池组为所述辅助电池组充电，当辅助电池组的电压超过预定电压时，控制模块控制继电器打开，停止对辅助电池组的充电。而太阳能光伏组件始终与辅助电池组电连接，始终保持太阳能光伏组件对辅助电池组的充电。最好的选择是断开主动力电池组充电的预定电压低于辅助电池组充满电时的开路电压，这样，即使主动力电池组对辅助电池组充电完毕，也能够使太阳能电池组件为辅助电池组提供涓流充电，使辅助电池组保持浮充状态，有利于延长辅助电池组的使用寿命。另外，采用上述的方式，还能够在主动力电池组为辅助电池组充电完毕后仍然能够利用光伏发电组件转化的电能，提高光伏发电组件的利用率。
进一步地，主动力电池组、辅助电池组以及太阳能光伏发电组件的电极与低压负载对应的电极电连接。
采用这种电连接方式，在充电状态下，低压负载与辅助电池组处于并联状态，此时由太阳能光伏组件或主动力电池组供电，由于辅助电池组的电势较高，因此，太阳能光伏组件或者主动力电池组会优先给低压负载供电，这样，减少了电能的转换过程，也就减少了转换过程中的能量损耗，从而能够提高电能的利用率。
进一步地，还包括计时装置，所述控制模块控制所述计时装置，所述计时装置的输出端与所述控制模块通讯连接；
当所述辅助电池组的电压低于预定电压阈值下限时，所述控制模块控制所述计时装置开始计时，经过预定时间后，所述计时装置向控制装置发送计时结束信号。
当辅助电池组的电压低于预定电压时，计时装置开始计时，当计时结束后，再次检测辅助电池组的电压，如果辅助电池组的电压仍低于预定电压，控制装置控制继电器闭合，开始使用主动力电池组为辅助电池组充电。这样，在辅助电池组低于预定电压时，如果阳光充足，能够使光伏发电组件转化的电能充分使用，如果光照不足或者光伏发电组件转化的能量不足，在一定时间后，仍未将辅助电池组的电压充至预定电压，就需要采用主动力电池组为辅助电池组充电。
进一步地，还包括显示装置，所述显示装置的输入端与所述控制装置的显示端口通讯连接；所述控制装置控制所述显示装置显示所述辅助电池组电压。
显示装置能够实时的显示辅助电池组电压，有利于使用者监控辅助电池组的工作状态，可以人为的调整辅助电池组的充电来源以及充电状态；同时，使用者还能够通过读取显示装置所显示的数值来控制开关的导通或断开。
进一步地，所述辅助电池组的其中一块电池或者几块组成的串联电池串为所述检测装置和控制装置提供电源。
根据检测装置和控制装置的电源电压的要求，可以选取辅助电池组的一块或者几块组成的串联电池串为检测装置和控制装置提供电源。
进一步地，所述光伏发电组件通过光伏充电控制器与所述辅助电池组电连接。
为了对光伏组件的充电过程进行控制，应当将光伏组件发出的电经过光伏充电控制器进行转换和控制后再充入辅助电池组。
进一步地，所述光伏发电组件的至少其中一个电极通过一二极管与所述辅助电池组电连接；当所述光伏发电组件的输出电压高于所述辅助电池组的电压时，所述二极管导通。
为了避免在没有光照的情况下光伏发电组件成为主动力电池组的负载，在电路中设计二极管，二极管向光伏发电组件输出电能的方向导通，对光伏组件形成保护，同时也能够避免主动力电池组能源的浪费。
进一步地，所述继电器为过欠压继电器；所述过欠压继电器的过压设定值低于所述辅助电池组充满状态下的开路电压。
采用过欠压继电器，当过压设定值低于辅助电池组充满状态下的开路电压时，能够保证主动力电池组在为辅助电池组充电完毕，继电器断开后，光伏组件仍能将转化的电能向辅助电池组充电，能够提高光伏发电件的利用率。
针对上述问题，本发明提供以上任意一项所述的太阳能辅助充电系统的控制方法，包括以下步骤：
在电压上升过程中，检测辅助电池组开路电压并与预定的电压阈值范围进行比较；
当所述辅助电池组电压高于预定电压阈值的上限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电，
当所述辅助电池组电压不高于预定电压阈值的上限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电；
在电压下降过程中，检测辅助电池组开路电压并与预定的电压阈值范围进行比较；
当所述辅助电池组电压高于预定电压阈值的下限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电，
当所述辅助电池组电压不高于预定电压阈值的下限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电。在本发明的技术方案中，太阳能电池组件始终为辅助电池组充电，始终保持太阳能电池组件为辅助电池组充电的状态，充分利用太阳能电池组转化的电能，为了保证辅助电池组不会被耗尽，当辅助电池组用量较大，辅助电池组的电压值降低至预定阈值下限后，开始采用主动力电池组为辅助电池组充电。
附图说明
图1是本发明实施例1中的太阳能辅助充电系统的电路布置示意图；
图2是本发明实施例2中的太阳能辅助充电系统的电路布置示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种太阳能辅助充电系统，包括太阳能组件，太阳能组件作为辅助电池组6电源之一；太阳能充电控制器，对太阳能组件产生的电能进行电压和电流的控制，使之输出与低压辅助蓄电池的充电电压匹配，根据低压辅助蓄电池组和低压负载的需求能力提供合适的电流，并具有过压、过流、短路保护功能；电压检测模块，对辅助电池组6电压进行测量；控制模块，实现过欠压超限保护与电路切换的功能。太阳能组件通过太阳能控制器连接至低压辅助蓄电池上对其进行充电，还能够给低压负载供电；电压检测控制器模块由数显直流电压表3和过欠压继电器组成，数显直流电压表3的电源正极8和测量端正极与低压蓄电池的正极连接，电源公共负极7与低压蓄电池的负极连接，过欠压继电器一对常开触点串联接入车载DC/DC转换器2的低压端正极和低压蓄电池正极，一对常开触点包含常开点(OFF)和公共点(COM)，通过设定电压检测控制模块的电压值上、下限，来实现对电压实时监测与控制。如图1所示，本实施例中，以数显直流电压表3中集成有检测模块、控制模块和过欠压继电器；通过数显直流电压表3进行电路的切换。这种采用集成有检测模块、控制模块和过欠压继电器的数显直流电压表3进行线路切换的方式并不是唯一的，还可以单独安装，例如采用单片机或者cpu作为控制模块控制继电器进行线路切换。在本实施例中，数显直流电压表公共负极7接在辅助电池组负极上，数显直流电压表电源正极8以及检测正极9都接在辅助电池组正极上。
如图1所示，动力电池为DC330V，其低压辅助蓄电池的标称电压为12V，充满电后的开路电压高于13V，设定电压检测控制模块的电压上限为13V，下限为12V，检测模块实时检测辅助电池组6的电压并发送给控制模块，当长时间光照太弱或者低压负载用电量太大时，控制模块接收到低压蓄电池电压降低至设定下限值12V的信号时，控制模块控制继电器线圈得电，常开点接通，切换为主动力电池组通过DC/DC转换器2来为低压蓄电池充电和为低压负载供电，当控制模块接收到充电至低压蓄电池电压高于设定上限值13V的信号时，控制模块控制继电器线圈失电，常开点打开，主动力电池组通过车载DC/DC转换器2充电的电路断开；当光照充足或低压负载用电量太小时，由于辅助电池组6具有一定的电动势，光伏发电组件4与所述负载之间的电势差大于光伏发电组件4与所述辅助电池组6之间的电势差，太阳能发电会优先给低压负载供电，再给低压蓄电池充电，辅助电池组6充满后，辅助电池组6进入浮充充电状态，光伏发电组件4只提供涓流为低压蓄电池充电，避免蓄电池长期自耗电引起的寿命折损。由于常闭点(ON)不接入太阳能供电回路中，所以在系统的整个工作过程中，只要达到光照条件，太阳能就会保持发电状态，为低压蓄电池充电和为低压负载供电，优先等级高于主动力电池组通过车载DC/DC转换器2的输出。
当辅助电池组6的电压低于12V时，控制模块控制继电器闭合，主动力电池组1为辅助电池组6充电，当辅助电池组6的电压超过13V时，控制模块控制继电器打开，停止对辅助电池组6的充电。而太阳能光伏组件始终与辅助电池组6电连接，始终保持太阳能光伏组件对辅助电池组6的充电。最好的选择是断开主动力电池组充电的预定电压低于辅助电池组6充满电时的开路电压(例如本实施例中的辅助电池组6的标称电压为12V，在充满电状态下的开路电压为13.6V)，这样，即使主动力电池组1对辅助电池组6充电完毕，也能够使太阳能电池组件为辅助电池组6提供涓流充电，使辅助电池组6保持浮充状态，有利于延长辅助电池组6的使用寿命。另外，采用上述的方式，还能够在主动力电池组1为辅助电池组6充电完毕后仍然能够利用光伏发电组件4转化的电能，提高光伏发电组件4的利用率。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种辅助充电系统，动力电池为DC518V，辅助电池组为两块标称电压为12V，充满电后的开路电压高于13V的蓄电池，设定电压检测控制模块的电压上限为26V，下限为24V，检测模块实时检测辅助电池组6的电压并发送给控制模块，当长时间光照太弱或者低压负载用电量太大时，控制模块接收到低压蓄电池电压降低至设定下限值24V的信号时，控制模块控制继电器线圈得电，常开点接通，切换为主动力电池组通过DC/DC转换器2来为低压蓄电池充电和为低压负载供电，当控制模块接收到充电至低压蓄电池电压高于设定上限值13V的信号时，控制模块控制继电器线圈失电，常开点打开，主动力电池组通过车载DC/DC转换器2充电的电路断开；当光照充足或低压负载用电量太小时，由于辅助电池组6具有一定的电动势，光伏发电组件4与所述负载之间的电势差大于光伏发电组件4与所述辅助电池组6之间的电势差，太阳能发电会优先给低压负载供电，再给低压蓄电池充电，辅助电池组6充满后，辅助电池组6进入浮充充电状态，光伏发电组件4只提供涓流为低压蓄电池充电，避免蓄电池长期自耗电引起的寿命折损。由于常闭点(ON)不接入太阳能供电回路中，所以在系统的整个工作过程中，只要达到光照条件，太阳能就会保持发电状态，为低压蓄电池充电和为低压负载供电，优先等级高于主动力电池组通过车载DC/DC转换器2的输出。
在本实施例中，检测模块、控制模块和过欠压继电器集成设置在一数显直流电压表3上，其中，数显直流电压表的公共负极7与辅助电池组的负极电连接，数显直流电压表3的电源正极8与连接公共负极7的一块电池的正极电连接，数显直流电压表3的检测正极9与辅助电池组的正极电连接。
实施例3
本实施例提供一种太阳能辅助充电系统，包括光伏发电组件，光伏发电组件在光照情况下产生电能，光伏发电组件产生的电能通过光伏充电控制器的控制和转换后为辅助电池组充电或为低压负载供电。
低压负载的电源接口与辅助电池组电连接，这样，当辅助电池组为低压负载供电时，辅助电池组与低压负载串联，当光伏发电组件或主动力电池组为辅助电池组充电时，低压负载与辅助电池组处于并联状态，能够使光伏发电组件或主动力电池组直接为低压负载供电，减少能量转换的环节，能够减少能量损失；
主动力电池组与DC/DC转换器的输入端两电极，DC/DC转换器输出端与辅助电池组电连接，用于连接DC/DC输出端与辅助电池组的其中一根导线上串联有手动开关和继电器。
辅助电池组与直流数显电压表电连接，直流数显电压表包括检测模块、控制模块和显示屏，检测模块用于检测辅助电池组的电压，控制模块接收检测模块检测到的辅助电池组电压信息，控制模块依据辅助电池组的电压信息控制继电器的通断，继电器接通并且手动开关闭合时，主动力电池组通过DC/DC向辅助电池组充电，当继电器断开或者手动开关断开时，太阳能发电组件通过光伏充电控制器向辅助电池组供电。
显示模块显示该电压数值；可以通过观察直流数显电压表显示的数值人工操作该开关，通过开关的导通和断开控制主动力电池组为辅助电池组充电或光伏发电组件为辅助电池组充电。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例还包括一个计时装置，控制装置控制该计时装置，该计时装置与控制装置通讯，当辅助电池组的电压低于预定电压值时，如12V，该计时装置通过控制装置触发，当计时装置计时结束后，直流数显电压表对辅助电池组的电压再次进行测量，如辅助电池组的电压仍低于预定电压值，控制装置控制继电器闭合，采用主动力电池组为辅助电池组充电。
这样，在辅助电池组低于预定电压时，如果阳光充足，能够使光伏发电组件转化的电能充分使用，如果光照不足或者光伏发电组件转化的能量不足，在一定时间后，仍未将辅助电池组的电压充至预定电源，就需要采用主动力电池组为辅助电池组充电。
在上述各实施例中，采用的主动力电池组为330V，但是，上述的主动力电池组的电压并不对其形成限定，仅仅作为举例的作用，该主动力电池组的电压还可以是144V、220V、480V、550V等电压值。
同样的，在上述各实施例中，采用的辅助电池组为12V，但是，上述的辅助电池组的电压并不对其形成限定，仅仅作为举例的作用，该辅助电池组的电压还可以是24V、36V等电压值。
在实施例1中，由于辅助电池组只有一块12V电压的电池，所以数显直流电压表公共负极接在辅助电池组负极上，数显直流电压表电源正极以及检测正极都接在辅助电池组正极上；这种连接方式并不对数显直流电压表的供电方式形成限定，例如，当采用两块串联的12V电压的电池作为辅助电池组时，可将数显直流电压表的公共负极和电源正极接在电池组的正负极上，检测正极接在电池组的正极上。或者，采用多块串联的电池作为辅助电池组时，可以采用其中的一块或几块作为数显直流电压表的电源，而检测正极则应该与电池组的正极电连接。
在没有阳光光照的情况下，由于光伏组件具有一定的导电性能，因此，光伏组件可能会成为辅助电池组或者主动力电池组的负载，为了避免光伏发电组件作为负载被损毁，光伏发电组件的至少其中一个电极通过一二极管与辅助电池组电连接，二极管向辅助电池组导通。在电路中设计二极管，由于二极管是一种单向导电的元件，二极管向光伏发电组件输出电能的方向导通，对光伏组件形成保护，同时也能够避免主动力电池组能源的浪费。
实施例5
本实施例提供一种太阳能辅助电池组充电控制方法，包括以下步骤：
在电压上升过程中，检测辅助电池组开路电压并与预定的电压阈值范围进行比较；
当所述辅助电池组电压高于预定电压阈值的上限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电，
当所述辅助电池组电压不高于预定电压阈值的上限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电；
在电压下降过程中，检测辅助电池组开路电压并与预定的电压阈值范围进行比较；
当所述辅助电池组电压高于预定电压阈值的下限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电，
当所述辅助电池组电压不高于预定电压阈值的下限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电。
上述方法的具体步骤如下：
首先确定一个阈值，将该阈值作为预设的阈值，在本实施例中采用一种特殊的情况，使阈值的上限和下限重合，例如，对于标称电压为12V的辅助蓄电池，其充满电之后的开路电压约为13.6V，选用12V作为预设阈值；辅助蓄电池在使用过程中，当其开路电压低于12V时，将辅助蓄电池的充电电源切换为主动力电池组和光伏发电组件同时充电的模式，采用主动力电池组快速为辅助蓄电池充电，待将辅助蓄电池的电压充至12V以上时，将主动力电池组与辅助电池组之间的电连接断开，仅采用光伏发电组件为辅助电池组充电。这样的充电方式能够保证光伏发电组件始终能够为辅助电池组充电。而且，当辅助电池组即将充满时，采用光伏发电组件使辅助电池组保持浮充状态。通过以上的切换方法，不仅能够充分利用光伏发电组件所转换的电能，还能够保持辅助电池组的长期浮充状态，延长辅助电池组的使用寿命。
实施例6
本实施例与上述实施例的不同之处在于，本实施例中采用的阈值为11V～13V，当检测到辅助电池组的开路电压低于11V时，控制主动力电池组和光伏发电组件同时为辅助电池组充电，由于主动力电池组的电压高，容量大，因此，能够在短时间内对辅助电池组进行充电，待辅助电池组的电压充至13V时，断开主动力电池组为辅助电池组充电的电路，仅使用光伏发电组件为辅助电池组充电。在本实施例中，在辅助电池组高于13V时，光伏发电组件为辅助电池组充电，当用电量较大时，辅助电池组的电压逐渐下降，当下降至13V以下、11V以上时，保持当前的充电方式不变，仍然使用光伏发电组件充电，当下降至11V以下时，启用主动力电池组为辅助电池组进行充电。而在充电过程中，当辅助电池组电压低于11V时，主动力电池组和光伏发电组件为辅助电池组充电，当充电至11V以上、13V以下时，保持当前充电方式不变，依然采用主动力电池组为其充电，当辅助电池组的电压在13V以上时，断开主动力电池组为辅助电池组充电的电路，仅采用光伏发电组件为辅助电池组提供涓流充电。
以上，仅为本发明的较佳实施例，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种太阳能辅助充电系统，包括主动力电池组、太阳能光伏发电组件和辅助电池组；所述辅助电池组与所述太阳能光伏发电组件电连接；所述主动力电池组通过DC/DC转换器与所述辅助电池组电连接；其特征在于：
所述辅助充电系统还包括用于控制所述DC/DC转换器与所述辅助电池组接通/断开的开关、用于检测所述辅助电池组电压的检测模块、用于依据辅助电池组电压控制所述开关通/断的控制模块；
所述开关与所述DC/DC控制器和所述辅助电池组串联，所述检测模块与所述辅助电池组电连接，所述检测模块与所述控制模块通讯连接。
2.如权利要求1所述的太阳能辅助充电系统，其特征在于：所述开关为继电器，所述DC/DC转换器输出端通过继电器与所述辅助电池组电连接；所述DC/DC转换器的输出端电极与所述继电器的COM口电连接，所述辅助电池组对应的电极与所述继电器的常开触点电连接。
3.如权利要求1所述的太阳能辅助充电系统，其特征在于：主动力电池组、辅助电池组以及太阳能光伏发电组件的电极与低压负载对应的电极电连接。
4.如权利要求1所述的的太阳能辅助充电系统，其特征在于：还包括计时装置，所述控制模块控制所述计时装置，所述计时装置的输出端与所述控制模块通讯连接；
当所述辅助电池组的电压低于预定电压阈值下限时，所述控制模块控制所述计时装置开始计时，经过预定时间后，所述计时装置向控制装置发送计时结束信号。
5.如权利要求1所述的太阳能辅助充电系统，其特征在于：还包括显示装置，所述显示装置的输入端与所述控制装置的显示端口通讯连接；所述控制装置控制所述显示装置显示所述辅助电池组电压。
6.如权利要求1所述的太阳能辅助充电系统，其特征在于：所述辅助电池组的其中一块电池或者几块组成的串联电池串为所述检测装置和所述控制装置提供电源。
7.如权利要求1所述的太阳能辅助充电系统，其特征在于：所述光伏发电组件通过光伏充电控制器与所述辅助电池组电连接。
8.如权利要求1所述的太阳能辅助充电系统，其特征在于：所述光伏发电组件的至少其中一个电极通过一二极管与所述辅助电池组电连接；当所述光伏发电组件的输出电压高于所述辅助电池组的电压时，所述二极管导通。
9.如权利要求2所述太阳能辅助充电系统，其特征在于：所述继电器为过欠压继电器；所述过欠压继电器的过压设定值低于所述辅助电池组充满状态下的开路电压。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的太阳能辅助充电系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
设定一预定的电压阈值范围，所述预定的电压阈值范围的上限低于辅助电池组充满电时的开路电压，所述预定的电压阈值范围的下限低于辅助电池组电量用尽时的开路电压；
在电压上升过程中，检测辅助电池组开路电压并与预定的电压阈值范围进行比较；
当所述辅助电池组电压高于预定电压阈值的上限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电，
当所述辅助电池组电压不高于预定电压阈值的上限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电；
在电压下降过程中，检测辅助电池组开路电压并与预定的电压阈值范围进行比较；
当所述辅助电池组电压高于预定电压阈值的下限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电，
当所述辅助电池组电压不高于预定电压阈值的下限时，控制所述光伏发电组件为所述辅助电池组充电。
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