CN115313596A - 一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器 - Google Patents

一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，包括太阳能电池板、超级电容、电压检测保护电路和DC/DC变换电路；所述超级电容，用于对太阳能电池板产生的电能进行存储；所述电压检测保护电路，用于当超级电容的电压超过阈值U1后，对DC/DC变换电路供电，还用于当超级电容的电压低于阈值U2后，对DC/DC变换电路断电。本发明避免了频繁启动DC/DC变换电路，对能量的利用效率有一定的提升，有利于太阳能充电器的进一步发展。

Description

一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器
技术领域
本发明属于电子技术领域，尤其涉及一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器。
背景技术
随着技术的不断进步和发展，太阳能发电作为一种新型的清洁能源，也越来越受到市场和用户的青睐。随之而来的太阳能充电器市场也不断的繁荣和发展。中国发明专利CN111030081A-太阳能收集复合微能源系统及实现超级电容充电控制方法，主要解决了储能问题，但目前现有技术中对于超级电容如何有效的放电，尤其实现最大功率跟踪放电，依旧缺乏可靠的技术。
市场上所使用的太阳能充电器等设备，其在使用的时候都存在一定的局限性。比如在阴雨、雾霾天气时候，太阳能充电板无法及时给电池充电。传统的太阳能充电器，其在使用的过程中在光照强度的不足的情况下，由于MPPT最大功率跟踪控制电路、DC/DC变换电路自身工作就需要消耗一定的能量，这样会导致DC/DC变换电路频繁启动、或启动后无输出电流、甚至无法启动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，避免了频繁启动DC/DC变换电路，对能量的利用效率有一定的提升，有利于太阳能充电器的进一步发展。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，包括太阳能电池板、超级电容、电压检测保护电路和DC/DC变换电路；
所述超级电容，用于对太阳能电池板产生的电能进行存储；
所述电压检测保护电路，用于当超级电容的电压超过阈值U1后，对DC/DC变换电路供电，还用于当超级电容的电压低于阈值U2后，对DC/DC变换电路断电。
上述电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，所述电压检测保护电路包括稳压二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、三极管Q1、三极管Q2、场效应管Q3；
所述稳压二极管D1的正极和电阻R2连接构成电压检测电路；
所述电阻R3和三极管Q1的集电极连接构成第一级驱动电路；
所述电阻R4和三极管Q2的集电极连接构成第二级驱动电路；
所述三极管Q1的基极通过电阻R1和稳压二极管D1的正极连接；三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，并与超级电容的负极连接；
所述三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极连接；三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均与DC/DC变换电路的负极输入端连接；
所述场效应管Q3的栅极和三极管Q2的集电极连接，场效应管Q3的漏极和太阳能电池及超级电容的正极连接；场效应管Q3的源极与DC/DC变换电路的正极输入端连接；
所述电压检测电路的两端与超级电容正负极分别连接，其中稳压二极管D1的负极与超级电容的正极连接；
第一级驱动电路和第二级驱动电路的两端均与超级电容正负极分别连接。
上述电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，所述DC/DC变换电路采用XL6012芯片。
上述电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，所述电压检测保护电路包括稳压二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、三极管Q1和三极管Q2；
所述稳压二极管D1的正极和电阻R1的一端连接构成电压检测电路；
所述电阻R1的另一端通过电阻R2和超级电容的负极连接；
所述稳压二极管D1的负极与超级电容的正极连接；
所述电阻R3的一端和三极管Q1的集电极连接构成驱动电路；
所述三极管Q1的基极通过电阻R1和稳压二极管D1的正极连接；
所述三极管Q1的发射极与超级电容的负极连接，所述三极管Q1的发射极与DC/DC变换电路的负极输入端连接；
所述三极管Q2的基极与所述电阻R3的另一端连接；
所述三极管Q2的发射极与超级电容的正极连接；
所述三级管Q2的集电极与DC/DC变换电路的正极输入端连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明通过设置超级电容，实现了对太阳能电池产生的电能的储存，通过设置电压检测保护电路，可以使超级电容的放电过程在一个稳定的范围内，避免了在超级电容电压不稳定时，频繁启动DC/DC变换电路，对能量的利用效率有一定的提升，有利于太阳能充电器的进一步发展，另外整体上没有使用集成电路，元器件数量少、效果显著，可靠性强。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明另一个实施例的电路原理图。
附图标记说明:
1—太阳能电池板； 2—超级电容； 3—电压检测保护电路；
4—DC/DC变换电路。
具体实施方式
如图1所示，一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，包括太阳能电池板1、超级电容2、电压检测保护电路3和DC/DC变换电路4；
所述超级电容2，用于对太阳能电池板1产生的电能进行存储；
所述电压检测保护电路3，用于当超级电容2的电压超过阈值U1后，对DC/DC变换电路4供电，还用于当超级电容2的电压低于阈值U2后，对DC/DC变换电路4断电。
需要说明的是，实际使用时，当超级电容2充满电后，超级电容2的电压会超过阈值U1，然后DC/DC变换电路4开始工作对外界连接的负载进行充电。
本实施例中，所述电压检测保护电路3包括稳压二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、三极管Q1、三极管Q2、场效应管Q3；
所述稳压二极管D1的正极和电阻R2连接构成电压检测电路；
所述电阻R3和三极管Q1的集电极连接构成第一级驱动电路；
所述电阻R4和三极管Q2的集电极连接构成第二级驱动电路；
所述三极管Q1的基极通过电阻R1和稳压二极管D1的正极连接；三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，并与超级电容的负极连接；
所述三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极连接；三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均与DC/DC变换电路4的负极输入端连接；
所述场效应管Q3的栅极和三极管Q2的集电极连接，场效应管Q3的漏极和太阳能电池及超级电容的正极连接；场效应管Q3的源极与DC/DC变换电路4的正极输入端连接；
所述电压检测电路的两端与超级电容正负极分别连接，其中稳压二极管D1的负极与超级电容的正极连接；
第一级驱动电路和第二级驱动电路的两端均与超级电容正负极分别连接。
实际使用时，当超级电容2充满电后，电压会高于阈值U1＝12.3V，使得稳压二极管D1反向导通，三极管Q1基极获得偏置电压，使三极管Q1导通，进一步使三极管Q2基极获得偏置电压，三极管Q2导通，再使场效应管Q3的栅极开启，使场效应管Q3导通，从而给DC/DC变换电路4供电，使DC/DC变换电路4对负载进行充电。当超级电容2的电压下降到低于阈值U2＝9.8V时，三极管Q1的基极电压(0.7V)过低，无法获得偏置电压，此时三极管Q1不能导通，场效应管Q3随之关断，使DC/DC变换电路4停止工作。
本实施例中，所述DC/DC变换电路4采用XL6012芯片。
需要说明的是，该芯片具有宽电压输入范围(工作电压在5-40V均可正常工作)的情况下即可以稳定工作，转换效率达到94％以上，保证了超低的功耗。该芯片其内置1.25V的比较器，通过外部采样电阻分压反馈到FB端，改变采样电阻即可改变输出电压。其输出电压计算式为：Uo＝1.25*(1+R1/R2)。
本发明使用时，适用于负载平均电流在100mA的情况下，能够持续工作10秒钟。电压检测保护电路3在电容放电至9.8V时关断输出，而超级电容2在充满电的情况下可以达到12.3V。根据保持所需能量＝超级电容减少的能量，可以很方便的计算出所需的超级电容2的容量。
C(F)：超级电容2的容量；R(Ohms)：超电容的标称内阻；
Vwork(V)：正常工作电压；Vmin(V)：截止工作电压；
t(s)：在电路中要求持续工作时间；I(A)：负载平均电流；
根据电容容量的计算公式,C＝Q/U,Q＝I*t。
保持所需能量＝超级电容2减少的能量。
保持期间所需能量＝1/2I(Vwork+Vmin)t；
超级电容减少能量＝1/2C(Vwork-Vmin)，
因而，可得其容量(忽略由IR引起的压降)
C＝(Vwork+Vmin)*I*t/(Vwork-Vmin)
所以超级电容2的容量C＝(12.3+9.8)*0.1*60/(12.3 -9.8)＝2.4F，考虑到电路工作所需要消耗一定的能量，此处选择2.5F的超级电容。
如图2所示，本发明的另一个实施例中，所述电压检测保护电路3包括稳压二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、三极管Q1和三极管Q2；
所述稳压二极管D1的正极和电阻R1的一端连接构成电压检测电路；
所述电阻R1的另一端通过电阻R2和超级电容的负极连接；
所述稳压二极管D1的负极与超级电容的正极连接；
所述电阻R3的一端和三极管Q1的集电极连接构成驱动电路；
所述三极管Q1的基极通过电阻R1和稳压二极管D1的正极连接；
所述三极管Q1的发射极与超级电容的负极连接，所述三极管Q1的发射极与DC/DC变换电路4的负极输入端连接；
所述三极管Q2的基极与所述电阻R3的另一端连接；
所述三极管Q2的发射极与超级电容的正极连接；
所述三级管Q2的集电极与DC/DC变换电路4的正极输入端连接。
需要说明的是，实际使用时，当超级电容2充满电后，电压会高于阈值U1＝12.3V，使得稳压二极管D1反向导通，三极管Q1基极获得偏置电压，使三极管Q1饱和导通，Q1导通后会使Q2基极有相应的电流流过，Q2也会进入饱和导通状态，从而给DC/DC变换电路4供电，使DC/DC变换电路4对负载进行充电。当超级电容2的电压下降到不足以使稳压二极管D1反向导通时，三极管Q1的基极电压(0.7V)过低，无法获得偏置电压，此时三极管Q2不能导通，切断超级电容与DC/DC变换电路的回路，使DC/DC变换电路4停止工作。调整稳压二极管D1的稳压值,分压电阻R1和R2的阻值，可以设置不同的电压保护值。
本实施例，相比上个实施例，使用的元器件更少，且电压检测保护电路3消耗的能量更少。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，其特征在于，包括太阳能电池板、超级电容、电压检测保护电路和DC/DC变换电路；
所述超级电容，用于对太阳能电池板产生的电能进行存储；
所述电压检测保护电路，用于当超级电容的电压超过阈值U1后，对DC/DC变换电路供电，还用于当超级电容的电压低于阈值U2后，对DC/DC变换电路断电。
2.按照权利要求1所述的一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，其特征在于，所述电压检测保护电路包括稳压二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、三极管Q1、三极管Q2、场效应管Q3；
所述稳压二极管D1的正极和电阻R2连接构成电压检测电路；
所述电阻R3和三极管Q1的集电极连接构成第一级驱动电路；
所述电阻R4和三极管Q2的集电极连接构成第二级驱动电路；
所述三极管Q1的基极通过电阻R1和稳压二极管D1的正极连接；三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，并与超级电容的负极连接；
所述三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极连接；三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均与DC/DC变换电路的负极输入端连接；
所述场效应管Q3的栅极和三极管Q2的集电极连接，场效应管Q3的漏极和太阳能电池及超级电容的正极连接；场效应管Q3的源极与DC/DC变换电路的正极输入端连接；
所述电压检测电路的两端与超级电容正负极分别连接，其中稳压二极管D1的负极与超级电容的正极连接；
第一级驱动电路和第二级驱动电路的两端均与超级电容正负极分别连接。
3.按照权利要求1所述的一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，其特征在于，所述DC/DC变换电路采用XL6012芯片。
4.按照权利要求1所述的一种电容储能式太阳能最大功率跟踪充电器，其特征在于，所述电压检测保护电路包括稳压二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、三极管Q1和三极管Q2；
所述稳压二极管D1的正极和电阻R1的一端连接构成电压检测电路；
所述电阻R1的另一端通过电阻R2和超级电容的负极连接；
所述稳压二极管D1的负极与超级电容的正极连接；
所述电阻R3的一端和三极管Q1的集电极连接构成驱动电路；
所述三极管Q1的基极通过电阻R1和稳压二极管D1的正极连接；
所述三极管Q1的发射极与超级电容的负极连接，所述三极管Q1的发射极与DC/DC变换电路的负极输入端连接；
所述三极管Q2的基极与所述电阻R3的另一端连接；
所述三极管Q2的发射极与超级电容的正极连接；
所述三级管Q2的集电极与DC/DC变换电路的正极输入端连接。
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