CN201594797U - 光伏智能直流控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光伏智能直流控制器，它包括外壳和控制主体，所述控制主体安装于所述外壳内，其特征在于：所述控制主体由温度取样单元、输出保护功率控制单元、电流传感器、PWM功率驱动单元、蓄电池和MCU控制单元构成，所述输出保护功率控制单元、PWM功率驱动单元、蓄电池分别与所述MCU控制单元相连；所述温度取样单元通过MCU控制单元实时检测环境温度，实现对所述蓄电池的温度补偿；所述电流传感器与输出保护功率控制单元相连。本实用新型具有准确的温度补偿和完善的保护功能，有效的保证并延长蓄电池的使用寿命，并且自身功耗极小，有效地提高了工作效率。

Description

光伏智能直流控制器

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏变换装置的控制器，尤其涉及一种使用太阳能光伏的智能直流控制器。

背景技术

近几年在能源危机日益加剧和人们环保意识逐渐加强的态势下，全球太阳能光伏产业得到了发展的迅速，太阳能发电是通过太阳能板的光电效应将太阳能转化为直流电能并贮存，广泛应用于通信、微波、光缆传输、铁路通信、公路信号、照明、景观、移动用电装置等。因其环保无污染的特点，越来越成为人们关注的能源。光伏控制器是光伏发电系统中非常重要的组件。光伏控制器的性能将直接影响系统的寿命，特别是蓄电池组的使用寿命。在任何情况下，对蓄电池的过充电或过放电都会对蓄电池的使用寿命缩短。

传统的太阳能控制系统，是将太阳能电池板、负载与蓄电池直接连接，带来了三方面的不良影响：一方面，没有采用最大功率点跟踪控制，影响了太阳能电池板的工作特性，对电池板利用率低，缩短了负载的工作时间；另一方面，由于蓄电池电压不稳定，负载的工作电流随蓄电池电压变化而变化，导致负载工作不稳定，缩短了负载的使用寿命；再者，没有对蓄电池进行保护，蓄电池容易产生过充或过放现象，缩短了蓄电池的使用寿命。归根结底就是系统不能实现对负载的智能控制，使负载具有多种不同的工作方式。

现有的太阳能控制系统是将负载、太阳能电池板、蓄电池和控制器结合得到一个太阳能控制系统。在白天日照充足时，将太阳能电池板产生的电能通过控制器存放在蓄电池中，然后在夜间将电能通过控制器传递给负载，使负载工作。这种系统可以运用于多种负载，绿色环保，高效节能，具有广阔的市场和良好的发展前景。

现有技术的几个缺点：1、外壳采用塑料材质，不具有很好的散热性和防腐蚀性；2、自身功耗高，降低了工作效率；3、无法很好的实现智能控制负载；4、防冲击性比较差；5、适用范围比较窄，一般用于照明控制系统，这样会造成不必要的能源浪费。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明设计了一种光伏智能直流控制器，它采用如下技术方案：

一种光伏智能直流控制器，它包括外壳和控制主体，所述控制主体安装于所述外壳内，其特征在于：所述控制主体由温度取样单元、输出保护功率控制单元、电流传感器、PWM功率驱动单元、蓄电池和MCU控制单元构成，所述输出保护功率控制单元、PWM功率驱动单元、蓄电池分别与所述MCU控制单元相连；所述温度取样单元通过MCU控制单元实时检测环境温度，实现对所述蓄电池的温度补偿；所述电流传感器与输出保护功率控制单元相连。

上述的光伏智能直流控制器，其特征在于：所述控制主体的输入端与外界光电池的两端相连，所述控制主体的输出端与外界负载的两端相连；所述PWM功率驱动单元是采用串联式PWM充电主电路；所述外壳是采用金属铝盒作为外壳。

本发明创造的有益效果：1、使用金属铝盒作为外壳，相较于其他同类型产品具有更好的散热性和防腐蚀性，并且具有很好的防冲击性。2、本发明采用了工业级电子元器件、专业芯片，采用了新的电路设计，降低了控制器的自身功耗(功耗极小)，提高了工作效率。3、运用了专业的智能芯片，实现了对整个系统的智能控制，智能控制负载的工作方式。4、客户可以根据需要选择单路还是双路等不同的负载输出的工作要求，并可以根据需要进行时间设置，有效避免不必要的能源浪费。总体而言，实现了智能化控制，提高了工作效率，扩大了使用范围等。

附图说明

图1为本发明实施例的系统整体控制框图。

图2为本发明实施例的工作控制框图。

图3为本发明实施例的白天系统控制图。

图4为本发明实施例的晚上系统控制图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。

本发明采用智能化单片机芯片以及工业级元器件材料，高精度控制电路，实现温度补偿，在线编程更改参数，充分保护蓄电池，使用范围广泛。

一.主要特点：

1、使用工业用单片机和专用软件，实现了智能控制；能在寒冷、潮湿、高温的环境中使用，大大提高系统的稳定性，采用温漂极小的晶体作为振荡源，使定时控制极为精确。

2、采用了串联式PWM充电控制方式，使充电回路的损耗较使用二极管降低了一倍有余，充电效率较非PWM方式提高了50％，增加了用电时间，过放恢复的提升充电，正常的直充、均匀充、浮充控制方式，使系统的使用寿命大大延长。

3、利用蓄电池的放电特性，修正了准确的放电控制。放电终止电压，是由放电曲线修正控制的控制点，修正了电压放电的不准确性，符合蓄电池的固有特性，不同的放电率具有不同的放电终止电压，保证了蓄电池得到最有效的使用。

4、取消了电位器设定的控制点，使用高端位Flash存储区，记录各工作控制点，消除了因电位器震动偏位，温漂等控制点出现误差降低准确性、精确性，可靠性的因素，实现了PWM输出电流的无级自动调控，

5、LED工作状态指示，三种工作状态一目了然。

6、具有过充、过放、过载、负载短路、断路、光电池或蓄电池反接保护等保护功能，所有的保护均不损坏任何元器件。

7、具有光控、温控、时控、混合控制等功能。

8、全密封设计，防水、散热，完全适用各种恶劣工作环境。

9、采用分时段降功率控制，内置恒流源，使用接线方便。

10、可根据客户需要设置不同的时间，负载具有分时、晨亮、双路等功能。

二.工作原理框图：

电池板的正负两端与控制器的光控电压点采集的两端连接，蓄电池的两端与控制器的输入端相连，负载的两端与控制器的输出端相连，连接时要注意正负极。MCU中各控制点都是通过理论加实验总结出来的。

白天电池板通过MCU控制对蓄电池进行充电，指示灯为红色，同时通过温度传感器检测环境温度，对蓄电池进行充电补偿，把光能转换成化学能存储起来。充电方式采用三段式充电：当蓄电池处于欠压状态时，进行直充；当蓄电池电压达到一定阶段时，进行均匀充；当蓄电池电压再达到另一电压点时，进行浮充。MCU实时监测蓄电池的电压状态，通过预先设定的电压点实时判断蓄电池的状态，从而转变充电方式，这样既可以提高充电效率，有效地利用能源，又能很好的保护蓄电池，防止对蓄电池过充。到了晚上(或光线比较暗，如阴天等)的环境中，系统首先检测蓄电池的端电压，看是否曾被提升到恢复电压以上，是，则启动负载工作，指示灯由红色的充电状态，转为绿色的放电状态；否，则不工作，继续等待充电。在负载工作过程中，MCU实时监测蓄电池的电压状态，当电池电压接近保护状态时，降低输出电压，直至电池电压达到截止电压点，则关闭负载输出，这样又可以延长工作时间，还可以防止蓄电池过放，延长蓄电池的使用寿命。MCU控制通过实时监测电池板的电压来判定是白天还是晚上。蓄电池的充、放电都要通过MCU控制来实现，负载的输出方式也要通过MCU来实现，实现了控制的智能化和负载的多样性。系统控制框图如图1所示；工作控制框图如图2。

在整个系统工作的过程中，系统根据采集到蓄电池的电压情况适当的调整输出电流(改变输出PWM信号的占空比)，使负载工作在额定功率的20％～100％之间。在提供相当的光强度的前提下，最大限度的保护蓄电池，延长工作时间，节约用户成本。

下面通过白天和晚上两种不同的时段来简述系统的控制情况。

白天(控制系统图如图3)

MCU检测电池板的电压，当电压超过MCU中预先设置的某一点时，MCU判定现在是处于白天状态。一般情况下，在白天用于照明的负载没有输出，MCU的PWM脉宽调制信号驱动MOS管Q1、Q2关闭负载输出；同时MCU实时检测电池板和蓄电池的电压，比较两者之间的电压大小，当电池板电压高于蓄电池电压，而且蓄电池电压低于某一设定点(蓄电池最高的电压点)时，电池板通过MCU控制对蓄电池充电，MCU的PWM脉宽调制信号驱动MOS管Q3、Q4接通充电回路。充电指示灯为红色，在充电过程中，MCU实时检测各点电压，当蓄电池电压达到上述同一点(蓄电池最高电压点)时，关闭充电回路，保护蓄电池，防止过充；当电池板电压低于蓄电池电压时，MCU控制电池板停止对蓄电池充电。

晚上(控制系统图如图4)

当由白天转为晚上时，电池板的电压会不断地降低，MCU实时检测电池板的电压，当检测到电池板的电压低于某一MCU中预先设置的点时，MCU判定晚上状态。在晚上时，一般负载要求有输出，放电指示灯为绿色。首先MCU通过实时检测到的蓄电池的电压与预先设置好的电压点进行比较，若蓄电池电压低于MCU中的设置电压，则负载没有输出，即使有输出，也会在短时间内关闭；若蓄电池电压高于MCU中的设置电压，则PWM脉宽调制信号驱动MOS管Q1、Q2，负载输出，利用蓄电池对负载进行供电。当MCU检测到蓄电池电压低于截止电压或电池板电压高于上述白天的电压判定点时，MCU的PWM信号驱动MOS管关闭负载输出。这样可以保护蓄电池，防止过放，延长蓄电池的使用寿命。

当蓄电池低于截止电压，负载没有输出后，必须要经过第二天的充电后，负载才会再次有输出，这样可以有效地防止虚电压给控制器带来的误操作，有效保护蓄电池和负载。

在夏天和冬天，由于室外温度的不同，电池板的工作效率和蓄电池的充放电时间也会有所不同。电池板在25℃时，工作效率最高。由于蓄电池的充电(储存电能)和放电是化学反应，受温度的影响，在夏天时，蓄电池储能较多，放电效率较高。若夏天时，系统配置可以正常的充放电，而到冬天时，有可能会出现蓄电池充不饱，储能不足的情况，因此在设计，选定系统配置时要考虑一定的余量。

在控制器中我们设置了温度采样，MCU可以实时检测环境温度，并进行温度补偿-5mv/℃，温度补偿可以一定程度的改善蓄电池由于环境温度带来的缺陷。控制器工作温度为-40℃~+60℃，适用环境广泛。对负载的工作功率也有要求，当电流大于负载额定电流的1.25倍时，控制器控制系统在20秒内关闭负载输出；当电流大于负载额定电流的2.25倍时，控制器在5秒内保护动作，关闭负载输出；当电流大于3倍的额定工作电流时，控制器及时保护动作。上述前两种为过载保护，后一种为负载短路保护。

总体而言，该系列控制器使用单片机和基于专家控制系统的专用软件，实现了智能优化SOC控制，工业级芯片，串联式PWM充电主电路，具有准确的温度补偿和完善的保护功能，有效的保证并延长蓄电池的使用寿命，并且自身功耗极小，有效地提高了工作效率。模糊控制自动识别并按实际修正天黑至天亮整个黑夜的时间段。电路板经过特殊处理，绝缘密封，防潮性能好，适用于比较恶劣的工作环境。本控制器无需外部设置，具有完善的蓄电池过充、过放电保护、开路保护；负载过电压保护、夜间防反充电保护、输出短路保护；太阳能电池接反保护、蓄电池接反保护等保护功能，所有的保护功能均不损坏任何元器件。单LED三色多状态显示，使工作状态一目了然。

应用领域：太阳能直流路灯、太阳能庭院灯、草坪灯，太阳能灯箱、广告牌，太阳能交通警示灯、摄像头等一系列利用太阳能的直流控制系统。

应用负载：钠灯、无极灯、节能灯、LED、电机、监控、基站等低压负载。

不同的控制方式：负载可以实现不同的控制方式，光控、时控、晨亮、双路输出、常通等。光控：MCU通过检测电池板的电压点来判定白天和晚上，从而实现负载的开通与关断。时控：MCU通过检测电池板电压，来开通负载的输出，在负载输出达到设定的输出时间后，自动关断，以节约电能，避免不必要的资源浪费。晨亮：一般用于路灯，路灯在夜间亮了一段时间后，自动熄灭，再在天亮前自动照明2小时左右，这既避免了夜间不必要的资源浪费，有体现了人性化的设计。双路输出：MCU通过检测电池板的电压，开启两路负载的输出，并控制双路不同时间段的工作，有效避免不必要的资源浪费，达到节能效果。常通：指负载在任何情况都有输出(不管白天还是晚上)，适合不间断供电的系统应用。

注：PWM：脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这里把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、占空比，从而达到控制充电电流的目的。

MCU：MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。这里主要是指PIC16F716单片机，即带A/D转换器和增强型捕捉、比较、PWM的8位闪存单片机，程序可以反复擦写，灵活性很强。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (4)

1.一种光伏智能直流控制器，它包括外壳和控制主体，所述控制主体安装于所述外壳内，其特征在于：所述控制主体由温度取样单元、输出保护功率控制单元、电流传感器、PWM功率驱动单元、蓄电池和MCU控制单元构成，所述输出保护功率控制单元、PWM功率驱动单元、蓄电池分别与所述MCU控制单元相连；所述温度取样单元通过MCU控制单元实时检测环境温度，实现对所述蓄电池的温度补偿；所述电流传感器与输出保护功率控制单元相连。

2.根据权利要求1所述的光伏智能直流控制器，其特征在于：所述控制主体的输入端与外界光电池的两端相连，所述控制主体的输出端与外界负载的两端相连。

3.根据权利要求1所述的光伏智能直流控制器，其特征在于：所述PWM功率驱动单元是采用串联式PWM充电主电路。

4.根据权利要求1所述的光伏智能直流控制器，其特征在于：所述外壳是采用金属铝盒作为外壳。

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