CN109462272B - 一种混合电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种混合电源系统，包括太阳能电池板、太阳能充电管理电路、电容器组、DCDC模块、电池组、充电管理模块、电流检测模块、MCU主控电路模块；太阳能电池板输出的电能经太阳能充电管理电路输出至电容器组和电池组，电容器组输出的电能经DCDC模块输出至电池组和外部负载；电池组将电能输出给外部负载；MCU主控电路模块用于控制太阳能充电管理电路的输出，MCU主控电路模块通过充电管理模块对电池组进行充电保护，MCU主控电路模块通过电流检测模块获取电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，MCU主控电路模块用于控制DCDC模块的开启与关断。本发明采用电池输出电流触发技术，保证低电流的不间断持续供电以及3.5S脉冲超高电流的输出启动时间。

Description

一种混合电源系统
技术领域
本发明涉及一种混合电源系统，属于电源技术领域。
背景技术
太阳能作为一种可再生能源逐步在各个领域得到广泛应用。但存在能量过剩的储能问题以及光源不足时无法持续供电问题。
超级电容的能量密度较低，不能持续长时间的释放电能，但其功率密度大，可以快速充放电，且超级电容的充放电循环寿命较长，可频繁使用。
电池的性能与超级电容相反，其能量密度较大，自放电低，可以储存大量的电能，但其功率密度较低，充放电的速度较慢，而且循环寿命较短，同时在充放电过程中电流电压过充过放及温度过高等不可逆的损害，降低了电池的使用周期。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种混合电源系统，将不同种类的电源系统组合，利用电池高比能量与超级电容高比密度的互补特性，并辅以太阳能能量来源进行系统电源供给，以发挥单一电源系统所难以达到的性能的系统。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种混合电源系统，包括太阳能电池板、太阳能充电管理电路、电容器组、DCDC模块、电池组、充电管理模块、电流检测模块、MCU主控电路模块；
所述太阳能电池板输出的电能经太阳能充电管理电路输出至所述电容器组和所述电池组，所述电容器组输出的电能经所述DCDC模块输出至所述电池组和外部负载；所述电池组将电能输出给外部负载；
所述MCU主控电路模块用于控制所述太阳能充电管理电路的输出，MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护，MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，MCU主控电路模块用于控制所述DCDC模块的开启与关断。
上述混合电源系统，所述DCDC模块包括开关驱动逻辑电路、PMOS驱动模块、NMOS驱动模块、PMOS管组合、NMOS管组合、电感组合；
所述开关驱动逻辑电路根据MCU主控电路模块发出的控制信号输出驱动逻辑信号，所述驱动逻辑信号用于控制所述PMOS管驱动模块和所述NMOS管驱动模块；
所述PMOS管驱动模块用于控制所述PMOS管组合的开启和关断；所述NMOS管驱动模块用于控制所述NMOS管组合的开启和关断；所述PMOS管组合包括N个PMOS管；所述NMOS管组合包括N个NMOS管；所述电感组合包括N个电感；
所述PMOS管组合中的一个PMOS管的D极和所述NMOS管组合中的一个NMOS管的D极连在一起，所述D极连接所述电感组合中的一个电感的一端构成一个DCDC；所述DCDC模块包括N个DCDC，所述PMOS管组合的PMOS管的S极均连在一起，所述NMOS管组合的NMOS管的S均连在一起，N个电感的输出端均连在一起。
上述混合电源系统，所述MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护的方法为：
所述太阳能充电管理电路对所述太阳能电池板的输出电压进行变换，将变换后的电压输出给MCU主控电路模块，当所述太阳能充电管理电路的输出电压大于等于太阳能设定阈值时，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给所述电池组；否则，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给所述电容器组，MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组给电池组充电；MCU主控电路模块获取电池组的电压，当电池组的电压大于电池设定阈值时，MCU主控电路模块通过充电管理模块控制太阳能充电管理模块停止对电池充电，或，MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组停止对电池组充电。
上述混合电源系统，所述MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，当外部负载启动过程中，所述外部负载消耗的电流大于等于电池组设定放电电流时，MCU主控电路模块控制所述DCDC模块打开，使所述电容器组通过DCDC模块向所述外部负载供电。
上述混合电源系统，所述太阳能充电管理电路中包括防反充电路，所述防反充电路为肖特基二极管。
上述混合电源系统，所述混合电源系统能够不间断持续供电。
上述混合电源系统，所述混合电源系统的最大输出电流为2200A。
上述混合电源系统，所述混合电源系统的最大输出功率为24000W。
上述混合电源系统，所述PMOS管驱动模块能够控制所述PMOS管组合中的部分PMOS管开启，其余部分的PMOS管关断；所述NMOS管驱动模块能够控制所述NMOS管组合中的部分NMOS管开启，其余部分的NMOS管关断。
上述混合电源系统，所述电容器组输出的电能经所述DCDC模块输出至外部负载的持续时间大于等于3.5s。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明中可以通过外接电源对电池组进行充电，也可以通过太阳能充电管理电路利用太阳能对电容器组或电池组进行充电。
(2)本发明中DCDC模块是自主研发的将N个DCDC并联组合做成高电流密度开关芯片。此处N可以根据需要自行定制。利用此微小型超大电流DCDC对后续电路进行充放电管理，有效提高电容器组的放电幅度，大幅度降低对电容器组的能量密度要求，延长高功率放电时间倍数，使得混合电源主要参数指标达到领先技术水平。
(3)本发明采用电池输出电流触发技术，保证低电流的不间断持续供电以及3.5S脉冲超高电流的输出启动时间。
附图说明
图1为本发明混合电源系统的组成示意图；
图2为本发明DCDC模块的组成示意图。
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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种混合电源系统，包括太阳能电池板、太阳能充电管理电路、电容器组、DCDC模块、电池组、充电管理模块、电流检测模块、MCU主控电路模块，如图1所示。
所述太阳能电池板输出的电能经太阳能充电管理电路输出至所述电容器组和所述电池组，所述电容器组输出的电能经所述DCDC模块输出至所述电池组和外部负载；所述电池组将电能输出给外部负载。
所述MCU主控电路模块用于控制所述太阳能充电管理电路的输出，MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护，MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，MCU主控电路模块用于控制所述DCDC模块的开启与关断。
所述DCDC模块包括开关驱动逻辑电路、PMOS驱动模块、NMOS驱动模块、PMOS管组合、NMOS管组合、电感组合；如图2所示。
所述开关驱动逻辑电路根据MCU主控电路模块发出的控制信号输出驱动逻辑信号，所述驱动逻辑信号用于控制所述PMOS管驱动模块和所述NMOS管驱动模块。
所述PMOS管驱动模块用于控制所述PMOS管组合的开启和关断；所述NMOS管驱动模块用于控制所述NMOS管组合的开启和关断；所述PMOS管组合包括N个PMOS管；所述NMOS管组合包括N个NMOS管；所述电感组合包括N个电感。所述PMOS管驱动模块能够控制所述PMOS管组合中的部分PMOS管开启，其余部分的PMOS管关断；所述NMOS管驱动模块能够控制所述NMOS管组合中的部分NMOS管开启，其余部分的NMOS管关断。
所述PMOS管组合中的一个PMOS管的D极和所述NMOS管组合中的一个NMOS管的D极连在一起，所述D极连接所述电感组合中的一个电感的一端构成一个DCDC；所述DCDC模块包括N个DCDC，所述PMOS管组合的PMOS管的S极均连在一起，所述NMOS管组合的NMOS管的S均连在一起，N个电感的输出端均连在一起。
所述MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护的方法为：所述太阳能充电管理电路对所述太阳能电池板的输出电压进行变换，将变换后的电压输出给MCU主控电路模块，当所述太阳能充电管理电路的输出电压大于等于太阳能设定阈值时，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给所述电池组；否则，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给所述电容器组，MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组给电池组充电；MCU主控电路模块获取电池组的电压，当电池组的电压大于电池设定阈值时，MCU主控电路模块通过充电管理模块控制太阳能充电管理模块停止对电池充电，或，MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组停止对电池组充电。
所述MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，当外部负载启动过程中，所述外部负载消耗的电流大于等于电池组设定放电电流时，MCU主控电路模块控制所述DCDC模块打开，使所述电容器组通过DCDC模块向所述外部负载供电。
所述太阳能充电管理电路中包括防反充电路，所述防反充电路为肖特基二极管。所述混合电源系统能够不间断持续供电。所述混合电源系统的最大输出电流为2200A。所述混合电源系统的最大输出功率为24000W。所述电容器组输出的电能经所述DCDC模块输出至外部负载的持续时间大于等于3.5s。
实施例：
太阳能作为一种可再生能源逐步在各个领域得到广泛应用。但存在能量过剩的储能问题以及光源不足时无法持续供电问题。
超级电容的能量密度较低，不能持续长时间的释放电能，但其功率密度大，可以快速充放电，且超级电容的充放电循环寿命较长，可频繁使用；
电池的性能与超级电容相反，其能量密度较大，自放电低，可以储存大量的电能，但其功率密度较低，充放电的速度较慢，而且循环寿命较短，同时在充放电过程中电流电压过充过放及温度过高等不可逆的损害，降低了电池的使用周期。
本发明设计的混合电源系统是将不同种类的电源系统组合，通过优化设计，扬长避短，以发挥单一电源系统所难以达到的性能的系统。
利用电池高比能量与超级电容高比密度的互补特性，并辅以太阳能能量来源进行系统电源供给。
一种混合电源系统，所述混合电源系统结构图如图1所示，包括太阳能电池板、太阳能充电管理电路、电容器组、DCDC模块、电池组、充电管理模块、电流检测模块、MCU主控电路模块及负载。DCDC模块包括开关驱动逻辑电路、PMOS驱动模块、NMOS驱动模块、PMOS管组合、NMOS管组合、电感组合；
本发明中太阳能电池板输出的电能经太阳能充电管理电路输出至电容器组和电池组，电容器组输出的电能经DCDC模块输出至电池组；电池组和电容器组将电能输出给外部负载；
本发明中MCU主控电路模块用于控制所述太阳能充电管理电路的输出，MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护，MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取对电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，MCU主控电路模块用于控制所述DCDC模块的开启与关断。
本发明中开关驱动逻辑电路用于接收MCU主控电路模块发出的控制信号，输出一定频率的驱动逻辑信号，并通过驱动逻辑信号控制PMOS管驱动模块和NMOS管驱动模块。
本发明中PMOS管驱动模块和NMOS管驱动模块用于对从开关逻辑电路接收的信号进行处理，处理后的逻辑信号用于控制PMOS管组合和NMOS管组合的开启和关断。PMOS管的D极和NMOS管的D极连在一起，D极连接电感构成单个DCDC，所述DCDC模块包括N个DCDC，把N个PMOS管的S极连在一起，N个NMOS管的S极连在一起，N个电感的输出端连在一起。
本发明中电感组合用于限流、滤波，和以磁场的形式暂时存储和释放能量。
本发明中充电过程，可以通过外接电源充电。在无外接电源情况下，由太阳能能量进行充电。
本发明中MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护，太阳能充电管理电路对获取的太阳能电池板电压进行处理，将处理后的电压传送给MCU主控电路模块，当太阳能电池板的电压大于等于太阳能设定阈值时，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给电池组；否则，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给电容器组，MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组给电池组充电。MCU主控电路模块获取电池组的电压，当电池组的电压大于电池设定阈值时，MCU主控电路模块通过充电管理模块控制太阳能充电管理模块停止对电池充电，或MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组停止对电池组充电。
本发明中MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取对电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，当外部负载启动过程中，外部负载消耗的电流大于等于电池组设定放电电流时，MCU主控电路模块控制DCDC模块打开，使电容器组通过DCDC模块向外部负载供电。
本实施例的混合电源系统的主要技术指标见表1。
表1
Figure BDA0001878334870000071
Figure BDA0001878334870000081
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种混合电源系统，其特征在于：包括太阳能电池板、太阳能充电管理电路、电容器组、DCDC模块、电池组、充电管理模块、电流检测模块、MCU主控电路模块；
所述太阳能电池板输出的电能经太阳能充电管理电路输出至所述电容器组和所述电池组，所述电容器组输出的电能经所述DCDC模块输出至所述电池组和外部负载；所述电池组将电能输出给外部负载；
所述MCU主控电路模块用于控制所述太阳能充电管理电路的输出，MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护，MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，MCU主控电路模块用于控制所述DCDC模块的开启与关断；
所述DCDC模块包括开关驱动逻辑电路、PMOS驱动模块、NMOS驱动模块、PMOS管组合、NMOS管组合、电感组合；
所述开关驱动逻辑电路根据MCU主控电路模块发出的控制信号输出驱动逻辑信号，所述驱动逻辑信号用于控制所述PMOS管驱动模块和所述NMOS管驱动模块；
所述PMOS管驱动模块用于控制所述PMOS管组合的开启和关断；所述NMOS管驱动模块用于控制所述NMOS管组合的开启和关断；所述PMOS管组合包括N个PMOS管；所述NMOS管组合包括N个NMOS管；所述电感组合包括N个电感；
所述PMOS管组合中的一个PMOS管的D极和所述NMOS管组合中的一个NMOS管的D极连在一起，所述D极连接所述电感组合中的一个电感的一端构成一个DCDC；所述DCDC模块包括N个DCDC，所述PMOS管组合的PMOS管的S极均连在一起，所述NMOS管组合的NMOS管的S均连在一起，N个电感的输出端均连在一起；
所述MCU主控电路模块通过充电管理模块对所述电池组进行充电保护的方法为：
所述太阳能充电管理电路对所述太阳能电池板的输出电压进行变换，将变换后的电压输出给MCU主控电路模块，当所述太阳能充电管理电路的输出电压大于等于太阳能设定阈值时，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给所述电池组；否则，MCU主控电路模块控制充电管理模块将太阳能电池板输出的电能输出给所述电容器组，MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组给电池组充电；MCU主控电路模块获取电池组的电压，当电池组的电压大于电池设定阈值时，MCU主控电路模块通过充电管理模块控制太阳能充电管理模块停止对电池充电，或，MCU主控电路模块通过DCDC模块控制电容器组停止对电池组充电。
2.根据权利要求1所述的一种混合电源系统，其特征在于：所述MCU主控电路模块通过所述电流检测模块获取电池组的充电电流和电池组对负载的放电电流，当外部负载启动过程中，所述外部负载消耗的电流大于等于电池组设定放电电流时，MCU主控电路模块控制所述DCDC模块打开，使所述电容器组通过DCDC模块向所述外部负载供电。
3.根据权利要求1所述的一种混合电源系统，其特征在于：所述太阳能充电管理电路中包括防反充电路，所述防反充电路为肖特基二极管。
4.根据权利要求1所述的一种混合电源系统，其特征在于：所述混合电源系统能够不间断持续供电。
5.根据权利要求1所述的一种混合电源系统，其特征在于：所述混合电源系统的最大输出电流为2200A。
6.根据权利要求1所述的一种混合电源系统，其特征在于：所述混合电源系统的最大输出功率为24000W。
7.根据权利要求1所述的一种混合电源系统，其特征在于：所述PMOS管驱动模块能够控制所述PMOS管组合中的部分PMOS管开启，其余部分的PMOS管关断；所述NMOS管驱动模块能够控制所述NMOS管组合中的部分NMOS管开启，其余部分的NMOS管关断。
8.根据权利要求1所述的一种混合电源系统，其特征在于：所述电容器组输出的电能经所述DCDC模块输出至外部负载的持续时间大于等于3.5s。
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