CN109066954A - 零待机功耗的太阳能电源单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零待机功耗的太阳能电源单元，其中设置有电子开关机电路，该电子开关机电路中设置有两个极性电容，其中一个电容通过场效应晶体管控制继电器的通断以接通或断开太阳能电源单元后级电路的供电，场效应晶体管导通时继电器接通并自锁，后级电路得电工作，场效应晶体管截止时继电器断开，后级电路关闭。另一个电容通过三极管控制该场效应晶体管的通断，三极管导通时迫使场效应晶体管截止。通过电路设计使得当开关按下后，三极管相对于场效应晶体管后达到导通电压，从而实现短按开关开机，长按开关关机的目的。并且关机后三极管、场效应晶体管和继电器都处于断开状态，后级电路完全失电，实现了零待机功耗，降低了能耗，提升了续航。

Description

零待机功耗的太阳能电源单元

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术，尤其涉及一种零待机功耗的太阳能电源单元。

背景技术

太阳能的利用已有很长的时间了，除了大型的太阳能发电站外，在移动场景的应用还存在诸多问题。比如牧区的太阳能利用，成本高、体积大、功率小、故障率高，太阳能板、蓄电池、逆变器等配件七零八落，安装、携带都不方便。这些都造成了使用障碍。特别是不可随意组合的缺点，比如牧民在光照度不同的季节，太阳能发电设备都必须以最大容量配置，在光照度强的季节，也得整套搬运。所以在配备时，要么选择功率过大，成本就高，携带不方便，功率小了又不够用。要加大功率，就需要换大功率的逆变器等。通常每一套逆变设备都有单独的正弦波发生器，如果需要将几套小功率设备变成大功率设备，就需要复杂的并网，这给使用带来了很多问题。

同时，现有电气设备大多采用机械开关，在潮湿或有腐蚀性气体的场合，容易接触不良。机械开关容易被触碰误动作，特别是可移动的设备更是如此。现有的一键电子开关机，如电脑等，虽然实现了一键开关机，但都存在静态耗电的问题，即使关机，仍然还有部分电路处于工作状态，电源还有部分在工作，仍然在耗电，不适合蓄电池一类电气设备，特别是设备长期不使用会将蓄电池电能耗尽。同时，现有的一键开关机的电路还存在追尾(关机按键时间稍长会重复开机)的问题。而采用软件关机如果遇到系统死机将无法正常关机。尤其对于太阳能电源设备而言，静态耗电严重影响了太阳能电源设备的能耗和续航。

发明内容

本发明主要目的在于，提供一种零待机功耗的太阳能电源单元，以解决现有技术采用机械开关关机后设备仍存在静态耗电，不利于以蓄电池储能供能的太阳能电源设备续航的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种零待机功耗的太阳能电源单元，包括太阳能电池板、充电电池、主控模块、MPPT控制器、充放电控制器、逆变器、正弦波产生模块和电子开关机电路，所述主控模块与所述MPPT控制器、充放电控制器、逆变器和正弦波产生模块连接；

所述太阳能电池板通过所述MPPT控制器与所述充放电控制器连接，所述充放电控制器与所述充电电池和所述逆变器连接；

所述正弦波产生模块用于产生正弦波信号，所述主控模块与所述正弦波产生模块连接，用于根据所述正弦波信号产生相应的PWM驱动信号，并通过所述PWM驱动信号驱动所述逆变器将所述充电电池通过所述充放电控制器输出的直流电压转换为交流电压后输出；

所述电子开关机电路包括开关S、极性电容C1、极性电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、二极管D1、三极管Q1、N沟道MOS管Q2和继电器K；其中：

开关S的第一端用于连接所述充电电池的正极，开关S的第二端通过电阻R2连接极性电容C1的正极，极性电容C1的负极接地，电阻R1连接在极性电容C1的正极与地之间，极性电容C1的正极通过电阻R3连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地；

开关S的第二端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极通过电阻R4连接极性电容C2的正极、三极管Q1的集电极和N沟道MOS管Q2的栅极，极性电容C2的负极接地，电阻R5连接在极性电容C2的正极与地之间，极性电容C2的正极连接N沟道MOS管Q2的栅极，N沟道MOS管Q2的源极接地；

所述充电电池的正极通过继电器K的触点开关连接后级电路，并通过继电器K的线圈连接N沟道MOS管Q2的漏极；

N沟道MOS管Q2的栅极依次通过电阻R6和电阻R4连接到继电器K的主回路上；

极性电容C1的容量比极性电容C2的容量大，电阻R2的阻值比电阻R4的阻值小。

进一步地，还包括同步模块，所述主控模块与所述同步模块连接；

所述太阳能电源单元具有唯一序列号，所述同步模块用于与其他太阳能电源单元的同步模块连接，以将所述太阳能电源单元的序列号和正弦波信号发送到其他太阳能电源单元，以及接收其他太阳能电源单元的序列号和正弦波信号；

当有多个太阳能电源单元通过各自的同步模块依次连接时，各太阳能电源单元的主控模块均选择同一序列号的太阳能电源单元的正弦波信号代替原正弦波信号产生所述PWM驱动信号；

所述太阳能电源单元还包括电源级联端口和电源端口，所述电源端口与所述逆变器连接，用于为所述负载提供电能，或者与其他太阳能电源单元的电源级联端口连接，以与其他太阳能电源单元之间形成级联。

进一步地，所述同一序列号的太阳能电源单元为各太阳能电源单元中序列号最小的太阳能电源单元。

进一步地，所述充电电池为石墨烯电池。

进一步地，所述充电电池、主控模块、蓝牙通信模块、MPPT控制器、充放电控制器、逆变器、正弦波产生模块、同步模块、电源端口和同步模块安装在所述太阳能电池板的背部，并通过带边框的后盖进行防水密封。

进一步地，所述后盖上安装有用于支撑所述太阳能电源单元的折叠式支撑架。

进一步地，所述逆变器通过MOS管驱动。

进一步地，还包括蓝牙通信模块，所述蓝牙通信模块与所述主控模块连接，用于所述太阳能电源单元与外部蓝牙设备连接通信。

进一步地，还包括电能计量芯片，所述电能计量芯片与所述主控模块连接，用于测量所述太阳能电源单元的输出参数，并将所述输出参数发送到所述主控模块，所述主控模块用于将所述输出参数通过所述蓝牙通信模块发送到所述蓝牙设备。

进一步地，所述MPPT控制器中设置有光敏二极管，所述光敏二极管安装在所述太阳能电池板的正面，并通过模数转换模块与所述主控模块连接。

与现有技术相比，本发明提供的零待机功耗的太阳能电源单元中设置有电子开关机电路，该电子开关机电路中设置有两个极性电容，其中一个电容通过场效应晶体管控制继电器的通断以接通或断开太阳能电源单元后级电路的供电，场效应晶体管导通时继电器接通并自锁，后级电路得电工作，场效应晶体管截止时继电器断开，后级电路关闭。另一个电容通过三极管控制该场效应晶体管的通断，三极管导通时迫使场效应晶体管截止。通过电路设计使得当开关按下后，三极管相对于场效应晶体管后达到导通电压，从而实现短按开关开机，长按开关关机的目的。并且关机后，三极管、场效应晶体管和继电器都处于断开状态，后级电路完全失电，实现了零待机功耗的目的，有效降低了太阳能电源单元的能耗，提升了续航性能。

附图说明

图1是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元的组成原理示意图；

图2是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元的形状结构示意图；

图3是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元的级联状态示意图；

图4是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元的级联原理示意图；

图5是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元中MPPT控制器的电路原理示意图；

图6是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元中光敏二极管安装示意图；

图7是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元中电子开关机电路原理示意图；

图8是本发明实施例零待机功耗的太阳能电源单元中电子开关机电路的开关安装示意图。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供的零待机功耗的太阳能电源单元，包括太阳能电池板1、充电电池4、主控模块5、MPPT控制器2、充放电控制器3、逆变器6、正弦波产生模块8、电子开关机电路和同步模块7。主控模块5与MPPT控制器2、充放电控制器3、逆变器6、正弦波产生模块8和同步模块7连接，用于控制PPT控制器、充放电控制器3、逆变器6、正弦波产生模块8和同步模块7工作。

该太阳能电源单元采用石墨烯电池作为充电电池4，提高储能密度，增加使用寿命，减少维护，减小体积、减轻重量。同时，充电电池4、主控模块5、蓝牙通信模块、MPPT控制器2、充放电控制器3、逆变器6、正弦波产生模块8、同步模块7、电源端口12和同步模块7等均安装在太阳能电池板1的背部，并通过带边框的后盖17进行防水密封。另外，为便于太阳能电源单元的安装使用，在后盖17上安装有用于支撑太阳能电源单元的折叠式支撑架9，如图2所示，使用时将支撑架9打开，不使用时将支撑架9收起即可。

太阳能电池板1通过MPPT控制器2与充放电控制器3连接，充放电控制器3与充电电池4和逆变器6连接。通过MPPT控制器2能够追踪太阳能电池板1的最大输出功率点，使太阳能电池板1始终以最大输出功率为电池充电。如图5所示，在该MPPT控制器2中，由电阻R1、R2检测太阳能电池电压，电阻R1、R2处的分压A/D(即模数转换模块)与主控模块5连接获得太阳能电池电压，电阻R3处的A/D(即模数转换模块)与主控模块5连接，得到太阳能充电电流，通过控制PWM的脉冲宽度，由主控模块5计算出太阳能充电最大功率点，以此获得太阳能的最大功率输出，使得太阳能发电得到充分的利用。MPPT控制器2中还设置有光敏二极管16，光敏二极管16安装在太阳能电池板1的正面，并通过模数转换模块(即电阻R2处的A/D)与主控模块5连接。通过光敏二极管16能够实时跟踪当前光照强度信号，模数转换模块能够将当前光照强度信号发送给触控模块，主控模块5可据此判断太阳能电池板1的摆放位置是否合适，以实现太阳能的最大利用。如图6所示，光敏二极管16可安装在黑色导管15底部，将黑色导管15安装在太阳能电池板1正面。光敏二极管16采用型号为ON9658的光敏二极管16。

正弦波产生模块8用于产生正弦波信号，该正弦波信号作为产生用于驱动逆变器6的PWM驱动信号的依据，正弦波信号转换为等幅不等宽的脉冲宽度信号，正弦波信号的幅值与PWM驱动信号相关联，正弦波幅度越高，PWM占空比越高。主控模块5与正弦波产生模块8连接，用于根据正弦波信号产生相应的PWM驱动信号，并通过PWM驱动信号驱动逆变器6将充电电池4通过充放电控制器3输出的直流电压转换为交流电压后输出。逆变器6通过MOS管驱动，通过控制逆变器6的MOS管的导通和截止时间，可使逆变器6输出所需相位的电压信号。

电子开关机电路是一种一键电子开关机电路。如图7所示，该电子开关机电路包括开关S、极性电容C1、极性电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、二极管D1、三极管Q1、N沟道MOS管Q2和继电器K；其中：

开关S的第一端用于连接充电电池4的正极，开关S的第二端通过电阻R2连接极性电容C1的正极，极性电容C1的负极接地，电阻R1连接在极性电容C1的正极与地之间，极性电容C1的正极通过电阻R3连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地；

开关S的第二端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极通过电阻R4连接极性电容C2的正极、三极管Q1的集电极和N沟道MOS管Q2的栅极，极性电容C2的负极接地，电阻R5连接在极性电容C2的正极与地之间，极性电容C2的正极连接N沟道MOS管Q2的栅极，N沟道MOS管Q2的源极接地；

充电电池4的正极通过继电器K的触点开关连接后级电路，并通过继电器K的线圈连接N沟道MOS管Q2的漏极；

N沟道MOS管Q2的栅极依次通过电阻R6和电阻R4连接到继电器K的主回路上；

极性电容C1的容量比极性电容C2的容量大，电阻R2的阻值比电阻R4的阻值小。

在该电子开关机电路中，当按下开关S后，一路通过电阻R2向电容C1充电，一路通过二极管D1、电阻R4向电容C2充电，由于电容C2比电容C1小，电阻R4比电阻R2大，电容C2先充到N沟道MOS管Q2的导通电压，电容C1后充到三极管Q1的导通电压。在电容C2的电压达到使N沟道MOS管Q2导通前释放开关S，继电器K不会得电，可以防止偶然触碰到开关S导致的误开机。开关S按下后，随着时间的推移，N沟道MOS管Q2的栅极电压逐渐上升使N沟道MOS管Q2导通后，继电器K得电导通，后级电路L得电。继电器K得电导通后，通过电阻R6、电阻R4使N沟道MOS管Q2一直导通自锁，实现开机。无论是开机状态还是关机状态，当按下开关S的持续时间继续延长，超过电容C1的电压升高到使三极管Q1导通所需的时间时，三极管Q1导通将迫使N沟道MOS管Q2截止，继电器K失电，都会实现关机，其实质就是长按开关S关机，关机后放开开关S，三极管Q1、N沟道MOS管Q2和继电器K都处于断开状态，后级电路完全失电，关机后功耗为零，有效降低了太阳能电源单元的能耗。开关S采用弹簧按钮开关，可如图8所示安装在太阳能电源单元的后盖17上。

一个太阳能电源单元内的正弦波产生模块8可以满足该太阳能电源单元自身独立使用的情况，当有多个太阳能电源单元级联时，为确保各太阳能电源单元输出电压相位的一致性，如图4所示，各太阳能电源单元应当使用同一个太阳能电源单元的正弦波信号来产生用于驱动各自逆变器6的PWM驱动信号。因此，设置每一太阳能电源单元均具有唯一序列号，同步模块7用于与其他太阳能电源单元的同步模块7连接，以将太阳能电源单元的序列号和正弦波信号发送到其他太阳能电源单元，以及接收其他太阳能电源单元的序列号和正弦波信号。当有多个太阳能电源单元通过各自的同步模块7依次连接时，各太阳能电源单元的主控模块5均选择同一序列号的太阳能电源单元的正弦波信号代替原正弦波信号产生PWM驱动信号。由于各太阳能电源单元都使用同一个太阳能电源单元的正弦波信号来产生用于驱动各自逆变器6的PWM驱动信号，从而确保了各太阳能电源单元输出电压相位的一致性。具体地，前述同一序列号的太阳能电源单元可为各太阳能电源单元中序列号最小的太阳能电源单元。通过该同步模块7，不需要复杂的相位检测、跟踪并网电路，就可以使各级联的太阳能电源单元的输出电压相位一致，同时避免了因同步电路故障引起的故障扩大的情况。

太阳能电源单元还包括电源级联端口10和电源端口12，电源端口12与逆变器6连接，用于为负载提供电能，或者与其他太阳能电源单元的电源级联端口10连接，以与其他太阳能电源单元之间形成级联。具体级联时可参照图3所示，通过电源线13和通信线14依次将级联的各太阳能电源单元连接，电源线13用于连接各太阳能电源单元的电源端口12和电源级联端口10，通信线14用于传输太阳能电源单元的序列号和正弦波信号。级联后，用电器可以在级联的第一个太阳能电源单元上取电，也可以在级联的最后一个太阳能电源单元上取电。用电器功率在级联的所有太阳能电源单元单体功率的总和之内即可。实际生产中，并不限定每个太阳能电源单元单体的功率大小，以及级联的太阳能电源单元单体的个数，根据实际应用场景的不同，级联时，可以有不同功率的太阳能电源单元单体和不同的太阳能电源单元单体个数。

该太阳能电源单元还包括蓝牙通信模块，蓝牙通信模块与主控模块5连接，用于太阳能电源单元与外部蓝牙设备连接通信。同时，该太阳能电源单元还包括电能计量芯片，电能计量芯片与主控模块5连接，用于测量太阳能电源单元的输出参数，并将输出参数发送到主控模块5，主控模块5用于将输出参数通过蓝牙通信模块发送到蓝牙设备。例如，可在带有蓝牙功能的手机中安装相应应用程序，主控模块5通过蓝牙通信模块将输出参数发送到手机，通过手机的应用程序接收并显示，以提示相关操作人员太阳能电源单元当前的输出状态。电能计量芯片采用型号为ATT7026A的电能计量芯片，能够对太阳能电源单元的电压、电流、功率、电能、功率因数等输出参数进行测量与以及对太阳能电源单元的输出进行过流过载保护，并可由主控芯片通过蓝牙(或Wi-Fi)将信号传到手机或电脑进行发电量、用电量、故障的统计等。在应用程序中还可以设置定时开关功能，通过蓝牙控制太阳能电源单元定时开关，也可以查看太阳能电源单元的工作状态、电量，还可以设置报警灯等功能。除了蓝牙通信模块外，还可以采用任何其他形式的无线通信模块来代替蓝牙通信模块，例如Wi-Fi模块等。

上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，包括太阳能电池板、充电电池、主控模块、MPPT控制器、充放电控制器、逆变器、正弦波产生模块和电子开关机电路，所述主控模块与所述MPPT控制器、充放电控制器、逆变器和正弦波产生模块连接；

所述太阳能电池板通过所述MPPT控制器与所述充放电控制器连接，所述充放电控制器与所述充电电池和所述逆变器连接；

所述正弦波产生模块用于产生正弦波信号，所述主控模块与所述正弦波产生模块连接，用于根据所述正弦波信号产生相应的PWM驱动信号，并通过所述PWM驱动信号驱动所述逆变器将所述充电电池通过所述充放电控制器输出的直流电压转换为交流电压后输出；

所述电子开关机电路包括开关S、极性电容C1、极性电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、二极管D1、三极管Q1、N沟道MOS管Q2和继电器K；其中：

开关S的第一端用于连接所述充电电池的正极，开关S的第二端通过电阻R2连接极性电容C1的正极，极性电容C1的负极接地，电阻R1连接在极性电容C1的正极与地之间，极性电容C1的正极通过电阻R3连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地；

开关S的第二端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极通过电阻R4连接极性电容C2的正极、三极管Q1的集电极和N沟道MOS管Q2的栅极，极性电容C2的负极接地，电阻R5连接在极性电容C2的正极与地之间，极性电容C2的正极连接N沟道MOS管Q2的栅极，N沟道MOS管Q2的源极接地；

所述充电电池的正极通过继电器K的触点开关连接后级电路，并通过继电器K的线圈连接N沟道MOS管Q2的漏极；

N沟道MOS管Q2的栅极依次通过电阻R6和电阻R4连接到继电器K的主回路上；

极性电容C1的容量比极性电容C2的容量大，电阻R2的阻值比电阻R4的阻值小。

2.如权利要求1所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，还包括同步模块，所述主控模块与所述同步模块连接；

所述太阳能电源单元具有唯一序列号，所述同步模块用于与其他太阳能电源单元的同步模块连接，以将所述太阳能电源单元的序列号和正弦波信号发送到其他太阳能电源单元，以及接收其他太阳能电源单元的序列号和正弦波信号；

当有多个太阳能电源单元通过各自的同步模块依次连接时，各太阳能电源单元的主控模块均选择同一序列号的太阳能电源单元的正弦波信号代替原正弦波信号产生所述PWM驱动信号；

所述太阳能电源单元还包括电源级联端口和电源端口，所述电源端口与所述逆变器连接，用于为所述负载提供电能，或者与其他太阳能电源单元的电源级联端口连接，以与其他太阳能电源单元之间形成级联。

3.如权利要求1所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，所述同一序列号的太阳能电源单元为各太阳能电源单元中序列号最小的太阳能电源单元。

4.如权利要求1所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，所述充电电池为石墨烯电池。

5.如权利要求1所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，所述充电电池、主控模块、蓝牙通信模块、MPPT控制器、充放电控制器、逆变器、正弦波产生模块、同步模块、电源端口和同步模块安装在所述太阳能电池板的背部，并通过带边框的后盖进行防水密封。

6.如权利要求5所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，所述后盖上安装有用于支撑所述太阳能电源单元的折叠式支撑架。

7.如权利要求1所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，所述逆变器通过MOS管驱动。

8.如权利要求1所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，还包括蓝牙通信模块，所述蓝牙通信模块与所述主控模块连接，用于所述太阳能电源单元与外部蓝牙设备连接通信。

9.如权利要求8所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，还包括电能计量芯片，所述电能计量芯片与所述主控模块连接，用于测量所述太阳能电源单元的输出参数，并将所述输出参数发送到所述主控模块，所述主控模块用于将所述输出参数通过所述蓝牙通信模块发送到所述蓝牙设备。

10.如权利要求1所述的零待机功耗的太阳能电源单元，其特征在于，所述MPPT控制器中设置有光敏二极管，所述光敏二极管安装在所述太阳能电池板的正面，并通过模数转换模块与所述主控模块连接。