CN201868900U

CN201868900U - 带最大功率跟踪的充放电控制器

Info

Publication number: CN201868900U
Application number: CN2010202084386U
Authority: CN
Inventors: 马志红; 韦红光; 付光霞
Original assignee: GREENWAY SOLAR-TECH (SHANGHAI) Co Ltd
Current assignee: GREENWAY SOLAR-TECH (SHANGHAI) Co Ltd
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2020-05-27

Abstract

本实用新型公开了带最大功率跟踪的充放电控制器，该控制器由中央处理模块分别控制连接稳压电源模块、太阳板电压和电流采集模块、蓄电池电压和电流采集模块、温度采集模块、最大功率跟踪控制模块、充电控制模块、放电控制模块以及工作状态指示模块组成。本实用新型能够控制太阳能电池总是工作在最大功率状态，继而可将光伏组件工作效率最大提高30％(平均17％)。

Description

带最大功率跟踪的充放电控制器

技术领域：

本实用新型涉及一种太阳能技术，具体涉及一种带最大功率跟踪的充放电控制器。

背景技术：

目前我国已成为全球仅次于美国的第二大电力消费国，增长速度为全球之冠，现有的发电能力不能满足消费需求，且石油涨价、煤炭告急，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了新能源，希望新能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能作为绿色能源，具有无污染，无噪音，取之不尽，用之不竭等优点，越来越受到关注，在未来的供电系统中将占有重要地位，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。因此，研究太阳能控制器的设计有着广阔的前景和意义。限制光伏系统的主要因素有两点：(1)初期投资比较大；(2)太阳能光伏电池的转换效率低。目前通常使用的光伏电池效率在15％左右。因此如何进一步提高太阳电池的转换效率，如何充分利用光伏阵列所转换的能量，一直是光伏系统研究的重要方向。

光伏发电的基本原理是先由一种光伏电池吸收光能如自然界的太阳光转化为电能，该电能再经过各种电力电子变换器的电能储存和转变从而实现电能的实际应用，其中光伏电池是作为太阳能发电系统中功率输出源头，但由于其物理特性以及制造工艺的影响造成了其转换效率低且价格昂贵。根据光伏电池的物理特性可以得知它的输出特性呈非线性且受外界环境影响大，如温度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化，这些特性直接影响了光伏发电的最大功率输出，如果控制太阳能电池总是工作在最大功率状态，年发电量可以提高10％～25％。所以充分利用光伏电池所转换的能量是光伏发电系统的一个关键技术要求，而要解决这个问题可在光伏电池与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏电池始终能够工作在最大功率点，以便优化的利用太阳能，为此提高太阳能的利用率，设计最大功率点跟踪(MPPT)成了一个亟需解决的问题。

实用新型内容：

本实用新型针对现有太阳能技术中光伏电池效率低的问题，而提供一种带最大功率跟踪的太阳能充放电控制器，控制太阳能电池总是工作在最大功率状态，继而可将光伏组件工作效率最大提高30％(平均17％)。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

带最大功率跟踪的充放电控制器，该控制器包括稳压电源模块、太阳板电压和电流采集模块、蓄电池电压和电流采集模块、温度采集模块、最大功率跟踪控制模块、充电控制模块、放电控制模块、工作状态指示模块以及中央处理模块，所述中央处理模块分别控制连接稳压电源模块、太阳板电压和电流采集模块、蓄电池电压和电流采集模块、温度采集模块、最大功率跟踪控制模块、充电控制模块、放电控制模块以及工作状态指示模块。

根据上述技术方案得到的本实用新型具有以下优点：

1)、根据太阳能电池板的特性，通过PWM控制功率器件的导通，实施阻抗匹配，使光伏阵列在各种不同日照和温度环境下智能化地输出最大功率。

2)、采用大规模集成电路和单片机，提高电路性能，降低功耗。

3)、采用自变步长逼近算法，在搜索过程中不断调整搜索步长，从而提高最大功率跟踪的速度和精度。

4)、带温度补偿的三级I-U曲线充电控制可以显著地延长蓄电池的寿命

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型的系统框图。

图2为本实用新型的电路原理图。

具体实施方式：

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1，本实用新型为解决现有光伏电池利用率低的问题，而提供的带最大功率跟踪的充放电控制器由稳压电源模块101、太阳板电压和电流采集模块102、蓄电池电压和电流采集模块103、温度采集模块104、最大功率跟踪控制模块105、充电控制模块106、放电控制模块107、工作状态指示模块108以及中央处理模块100组成。

其中，中央处理模块100为整个控制器的核心，其接收控制器中各部件传送的数据进行综合计算，并根据计算的结果对各部件进行相应的控制。

稳压电源模块101给中央处理模块100提供稳定的工作电源

太阳板电压和电流采集模块102采集太阳板的输出电压和输出电流，并传至中央处理模块100，用于计算太阳板的输出功率，实现最大功率跟踪控制。

蓄电池的电压和电流采集模块103采集电池的端电压和充放电电流，并传至中央处理模块100，用于实现电池的充放电保护。

温度采集模块104采集电池温度，并传至中央处理模块100，用于实现电池充放电的温度补偿。

最大功率跟踪控制模块105受中央处理模块100控制，用于实现太阳能电池板的最大功率输出。

充电控制模块106受中央处理模块100控制，用于实现蓄电池的充电控制。

放电控制模块107受中央处理模块100控制，用于实现蓄电池的放电控制。

工作状态指示模块108受中央处理模块100控制，用于指示充电状态、蓄电池状态和负载状态。

根据上述技术方案的本实用新型具体运行时，中央处理模块100实时通过太阳板电压和电流采集模块102采集太阳板的输出电压和输出电流，并计算得到太阳板的输出功率；中央处理模块100根据计算得到的太阳板输出功率，通过控制最大功率跟踪控制模块105以实现实现太阳能电池板的最大功率输出。

与此同时，中央处理模块100控制充电控制模块106和放电控制模块107用于实现对蓄电池的充电和放电的控制；这个过程中中央处理模块100通过蓄电池的电压和电流采集模块103实时采集电池的端电压和充放电电流，并由此实现对于蓄电池的充放电保护；同时中央处理模块100还通过温度采集模块104实时采集蓄电池的温度，并根据蓄电池的温度补偿系数，对蓄电池的充放电参数进行温度补偿，使蓄电池适应温度变化，延长蓄电池的使用寿命。

最后，中央处理模块100将整个控制器的工作状态通过工作状态指示模块108进行直观的显示出来。

根据上述的工作原理，本实用新型的具体实施如下：

参见图2，本实用新型中中央处理模块100为一PIC系列单片机，用于整个控制器的数据处理。

稳压电源模块：

12V蓄电池经稳压电路稳压至5V给控制电路提供工作电源。R12、U3、C6共同组成2.5V的稳定电压送入单片机RA3/AN3作为采样信号的参考电压源。

太阳板电压和电流采样模块：

太阳板电压合电流采集模块采集太阳板的输出电压和输出电流，用于计算太阳板的输出功率，实现最大功率跟踪控制。

R23、R31、C10组成太阳板电池的取样分压电路，此电压送给单片机RA0/AN0作A/D转换后测量太阳板电池电压；R10是太阳板输出电流采样，电流信号经R10转换成电压信号后经过U4放大，放大后的信号送入单片机RB1/AN10作A/D转换后测量太阳板输出电流。由太阳板电池的输出电压和输出电流可以计算得出太阳板的输出功率，根据太阳板输出功率的变化来改变控制信号的占空比，最终使太阳板的输出功率达到最大。

蓄电池电压和电流采样模块：

蓄电池的电压、电流采集模块采集电池的端电压和充放电电流，用于实现电池的充放电保护。

R25、R33、C13组成蓄电池电压的取样分压电路，此电压送给单片机RA1/AN1作A/D转换后用于测量蓄电池电压；R7是蓄电池充放电电流采样，电流信号经R7转换成电压信号后经过U4放大，放大后的信号送入单片机RB0/AN12作A/D转换后测量蓄电池充放电电流。由蓄电池的电压可以判断蓄电池的过充或过放，实现对蓄电池的充放电保护。由蓄电池的放电电流可以判断负载是否短路，实现对控制电路的保护。

最大功率跟踪控制模块：

最大功率跟踪控制模块用于实现太阳能电池板的最大功率输出。

最大功率跟踪控制模块为一个DC/DC变换电路。通过改变Q1、Q2的导通率来实现阻抗匹配，从而实现最大功率跟踪功能。当Q1、Q2导通时，太阳板电池、电感L1和蓄电池组成回路，此时L1的电流从太阳板流向蓄电池；当Q1、Q2截止时，电感L1、蓄电池和D4组成回路，此时L1的电流维持原来的电流方向不变，D4为续流二极管。

电池充电控制模块：

充电控制模块用于实现蓄电池的充电控制。

当太阳板电压高于蓄电池电压时，允许对蓄电池充电，此时单片机的RC2/CCP1输出PWM脉冲，当RC2/CCP1为高电平时，Q5导通，Q5的集电极输出低电平，Q4导通，Q5截止，Q4、Q5的发射极输出低电平，Q1、Q2的栅极电位为低电平，Q1、Q2导通；当RC2/CCP1为低电平时，Q5截止，Q5的集电极输出高电平，Q4截止，Q5导通，Q4、Q5的发射极输出高电平，Q1、Q2的栅极电位为高电平，Q1、Q2截止。

电池放电控制模块：

放电控制模块用于实现蓄电池的放电控制。

当蓄电池容量可以正常放电时，打开放电回路，此时单片机的RC1输出高电平，Q6导通，Q7截止，则Q7的集电极为高电平，Q8、Q9导通，允许负载工作；当蓄电池容量过低时，关闭放电回路，此时单片机的RC1输出低电平，Q6截止，Q7导通，则Q7的集电极为低电平，Q8、Q9截止，禁止负载工作；通过对蓄电池放电回路的控制，实现蓄电池的过放保护。

温度补偿模块：

温度采集模块采集电池温度，用于实现电池充放电的温度补偿。

高精度温度采样模块接入接插件P1，将温度信号转换为电压信号送入单片机RA2/AN2，根据蓄电池的温度补偿系数，对蓄电池的充放电参数进行温度补偿，使蓄电池适应温度变化，延长蓄电池的使用寿命。

工作状态指示模块：

工作状态指示模块用于指示充电状态、蓄电池状态和负载状态。LED1为绿色指示灯，用于指示充电状态，当为最大功率跟踪充电时，LED1常亮；当处于均充充电阶段时，LED1以1Hz频率闪烁；当处于浮充充电阶段时，LED1以2Hz闪烁。LED2为红绿双色指示灯，用于指示蓄电池状态，当蓄电池容量可以正常放电时，LED2为绿色；当蓄电池容量低于警戒线，LED2为橙色；当蓄电池容量过低时，LED2为红色，此时关闭放电回路，禁止输出。LED3为红色指示灯，用于指示负载状态，当负载正常工作时，LED3不亮；当负载过流或短路时，LED3为红色常亮，表示负载故障。

根据上述技术方案得到的本实用新型能够保证太阳能阵列全天时、全天候进行最大功率的工作，从而使得光伏组件工作效率最大提高30％，平均工作效率达到17％；同时本实用新型还带有电池的智能充放电管理功能。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.带最大功率跟踪的充放电控制器，其特征在于，所述控制器包括稳压电源模块、太阳板电压和电流采集模块、蓄电池电压和电流采集模块、温度采集模块、最大功率跟踪控制模块、充电控制模块、放电控制模块、工作状态指示模块以及中央处理模块，所述中央处理模块分别控制连接稳压电源模块、太阳板电压和电流采集模块、蓄电池电压和电流采集模块、温度采集模块、最大功率跟踪控制模块、充电控制模块、放电控制模块以及工作状态指示模块。