CN112653225A - 光伏电池供电的智能化电源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏供电的智能化电源管理系统包括：电池电源的充放电系统（201）、供电电路保护系统（202）、用电设备保护系统（203），所述电池电源的充放电系统包括太阳能充放电（21）、市电充放电（22）和蓄电池充放电（23）；所述供电电路保护系统包括负载智能调节电路（24）、过压过流保护电路（25）和断电故障报警电路（26）；所述电池电源的充放电系统与供电电路保护系统之间引入整流桥（204）；所述用电设备保护系统包括延时电路（205）、自动关闭切换电路（206）和防爆电路（207）。本发明使用负载智能调节电路，实现根据负载的变化进行智能的调整;防爆电路来消除电火花，提高光伏电系统的工作效率。

Description

光伏电池供电的智能化电源管理系统
技术领域
本发明涉及一种光伏电池、防爆技术领域，具体应该是一种光伏供电的智能化管理系统。
背景技术
由于供电系统中的线路经常涉及铺设在野外，因而常会发生线路损坏无法及时检修的现象发生，并且会影响用电设备的正常工作，引起巨大损失；另外由于机器在空转状态下的时间过长，则会引起不必要的浪费，而且如果不对电池的充放电电流加以考虑，则会加快电池的损坏速度。
在供电系统设计中，可能会由于太阳光的强弱造成对电池的充电电压震荡不稳，输出电路出现故障而无法及时发现而导致系统无法正常工作，以及由于用电设备打开后长期处于空置的状态而引起不必要的浪费，开关处于空气中产生的电火花而造成危险。
专利CN 106505843 B公开了一种开关电源的防爆电路,参照图1所示是由过压自锁电路和供电切断电路组成。其过压自锁电路用于在过压自锁电路的输入电压超过第一预设阈值、且所述过压自锁电路（101）的输出端A1为预设电压时,控制过压自锁电路的输出端A2由0V变为所述预设电压,且维持在预设电压；供电切断电路（102）用于在所述供电切断电路的输入端B1和所述供电切断电路的输入B2均为预设电压时,控制供电切断电路的输出端为零。该方法在一定程度降低了开关电源的危险系数，但是开关电源的电火花并没有得到消除，还是存在安全隐患。此外供电系统在危险条件下工作时，对电路的连接部分没有采取保护措施。
发明内容
本发明专利所要解决的技术问题在于，提供一种PI智能调节电路（208）、自动切换电路（206）和发生故障时的报警电路以及自动关闭防爆电路（207）来优化光伏电池供电系统的性能，解决由于太阳光的强弱造成对电池的充电电压震荡不稳、因输出电路出现故障无法及时发现而导致系统的无法正常工作、因用电设备打开后长期处于空置的状态而引起不必要的浪费以及开关处于空气中产生的电火花而造成爆炸等问题。
为了解决上述技术问题，本发明专利提供的一种光伏电池供电的智能化电源管理系统，应用于野外、油气密度大的场合。所述光伏电池供电系统是由市电充放电、太阳能充放电和蓄电池充放电，用于对系统进行供电，所述智能化是根据负载的变化工作电压进行自动调整。所述光伏电池供电的智能化电源管理系统包括：电池电源的充放电系统（201）、供电电路保护系统（202）、用电设备保护系统（203），其中，
所述的电池电源的充放电系统，包括太阳能电池板充放电电路（21）、市电充电电路（22）和过充过流保护电路（23），所述太阳能电池板充放电电路与市电充电电路连接，共同向蓄电池进行充电；所述太阳能电池板充放电电路与蓄电池充放电电路连接，可同时对用电设备进行供电。所述太阳能电池板充放电电路与蓄电池充放电电路输出线路中增加了二极管（204），所以太阳能电池板和蓄电池中电压高的优先供电，提高效率。
所述过充过流保护电路运用传感器（303）来检测蓄电池电压信号，把传感器监控太阳能（301）给蓄电池（302）充电过程，来实现蓄电池的过充过放保护电路。若蓄电池没充满电，传感器检测到弱电压信号让太阳能发电板给蓄电池充电；若蓄电池充满电，传感器检测到高电压信号，停止对蓄电池充电。使电池不至于处于欠压或者处于过充状态，保证电池能够长时间工作在额定功率之内，有效延长蓄电池的使用寿命。
将充放电系统和电池充放电系统组合起来，实现太阳能电池组和太阳能电池板以及市电间的配合供电，为供电系统提供稳定电源。
所述供电系统电路保护系统，包括PI智能调节电路（208）、过压过流保护电路（501）和自动切换故障报警电路（206）。
所述PI智能调节电路，是运用PI调节器（208）对负载（209）的变化工作电流进行自动调整。打开电源，负载电流逐渐增大，系统电流与负载电流会逐渐减小，直到二者相等时，负载逐渐运行稳定；若负载增大，负载电流减小，电流差会逐渐增大，PI调节器会使负载电流升高，从而补偿负载电流消耗的压降；系统又开始进入稳定运行状态；若负载减小，负载电流增大，电流差会逐渐减小，PI调节器会使负载电流逐渐降低，从而避免负载电流过高而导致的电流过大，从而系统实现随负载变化进行智能调整，以保证电池能量能够根据负载的变化智能优化供电配置，比如供电电压从20V成15V供电。
所述过压过流保护电路，包括NE555（51）、两只BC547C型的NPN三极管（52）Q1、2N3637型号的PNP型三极管（53），以及稳压二极管（54），所述两只NPN三极管与NE555连接，三极管处于截止状态、NE555复位时，电路正常工作，所述NE555，在过压或过流状态时，3号引脚会输出高电位，发光二极管会导通发光，用电设备处于隔离状态。
所述自动切换故障报警电路（206），包括三条线路和两个继电器（61），所述继电器在线路一、线路二中，三条电路都正常时，仅有一条电路可以工作，其余两条电路不导电，若供电电路发生故障，则会自动切换正常电路，如此即可保证即使是发生断路，也能够正常供电。
所述故障报警电路（601），包括发光二极管（62）和蜂鸣器（63），即使发生断路，也能够及时判断故障并发出警报，同时切换线路，提高供电效率和安全性，而且方便检查维修。
所述用电设备保护系统，包括电压比较器（71）、继电器1（75）和延时电路（205），所述电压比较器与继电器1连接，通过比较两端的电压觉得继电器是否闭合，从而切断整个电路。所述延时电路与继电器连接，依靠延时电路与自动关闭电路配合，便可以实现用电设备空转一定时间后自动关闭的功能，以此来减小由于用电设备长时间空转而引起的不必要的浪费。
所述防爆电路（207），对整个电路进行了防爆保护，其中对开关消除电火花进行了电路设计。所述开关消除电火花电路，包括电阻（81）、电容（82）和电感（84），所述开关与电阻、电容并联来消除开关上的电火花。
附图说明
图1为开关电源的防爆电路图。
图2为系统工作供电总原理图。
图3为蓄电池自动充放电原理流程图。
图4为过压过流保护电路原理示意图。
图5为断电自动切换线路示意图。
图6为电路断电报警电路设计示意图。
图7为自动关闭电路示意图。
图8为延时电路原理图示意图。
图9为开关消除电火花电路设计示意图。
图10、图11为负载改变智能调节闭环回路及原理图。
图12为控制器控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对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专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如流程图3所示，运用传感器（303）来检测蓄电池（302）电压信号，把传感器运用到太阳能（301）给蓄电池充电，来实现蓄电池的过充过放保护电路。若蓄电池没充满电，传感器检测到电压信号让太阳能发电板给蓄电池充电，若蓄电池充满电传感器检测到电压信号，停止对蓄电池充电，充电电路断开，充电结束。这样就可以使电池不至于处于欠压或者处于过充状态，使电池能够长时间工作在额定功率之内，有效延长蓄电池的使用寿命。
实施例2
本发明中的运用PI调节器（208）来对负载（209）的变化工作电流进行自动调整，如图10、图11所示,0～t1时刻，打开电源，负载电流逐渐增大，e会逐渐减小，直到I3=I1时，负载逐渐运行稳定；t1～t2时刻，系统运行在稳定状态；t2～t3，负载增大，负载电流I3减小，e=I1-I3，e会逐渐增大，PI调节器会使I2升高，则I3也会升高，从而补偿负载电流消耗的压降；t3～t4时刻，系统又开始进入稳定运行状态；t4～t5，负载减小，负载电流I3增大，e= I1-I3，e会逐渐减小，PI调节器会使I2逐渐降低，则I3减小，从而避免I2过高而导致的I3过大，从而系统实现随负载变化进行智能调整，以保证获得长时间供电。而过压过流保护电路（501）在过压或过流状态时，NE555（51）的3号引脚会输出高电位，发光二极管（55）会导通发光，表示用电设备处于隔离状态，如图4所示。
实施例3
图5是依靠两个继电器（61）进行工作，分别来切换断电电路。若线路1断路，继电器1线圈断电，继电器1的开关断开，线路2给用电设备供电，以此类推。三条电路都正常时，仅有一条电路可以工作，其余两条电路不导电，若供电电路发生故障，则会自动切换正常电路，如此即可保证即使是发生断路，也能够正常供电。图6任意一路电路断开，Q3基极变成高电位，三极管（64）导通，那么发光二极管（62）会有电流通过，开始工作，同时三极管的导通拉低了一路蜂鸣器（63）的电位，此时，蜂鸣器就会有电流通过，便会开始工作，本发明利用发光三极管和蜂鸣器来提醒工作人员发生断路，一旦有电路发生断路，就会导通蜂鸣器，再利用发光二极管指示出具体发生断路的线路，便于检查维修。
实施例4
运用控制器（402）来控制整个电路，其工作流程图如图12所示，其工作原理是运用控制器来控制整个系统，若控制器检测到电压或温度信号（401），会输出一个高电平，系统开始工作，若检测到的信号使系统工作稳定（403），控制器会自动断开；若工作不稳定，则继续工作，直到系统工作稳定后自动断开。这样可以延长整个系统或用电设备的使用寿命，从而节省成本，提高工作效率。
图7、图8是运用电压比较器（71）来比较两端的电压进行电压高低电平输出，使用延时电路（205）延时一段时间后继电器线圈（73）进行断开，从而切断整个线路，实现在负载空转时，自动关闭电路的目的。供电系统的延时时间由R1和C1决定，计算公式为：T=1.1×R1×C1，可以通过调整R1（72）来调整工作时长。
图9中瞬态过程电流方向由于自感电势（84）而引起的电流i全部流向电容支路，不再流向开关K接点，故也就很好的避免了电火花的产生，防止爆炸。在其开关上并联电阻（81）、电容（82）的消火花电路其消火花原理和并联在线圈两端是相同的。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以对上述方案进行等同替代，均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种光伏电池供电的智能化电源管理系统，其特征在于，包括：电池电源的充放电系统（201）、供电系统电路保护系统（202）、用电设备保护系统（203）；
所述电池电源的充放电系统包括太阳能充放电（21）、市电充放电（22）和蓄电池充放电（23）；所述供电电路保护系统包括负载智能调节电路（24）、过压过流保护电路（25）和断电故障报警电路（26）；所述电池电源的充放电系统与供电电路保护系统之间引入整流桥（204），避免因为引入交流电而降低供电系统的工作效率；所述用电设备保护系统电路包括延时电路（205）、自动关闭电路（206）和防爆电路（207）。
2.根据权利要求1所述的电池电源的充放电系统，蓄电池（302）的电能来源包括太阳能电池板（301）和市电（充电）两部分组成；
其特征在于，运用传感器（303）来检测蓄电池电压信号，把传感器监控太阳能给蓄电池充电过程，来实现蓄电池的过充过放保护电路；
若蓄电池没充满电，传感器检测到弱电压信号让太阳能发电板给蓄电池充电；若蓄电池充满电，传感器检测到高电压信号，停止对蓄电池充电，使电池不至于处于欠压或者处于过充状态。
3.根据权利要求1所述的供电系统电路保护系统，其特征在于，运用PI调节器（208）来对负载（209）的变化工作电流进行自动调整；
打开电源，负载电流逐渐增大，系统电流与负载电流会逐渐减小，直到二者相等时，负载逐渐运行稳定；若负载增大，负载电流减小，电流差会逐渐增大，PI调节器（208）会使负载电流升高，从而补偿负载电流消耗的压降；系统又开始进入稳定运行状态；若负载减小，负载电流增大，电流差会逐渐减小，PI调节器（208）会使负载电流逐渐降低，从而避免负载电流过高而导致的电流过大,系统实现随负载变化进行智能调整。
4.根据权利要求1所述的供电系统电路保护系统，其特征在于，过压过流保护电路（501）所采用的芯片是NE555（51），选用两只BC547C型的NPN三极管（52）Q1，2N3637型号的PNP型三极管（53），以及稳压二极管（54）；
当电流升高时，供电系统中流过负载的电流过大，系统就将负载隔离起来，负载两端电压接近为0；当电压突然过大时三极管也会将负载隔离，即负载两端的电压为接近0V。
5.根据权利要求1所述的供电系统电路保护系统，其特征在于，自动切换电路（206）依靠两个继电器（61）来实现选择电路的功能；
三条电路都正常时，仅有一条电路可以工作，其余两条电路不导电，若供电电路发生故障，则会发出故障报警（63）并自动切换正常电路。
6.根据权利要求1所述的用电设备保护系统，其特征在于，用一个运算器（71）来实现比较电路的功能；
用电设备的电压大于R1（72）的电压时，电压比较器输出低电平，此时电路正常工作；如果用电设备空转，那么设备的电压会随之减小，那么用电设备的电压会比R1的电压小，此时，同相输入端的电压大于反向输入端的电压，电压比较器放出高电平，经过延时电路（205）的延时一段时间以后，继电器1线圈（73）接通，继电器1（75）的开关吸合，那么继电器2的线圈（74）断路，整个系统断路。
7.根据权利要求1所述的用电设备保护系统，其特征在于，采用了电阻（81）、电容（82）和电感（84）等元器件进行防爆设计；
可以将整个电路看做是一个电感（84）和电阻（81）所组成的原件；
线圈上产生自感电势可以通过电阻r（83）和电阻R（81）对电容（82）进行充电，使电感中的能量在电阻r（83）和电阻R（81）上变成热能释放掉，消除开关电火花。
8.根据权利要求1所述的用电设备保护系统，其特征在于，运用控制器（402）来控制整个系统；
若控制器检测到电压或温度（401）信号，会输出一个高电平，系统开始工作；若检测到的信号使系统工作稳定（403），控制器会自动断开；若工作不稳定，则继续工作，直到系统工作稳定后自动断开。
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