发明内容
基于此,有必要针对光伏路灯使用寿命短,维护成本高的问题,提供一种光伏路灯控制装置和光伏路灯设备。
一种光伏路灯设备的供电控制装置,该装置包括:直流充电模块、超级电容模块、路灯驱动模块以及控制模块,直流充电模块用于与光伏路灯设备的光伏电池板连接;超级电容模块与路灯驱动模块以及直流充电模块连接;路灯驱动模块用于与光伏路灯设备的照明组件连接,路灯驱动模块用于将超级电容模块输出的电源输送至照明组件;控制模块与路灯驱动模块、直流充电模块以及超级电容模块连接。
上述的装置,控制模块对超级电容模块的电压状态监测并通过生成反馈信号至直流充电模块,使得直流充电模块能够根据反馈信号实时调整充电参数,提高充电效率,能够高效的将太阳能充分存储补充至超级电容模块中,避免了超级电容储能不足造成的照明效果不理想以及使用寿命短的问题,有效的免除了后续光伏路灯的维护成本。
在其中一个实施例中,超级电容模块包括正极输入端和负极输入端,直流充电模块包括输入电压检测单元、控制开关单元以及输出电压检测单元,输入电压检测单元与光伏电池板的正极端、光伏电池板的负极端以及控制模块连接,控制开关单元与光伏电池板的正极端、超级电容模块的正极输入端以及控制模块连接,输出电压检测单元与超级电容模块的正极输入端、超级电容模块的负极输入端以及控制模块连接;超级电容模块的负极输入端还与光伏电池板的负极端连接。
在其中一个实施例中,输入电压检测单元为第一电阻组件,控制开关单元为第一开关管组件,输出电压检测单元为第二电阻组件,第一电阻组件的输入端与光伏电池板的正极端连接,第一电阻组件的输出端与光伏电池板的负极端连接,第一电阻组件的采样端与控制模块连接,第一开关管组件的输入端与光伏电池板的正极端连接,第一开关管组件的控制端与控制模块连接,第一开关管组件的输出端与超级电容模块的正极输入端连接,第二电阻组件的输入端与超级电容模块的正极输入端连接,第二电阻组件的输出端与超级电容模块的负极输入端连接,第二电阻组件的采样端与控制模块连接。
在其中一个实施例中,控制模块包括控制器、采样驱动电路、监测电路,采样驱动电路与控制器、第一电阻组件的采样端、第二电阻组件的采样端以及第一开关管组件的控制端连接,监测电路与超级电容模块以及控制器连接;采样驱动电路用于采集第一电阻组件的电压、第二电阻组件的电压并发送至控制器,控制器根据超级电容模块的电压状态、第一电阻组件的电压、第二电阻组件的电压生成相应的驱动信号并发送至采样驱动电路以驱动第一开关管组件导通或关断。
在其中一个实施例中,监测电路包括电压监测芯片以及光电耦合器,电压监测芯片与超级电容模块以及光电耦合器连接,光电耦合器与控制器连接。
在其中一个实施例中,控制信号包括开关信号以及调光信号,路灯驱动模块包括恒流驱动单元以及灯光控制单元,灯光控制单元与超级电容模块的正极输出端、超级电容的负极输出端、控制模块以及恒流驱动单元连接,恒流驱动单元与超级电容模块的正极输出端、超级电容的负极输出端、灯光控制单元、照明组件以及控制模块连接,控制模块用于输出开关信号至灯光控制单元以控制照明组件的开关,和/或控制模块用于输出调光信号至恒流驱动单元以对照明组件进行调光。
在其中一个实施例中,恒流驱动单元包括恒流驱动芯片、第三电阻组件以及电容组件,灯光控制单元包括第四电阻组件、灯光开关管组件,灯光开关管组件的输入端与第三电阻组件连接,第三电阻组件与超级电容模块的正极输出端、照明组件以及接地端连接,灯光开关管组件的输出端与恒流驱动芯片的接地引端连接,灯光开关管组件的控制端与控制模块连接,恒流驱动芯片的电压保护端与电容组件的一端、第三电阻组件连接,第三电阻组件与超级电容模块的正极输出端、照明组件以及电容组件的另一端连接,恒流驱动芯片的调光端与控制模块连接。
在其中一个实施例中,该装置还包括启动模块,启动模块与光伏电池板以及控制模块连接,启动模块用于对光伏电池板的电源进行稳压直流变换,并输送变换后的稳压直流电源至控制模块。
通过设置启动模块,使得光伏电池板能够直接为控制模块供电,能够避免在超级电容存储电量不足的情况下,无法为控制模块供电而使得整个光伏路灯进入宕机状态的问题,为光伏路灯的正常工作提高了保障,免除了人工启动的维护成本。
在其中一个实施例中,该装置还包括物联网模块,物联网模块与控制模块连接,物联网模块用于与服务器平台进行数据通信。
在其中一个实施例中,一种光伏路灯设备,包括光伏电池板、照明组件以及上述的控制装置,光伏电池板和照明组件与控制装置连接。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
在一个实施例中,如图1所示,提供了一种光伏路灯设备的供电控制装置,该装置包括有直流充电模块100、超级电容模块200、路灯驱动模块300以及控制模块400。其中,直流充电模块100用于与光伏路灯设备的光伏电池板连接;超级电容模块200与路灯驱动模块300以及直流充电模块100连接;路灯驱动模块300用于与光伏路灯设备的照明组件连接,路灯驱动模块300用于将超级电容模块200输出的电源输送至照明组件;控制模块400与路灯驱动模块300、直流充电模块100以及超级电容模块200连接。
直流充电模块100根据光伏电池板传输的电能对超级电容模块200充电,控制模块400用于输出控制信号至路灯驱动模块300,驱动路灯驱动模块300根据超级电容模块200存储的电量对照明组件进行控制,控制模块400还用于获取超级电容模块200的电压状态,根据电压状态生成驱动信号并发送至直流充电模块100;直流充电模块100根据驱动信号对超级电容模块200的电压状态进行调节。
光伏路灯设备在正常白昼情况下,光伏电池板将吸收太阳能,并将太阳能转换成电能,然后通过直流充电模块100对超级电容模块200进行充电,由于在白昼时日照较为充足,此阶段光伏路灯设备中的照明组件不会工作以提供照明,而超级电容模块200此阶段则通过直流充电模块100的充电,来存储电能。直流充电模块100对超级电容模块200的充电可以分为两种,一种是大电流充电(例如大电流充电的电流不超过50A),一般在超级电容模块200存储的电能较少的情况下,控制模块400通过检测到超级电容模块200两端电压较低,将生成驱动信号发送至直流充电模块100,此时直流充电模块100就会对超级电容模块200进行大电流充电,从而使得超级电容模块200能够快速的存储大量的电源;另一种则是小电流或微电流充电,一般在超级电容模块200存储的电能较多的情况下,控制模块400通过检测到超级电容模块200两端的电压较高,通过驱动信号来使得直流充电模块100对超级电容模块200进行小电流或微电流充电。
光伏路灯设备在从白昼进入到夜晚之后,缺乏太阳光照明,此时照明组件需要启动,提供照明。而超级电容模块200则将存储的电能通过路灯驱动模块300提供给照明组件以进行照明,在这个过程中,控制模块400可以产生相应的控制信号发送给路灯驱动模块300来调节照明组件的开关以及照明亮度。例如在傍晚时分,可以将照明组件的照明亮度调节的相对较低,而在深夜则可以将照明组件的照明亮度调节的相对较高,从而有效的较低能耗。
需要说明的是,超级电容是一种具有超低内阻,可小电流充电以及充电时间短的电池组件,超级电容模块200可以是由多组超级电容组成的,例如采用3串至10串2.7V能量型超级电容器,超级电容相对于传统的铅酸电池,超级电容的使用寿命更长,充放电寿命可达50万次,通过采用超级电容模块200,相对于传统的光伏路灯中的铅酸电池,超级电容模块200中的超级电容还不会对环境造成污染,避免了铅酸电池对土壤等产生的污染。
上述的装置,控制模块400对超级电容模块200的电压状态监测并通过生成反馈信号至直流充电模块100,使得直流充电模块100能够根据反馈信号实时调整充电参数,提高充电效率,能够高效的将太阳能充分存储补充至超级电容模块200中,避免了超级电容储能不足造成的照明效果不理想以及使用寿命短的问题,免除了光伏路灯的维护成本。
在一个实施例中,如图2所示,提供了一种直流充电模块100,直流充电模块100包括输入电压检测单元110、控制开关单元120以及输出电压检测单元130,输入电压检测单元110与光伏电池板的正极端、光伏电池板的负极端以及控制模块400连接,控制开关单元120与光伏电池板的正极端、超级电容模块200的正极输入端以及控制模块400连接,输出电压检测单元130与超级电容模块200的正极输入端、超级电容模块200的负极输入端以及控制模块400连接;超级电容模块200的负极输入端还与光伏电池板的负极端连接。
在直流充电模块100对超级电容模块200进行充电的过程中,可以通过控制开关单元120来控制是否对超级电容模块200进行大电流充电,例如,当控制模块400检测到超级电容模块200两端的电压较低时,可以通过发送驱动信号(例如高电平信号)至直流充电模块100中控制开关单元120的控制端,使得控制开关单元120导通,此时相当于光伏电池板的正极端以及负极端直接与超级电容模块200的正极输入端以及负极输入端连接,从而实现了大电流充电,提高了充电效率,保证超级电容模块200能够在较短的时间内存储较多的电能。反之,控制模块400也可以输入驱动信号(例如低电平信号)至直流充电模块100中控制开关单元120的控制端,使得控制开关单元120关断,从而退出大电流充电模式。其中,控制模块400还可以发送PWM信号来控制直流充电模块100中的控制开关单元120,例如通过减小PWM信号的占空比,以控制流经充电模块中的控制单元的电流大小等等。相应的,在另一个实施例中,直流充电模块100还可以采用其它的模式对超级电容模块200进行充电,例如通过控制模块400对超级电容模块200两端的电压进行检测,可以进行MPPT(MPPT,最大功率点跟踪)充电。
在充电的过程中,控制模块400还会通过输入电压检测单元110以及输出电压检测单元130来检测光伏电池板的输出电压以及超级电容模块200的输入电压,可以防止在大电流充电模式中,输出电压以及输入电压过大,损坏超级电容模块200以及避免充电过程中的风险等等。进一步的,在另一个实施例中,直流充电模块100可以是BUCK型(降压型)DC/DC变换器,
在一个实施例中,如图3所示,提供了直流充电模块100的电流原理图,其中,输入电压检测单元110为第一电阻组件,控制开关单元120为第一开关管组件,输出电压检测单元130为第二电阻组件。第一电阻组件的输入端与光伏电池板的正极端连接,第一电阻组件的输出端与光伏电池板的负极端连接,第一电阻组件的采样端(AN0端)与控制模块400连接,第一开关管组件的输入端与光伏电池板的正极端连接,第一开关管组件的控制端(PWM1端)与控制模块400连接,第一开关管组件的输出端与超级电容模块200的正极输入端连接,第二电阻组件的输入端与超级电容模块200的正极输入端连接,第二电阻组件的输出端与超级电容模块200的负极输入端连接,第二电阻组件的采样端(AN1端)与控制模块400连接。
具体的,第一电阻组件包括电阻R1以及电阻R2,电阻R1与电阻R2的公共端即为第一电阻组件的采样端(AN0端),电阻R1与电阻R2的电阻值可以根据实际情况进行设置,可以理解,在其它的实施例中,第一电阻组件除了由电阻R1和电阻R2组成之外,还可以多个其它的电阻通过串联或并联的方式组成,且电阻的具体的数量可以不受限制。控制开关单元120包括MOS管Q1,其中,在其它的实施例中,控制开关单元120还可以采用其它的开关器件,例如三极管、IGBT模块(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)或者继电器等等。第二电阻组件包括电阻R3以及电阻R4,电阻R3以及电阻R4的公共端即第二电阻组件的采样端(AN1端),电阻R3与电阻R4的电阻值可以根据实际情况进行设置,可以理解,在其它的实施例中,第一电阻组件除了由电阻R1和电阻R2组成之外,还可以多个其它的电阻通过串联或并联的方式组成,且电阻的具体的数量可以不受限制。
可以理解,在一实施例中,如图3所示,直流充电模块100还可以包括有二极管D1、电阻R9以及电容C1等,其中二极管D1可以起到保护的作用,用于保护MOS管Q1防止被反向击穿,电阻R9可以起到限流的作用,同时通过采集电阻R9的电流也可以对当前直流充电模块100的充电电流进行采集,电容C1能够起到存储电能的目的。
通过设置第一电阻组件、第二电阻组件,可以对直流充电模块100充电过程中的输入电压以及输出电压进行检测,防止电压过高造成充电风险,通过设置控制开关组件,则能够使得直流充电模块100能够对超级电容模块200进行大电流充电,使得超级电容模块200能够快速的存储足够的电能。
在一个实施例中,如图4所示,控制模块400包括控制器410、采样驱动电路430、监测电路420,采样驱动电路430与控制器410、第一电阻组件的采样端、第二电阻组件的采样端以及第一开关管组件的控制端连接,监测电路420与超级电容模块200以及控制器410连接。采样驱动电路430用于采集第一电阻组件的电压、第二电阻组件的电压并发送至控制器410,控制器410根据超级电容模块200的电压状态、第一电阻组件的电压、第二电阻组件的电压生成相应的驱动信号并发送至采样驱动电路430以驱动第一开关管组件导通或关断。
第一开关组件导通或者截断可以是由超级电容模块200的电压状态或者第一电阻组件的电压或者是第二电阻组件的电压决定的,例如当第一电阻组件的电压过高(即光伏电池板的输出电压过高),例如高出预设阈值时,此时可能需要关断第一开关管组件,防止充入到超级电容模块200中的电压过高,造成损坏等。其中,控制器410可以采用MCU控制单元例如ATmega128A为控制芯片,采样驱动电路430中可以设置HCPL-3120芯片,当控制芯片计算出超级电容模块200的电压状态较低或者是第一电阻组件的电压较高等等时,就会发送驱动信号至采样驱动电路430中的HCPL-3120芯片,然后采样驱动电路430中的HCPL-3120芯片将该驱动信号传输至第一开关管单元(例如MOS管Q1的栅极),使得第一开关管组件相应的导通或者是关断。
监测模块可以监测超级电容模块200中每一组超级电容电池两端的电压状态,并将监测结果输出至控制芯片的相关I/O接口,以使得控制芯片能够及时的获取到超级电容模块200的电压状态。
通过设置采样驱动电路430,能够实时的采集第一电阻组件的电压以及第二电阻组件的电压并传输给控制器410,使得控制器410可以根据计算生成相应的驱动信号,并使得驱动信号通过采用驱动电路来控制第一开关管组件的导通或关断,同时,通过监测模块监测超级电容模块200中单体电容电池两端的电压,并输出监测信号传递到控制芯片的I/O口,当单体电容电池两端的电压出现过压/欠压时,通过控制芯片调整BUCK型直流充电电路的充电电流,实现对超级电容模块200的保护,提高超级电容模块200的使用寿命和系统可靠性。
在一个实施例中,如图4所示,该供电控制装置还包括物联网模块700,物联网模块700与控制模块400连接,物联网模块700用于与服务器平台进行数据通信。
物联网模块700可以是集中器,例如LoRa无线物联网模块700,可以通过2G/3G/4G网络进行联网,将光伏路灯的状态数据信息等发送至云平台或者管理设备,实现远程对光伏路灯进行监管的目的,例如云平台在获取到光伏路灯的状态数据信息之后,可以通过下发相应的指令给物联网模块700,然后物联网模块700将该指令传输至控制模块400,从而实现对光伏路灯的在线管理,其中,在线管理包括控制光伏路灯的开关、照明组件的调光、故障监控以及超级电容模块200的电能管理等等。
在一个实施例中,如图4所示,该供电装置还包括启动模块800,启动模块800与光伏电池板以及控制模块400连接,启动模块800用于对光伏电池板的电源进行稳压直流变换,并输送变换后的稳压直流电源至控制模块400。
启动模块800可以在超级电容模块200存储的电能不足的情况下启动,直接将光伏电池板的电源进行稳压直流转换,提供给控制模块400以使得控制模块400能够得电进入工作状态,例如,当长期的阴雨天气导致超级电容模块200存储的电能不足,无法给控制模块400供电时,此时控制模块400会进入断电状态,使得整个光伏系统无法工作,而当长期的阴雨天气结束之后,太阳光能够照射到光伏板进行光电转换时,启动模块800就可以相应的自动启动(例如当太阳光照射到光伏板处时,此时光伏板的电动势较高,而控制模块400的电动势相对较低,在电动势差值较大的情况下,启动模块800就可以相应的启动),将光伏电池板的电能转换为控制模块400所需的稳压直流电源,来给控制模块400供电,当控制模块400得电进入到工作状态之后,整套光伏路灯系统就能够自动启动,而不需要人工手动启动,免除了人工维护成本。同时,通过设置启动模块800,也能够避免超级电容模块200出现故障而无法为控制模块400供电的情况。
通过设置启动模块800,能够防止在超级电容模块200储能不足,控制模块400进入到断电状态下,整套光伏路灯无法正常工作的问题,有效的提高了光伏路灯的可靠性以及免除了所需的人工维护步骤。
在一个实施例中,如图5所示,提供了启动模块800的电路原理图,启动模块800包括有稳压芯片78M12以及LM34系列DC/DC直流转换芯片,其中稳压芯片78M12与LM34系列DC/DC直流转换芯片还设置有相应的二极管,以起到保护的作用。启动模块800通过稳压芯片78M12将光伏电池板的输出的电源电压稳压到12V,然后通过直流转换芯片将稳压后的12电源电压转换为直流电压输送至控制模块400,以对控制模块400进行供电。
在一个实施例中,如图6所示,提供了监测电路420的电路原理图。监测电路420包括电压监测芯片以及光电耦合器422,电压监测芯片与超级电容模块200以及光电耦合器422连接,光电耦合器422与控制器410连接。电压监测芯片的VDD端与超级电容模块200的正极输出端连接,电压监测芯片的VCC端与超级电容模块200中的负极输出端连接,光电耦合器422的输入端则与电压监测芯片的输出端连接,光电耦合器422的接地端接地,光电耦合器422的电源引脚接入5V电源并与控制模块400相连接,进一步的,在其它实施例中,电压监测芯片可以采用S-808系列的电压检测芯片421,光电耦合器422可以采用PC817光电耦合器422,可以理解,采用光电耦合器422能够对电路进行隔离,即将控制模块400与电压监测芯片进行隔离,提高电路的可靠性。
在一个实施例中,如图7所示,提供了路灯驱动模块300的结构框图,其中,路灯驱动模块300包括恒流驱动单元320以及灯光控制单元310,灯光控制单元310与超级电容模块200的正极输出端、超级电容的负极输出端、控制模块400以及恒流驱动单元320连接,恒流驱动单元320与超级电容模块200的正极输出端、超级电容的负极输出端、灯光控制单元310、照明组件以及控制模块400连接,控制模块400输出的控制信号包括开关信号以及调光信号,灯光控制单元310通过开关信号以控制照明组件的开关,恒流驱动单元320通过调光信号以对照明组件进行调光。
通过恒流驱动单元320输出恒流电源至照明组件,能够有效的保证照明组件正常工作,且恒流驱动单元320还能够根据控制模块400发送的调光信号对照明组件进行调光,例如可以在光照较好的傍晚降低照明组件的照明亮度,在光照较差的深夜提高照明组件的照明亮度,能够提高能源的利用率,而通过灯光控制单元310则能够对照明组件的供电电源进行控制,当不需要照明组件照明时,灯光控制单元310可以通过控制模块400发送的开关信号自动关断输出至照明组件的电源,从而实现对照明组件的开关控制。
在一个实施例中,如图8所示,提供了路灯驱动模块300的电路图,恒流驱动单元320包括恒流驱动芯片、第三电阻组件以及电容组件,灯光控制单元310包括第四电阻组件、灯光开关管组件,灯光开关管组件的输入端与第三电阻组件连接,第三电阻组件与超级电容模块200的正极输出端、照明组件以及接地端连接,灯光开关管组件的输出端与恒流驱动芯片的接地端(恒流驱动芯片的GND引脚)连接,灯光开关管组件的控制端与控制模块400连接,恒流驱动芯片的电压保护端(恒流驱动芯片的OVP引脚)与电容组件的一端、第三电阻组件连接,第三电阻组件与超级电容模块200的正极输出端、照明组件以及电容组件的另一端连接,恒流驱动芯片的调光端(恒流驱动芯片的PWM引脚)与控制模块400连接。
其中,恒流驱动芯片为TPS92691芯片,第三电阻组件包括电阻R7以及电阻R8,电阻R7与电阻R8的公共端与恒流驱动芯片的OVP引脚连接,电阻R7的另一端与照明组件中LED的正极端连接,电阻R8的另一端与恒流驱动芯片的LED-引脚连接之后,与照明组件中LED的负极端连接,电容组件包括电容C3,电容C3与电阻R8并联第四电阻组件包括电阻R5以及电阻R6,灯光开关管组件包括开关管Q2,开关管Q2的一端与恒流驱动芯片的GND引脚连接,恒流驱动芯片的Vin引脚与超级电容模块的正极输出端连接,恒流驱动芯片的PWM引脚则与控制模块连接。可以理解,在其它实施例中,第三电阻组件还可以是多个电阻串联或并联组成,电阻的阻值以及数量可以根据实际情况进行选择,电容C3可以是多个电容串联或并联组成,电容的容值以及数量可以根据实际情况进行选择,而第四电阻组件也可以是多个电阻串联或并联组成,电阻的阻值以及数量可以根据实际情况进行选择。其中,在另一个实施例中,照明组件可以是LED光源,通过采用TPS92691芯片作为恒流驱动芯片,能够适应24V-42V的LED光源,使得能量的转换效率提升到最高(最高为96%),而且输出功率分辨率可以达到1%,实现了节能以及电子化开关。
进一步的,在另一个实施例中,调光信号可以是PWM信号,控制模块400可以通过输出相应的PWM信号至恒流驱动芯片,来实现恒流驱动芯片对照明组件的调光目的,在其它的实施例中,灯光开关管组件可以是MOS管或者是三极管等,灯光开关管组件与控制模块400之间还可以设置其它的三极管,例如设置BC847三极管来进一步将灯光开关管组件与控制模块400进行隔离,保证电路的可靠性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。