CN201985788U - 太阳能发电控制器 - Google Patents

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罗晓曙
宋树祥
黄守麟
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Abstract

本实用新型公开了一种太阳能发电控制器，该控制器包括主控电路和与主控电路连接的电池板开关保护电路、电池板电流检测电路、充电PWM控制电路、蓄电池电压采样电路、负载开关保护电路、温度补偿电路、状态显示电路、告警电路、电源电路、电池板电压采样电路，电池板开关保护电路分别与电池板电压采样电路、电池板电流检测电路连接，充电PWM控制电路与电池板电流检测电路连接。本实用新型的太阳能发电控制器由于采用了上述结构，可以实现蓄电池过充电和过放电保护，对充电电压温度补偿、过压低压报警、过流保护、电池板最大功率点输出跟踪，提高了充电效率，延长了蓄电池的使用寿命，有效地降低了光伏发电系统的投资成本。

Description

太阳能发电控制器
技术领域
本实用新型涉及太阳能发电系统中的充放电控制系统，特别是一种太阳能发电控制器。
背景技术
在现今社会中，太阳能发电作为一种绿色新能源应用已越来越广泛。由于太阳能电池板产生的电能随着光照强度的变化具有随机性，因此太阳能发电系统中一般采用蓄电池作为储能部件。若蓄电池使用不恰当的充放电控制方式，很容易缩短其使用寿命，增加系统运行的成本；同时由于太阳能电池板产生的电能有限，只有使用合适的充电方法才能有效利用电能。
发明内容
本实用新型是为克服现有技术的不足，而提供一种能够对太阳能发电系统中的蓄电池进行有效的充放电管理，延长蓄电池的使用寿命和有效地利用太阳能，实现蓄电池过充电和过放电保护、充电电压温度补偿、过压低压报警、过流保护、电池板最大功率点输出跟踪的太阳能发电控制器。
本实用新型一种太阳能发电控制器，该控制器包括主控电路和与主控电路连接的电池板开关保护电路、电池板电流检测电路、充电PWM控制电路、蓄电池电压采样电路、负载开关保护电路、温度补偿电路、状态显示电路、告警电路、电源电路、电池板电压采样电路，电池板开关保护电路分别与电池板电压采样电路、电池板电流检测电路连接，充电PWM控制电路与电池板电流检测电路连接。
本实用新型太阳能发电控制器串联在太阳能电池板和蓄电池之间，对蓄电池的充放电进行保护，防止过充电和过放电。
所述的电池板开关保护电路包括自恢复保险F1、瞬态抑制二极管PD1、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、稳压二极管D3、三极管Q7、电阻R1、电阻R8、电阻R13和电阻R14，其中自恢复保险F1的一端与第一MOS管Q1的漏极、瞬态抑制二极管PD1相连，另一端与太阳能电池板正极相连；瞬态抑制二极管PD1并联于第一MOS管Q1的漏极和蓄电池的负极之间；第一MOS管Q1的栅极与第二MOS管Q2的栅极相连，源极与第二MOS管Q2的源极相连；稳压二极管D3和电阻R1并联于第二MOS管Q2的源极和栅极之间；第二MOS管Q2的栅极通过电阻R8与三极管Q7的集电极相连；三极管Q7的发射极与蓄电池的负极相连，基极通过电阻R13与主控电路相连，再通过电阻R14与蓄电池的负极相连。
所述的电池板电压采样电路包括电容C1、电容C3、电阻R2、电阻R11和稳压二极管D4，其中电阻R2、电阻R11串联后与电容C3并联于第二MOS管Q2的漏极和蓄电池负极之间；稳压二极管D4和电容C1并联在电阻R11之间，稳压二极管D4的阴极与主控电路相连。
所述的电池板电流检测电路包括电阻R19、电阻R21、电阻R22、电阻R26、运放IC2、稳压二极管D6和电容C9，其中电阻R19串联在电池板的负极和蓄电池的负极之间，运放IC2的负输入端通过电阻R21与电池板的负极相连、正输入端通过电阻R22与蓄电池的负极相连、输出端与主控电路相连；电阻R26并联在运放IC2的负输入端和输出端之间；稳压二极管D6和电容C9并联在运放IC2的输出端和地之间。
所述的充电PWM控制电路包括电阻R5、电阻R9、电阻R15、电阻R16、稳压二极管D2、第三MOS管Q3和三极管Q8，其中电阻R5和稳压二极管D2并联在第三MOS管Q3的源极和栅极之间；第三MOS管Q3的源极和第二MOS管Q2的漏极相连，栅极通过电阻R9与三极管Q8的集电极相连；三极管Q8的基极通过电阻R15与主控电路相连，发射机与蓄电池负极相连；电阻R16并联在三极管Q8的基极和蓄电池负极之间。
所述的蓄电池电压采样电路包括电阻R3、电阻R12、电容C4、电容C2和稳压二极管D5，其中电阻R3、电阻R12串联后和电容C4并联在第三MOS管Q3的漏极和蓄电池的负极间；稳压二极管D5和电容C2并联在电阻R12之间；稳压二极管D5的阴极和主控电路相连。
所述的负载开关保护电路包括电阻R4、电阻R10、电阻R17、电阻R18，第四MOS管Q4、三极管Q6、电容C5和自恢复保险F3，其中电阻R4并联在第四MOS管Q4的源极和栅极之间；第四MOS管Q4的栅极通过电阻R10与三极管Q6的集电极相连，漏极通过自恢复保险F3与负载的正输入端相连，源极和第三MOS管Q3的漏极相连；电容C5并联在第四MOS管Q4的漏极和蓄电池的负极之间；三极管Q6的发射极与蓄电池的负极相连，基极通过电阻R17与主控电路相连；电阻R18并联在三极管Q6基极和蓄电池的负极之间。
所述的告警电路包括有源蜂鸣器LS1、三极管Q9和电阻R25，其中有源蜂鸣器LS1的正极连接到5V电源的正极，有源蜂鸣器LS1的负极与三极管Q9的集电极相连；三极管Q9的基极通过电阻R25与主控电路相连，发射极接地。
所述的温度补偿电路包括温度传感器IC5、电阻R33和电容C15，其中温度传感器IC5的数据总线与主控电路相连，电阻R33和电容C15并联在传感器IC5的数据总线和5V电源的正极之间。
所述的状态显示电路包括电阻R20、电阻R23、电阻R24、电阻R27、电阻R28、电阻R32、电阻R34、电阻R35、发光二极管LED1、发光二极管LED2、发光二极管LED3、发光二极管LED4、发光二极管LED5、发光二极管LED6、发光二极管LED7和发光二极管LED8，发光二极管LED1和电阻R20、发光二极管LED2和电阻R23、发光二极管LED3和电阻R24、发光二极管LED4和电阻R27、发光二极管LED5和电阻R28、发光二极管LED6和电阻R32、发光二极管LED7和电阻R34、发光二极管LED8和电阻R35分别串联于主控电路的IC1的I/O引脚和地之间
所述的电源电路包括二极管D1、二极管D7、自恢复保险F4、电容C6、电容C7、电容C14、电容C16、电感L2、电源芯片IC3和瞬态抑制二极管PD3，其中二极管D1、自恢复保险F4串联在充电PWM控制电路的第三MOS管Q3的漏极和电源芯片IC3第一引脚之间；瞬态抑制二极管PD3、电容C6和电容C7并联于电源芯片IC3第一引脚和地之间；二极管D7串联在电源芯片IC3第二引脚和地之间；电容C14和电容C16并联于电源芯片IC3第四引脚和地之间；电源芯片IC3的第三引脚、第五引脚接地，电源芯片IC3的第二引脚通过电感L2和电源芯片IC3的第四引脚相连，电源芯片IC3的第四引脚为5V电源的正极输出端。
所述的主控电路包括微处理器IC1、晶振Y1、电压参考源芯片IC4、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电容C8、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电感L1、二极管D8和按键SW1，其中晶振Y1、电阻R30并联于主控电路的IC1的I/O引脚之间；电容C8、电容C12分别串联在IC1的I/O引脚和地之间；电感L1串联在5V电源的正极和微处理器IC1的模拟电源供电引脚之间；电压参考源芯片IC4和微处理器IC1的电压参考输入引脚相连；电容C10和电容C11并联于微处理器IC1的电压参考输入引脚和地之间；电容C13、按键SW1并联于微处理器IC1的复位引脚和地之间；二极管D8、电阻R31并联于微处理器IC1的复位引脚和5V电源的正极之间；电阻R29并联于微处理器IC1的电压参考输入引脚和5V电源的正极之间。
本实用新型的太阳能发电控制器由于采用了上述结构，可以实现蓄电池过充电和过放电保护，对充电电压温度补偿、过压低压报警、过流保护、电池板最大功率点输出跟踪，提高了充电效率，延长了蓄电池的使用寿命，有效地降低了光伏发电系统的投资成本。
附图说明
图1为本实用新型太阳能发电控制器的在太阳能发电系统中的连接图；
图2为本实用新型太阳能发电控制器的控制原理框图；
图3为本实用新型太阳能发电控制器的实施电路图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型太阳能发电控制器串联在太阳能电池板和蓄电池、蓄电池和负载之间，对蓄电池的充放电进行保护，防止过充电和过放电。
如图2所示，本实用新型由电池板开关保护电路、充电PWM控制电路、电池板电流检测电路、电池板电压采样电路、蓄电池电压采样电路、温度补偿电路、告警电路、负载开关保护电路、电源电路、主控电路和状态显示电路组成，电池板开关保护电路与太阳能电池板连接，用于防止电池板反接以及控制电池板与蓄电池充电回路的通断；充电PWM控制电路与电池板开关保护电路连接，由主控电路发过来的脉冲信号控制PWM控制电路中的MOSFET管的通断，起到调整充电电压、电流，对太阳能电池板最大功率输出跟踪的作用；电池板电流检测电路和电池板开关保护电路输出端相连，起到检测太阳能电池板的输出电流的作用；电池板电压采样电路和电池板开关保护电路输出相连，起到检测太阳能电池板输出电压的作用；蓄电池电压采样电路和蓄电池相连，起到检测蓄电池端电压的作用；温度补偿电路通过电缆将温度传感器贴在蓄电池上，起到检测蓄电池环境温度，对蓄电池的充电电压温度补偿的作用；负载开关保护电路和蓄电池相连，起到控制负载通断和负载过流保护作用；告警电路和主控电路连接，起到蓄电池高压和欠压告警的作用；主控电路和电池板开关保护电路、充电PWM控制电路、电流采样电路、电池板电压采样电路、蓄电池电压采样电路、温度采样电路、告警电路相连，根据蓄电池电压采样的电路采样值和电池板的输出功率控制充电PWM控制电路、告警电路和负载开关保护电路；状态显示电路与主控电路连接，起到显示系统当前的运行状态的作用。
本实用新型太阳能发电控制器的工作原理为：通过检测太阳能电池板的输出电压判断当前是白天或晚上。若为晚上则只检测蓄电池是否出现过放电，当出现过放电时切断负载；若为白天则根据蓄电池端电压判断该进入何种充电状态，当蓄电池电压高于15V时高压告警并切断负载；蓄电池电压低于10.8V时低压告警并切断负载；当蓄电池电压高于12.8V时控制器对蓄电池浮充充电；当蓄电池电压低于12.8V对蓄电池进行快速充电，若蓄电池在充电前曾出现过放电现象则还需要对蓄电池进行修复，用以比较高的脉冲电压充电一段时间，激活蓄电池，防止出现硫化现象。在各个充电阶段均采用PWM脉冲的方式给蓄电池充电，这样可以让蓄电池电解出来的氢离子和阳离子在PWM的低电平时间内结合成水，防止蓄电池的失水和硫化现象，起到保护蓄电池的作用。因为蓄电池具有负温度特性，因此快速充电电压值、浮充充电电压值和恢复充电电压值需按照-4mv每单体进行温度补偿。
如图3所示，接线柱J1接太阳能电池板，太阳能电池板产生的电能经过电池板开关保护电路和充电PWM控制电路后给蓄电池充电。自恢复保险F1串联在太阳能电池板的正极和第一MOS管Q1的漏极之间、瞬态抑制二极管PD1并联在第一MOS管Q1的漏极的蓄电池负极之间，可以起到防雷保护作用。第一MOS管Q1的栅极和第二MOS管Q2的栅极相连接， MOS管Q1的源极和第二MOS管Q2的源极相连接，电阻R1和稳压二极管D3并联在第二MOS管Q2的源极和栅极之间，三极管Q7的集电极通过电阻R8和第二MOS管Q2栅极相连，三极管Q7的发射极接蓄电池负极，三极管Q7的基极通过电阻R13和主控电路相连。当主控电路给三极管Q7的基极发送一个低电平时，三极管Q7截止，第一MOS管Q1的源极电位等于栅极电位，第一MOS管Q1截止，因此可以起到保护蓄电池对太阳能电池板反向充电的作用；当主控电路给三极管Q7的基极发送一个高电平时，三极管Q7导通，第一MOS管Q1的栅极电位比源极电位低，第一MOS管Q1导通，太阳能电池板可以通过电池板开关保护电路给蓄电池充电。
电池板电压采样电路包括电阻R2、电阻R11、电容C1、电阻C3和稳压二极管D4，电阻R2、电阻R11串联在第二MOS管Q2的漏极和蓄电池负极之间，将太阳能电池板产生的电压分压后连接到主控电路由主控电路采样，稳压二极管D4和电容C1并联在电阻R11两端，起到保护主控电路的微处理器IC1的I/O口和滤波的作用。当主控电路连续一段时间采样到电池板的电压高于12V并且比蓄电池的电压高时则认为是白天，可以给蓄电池充电，否则认为是晚上，不用给蓄电池充电。
蓄电池电压采样电路包括R3、电阻R12、电容C4、电容C2和稳压二极管D5，电阻R3、电阻R12串联在充电PWM控制电路的第三MOS管的漏极和蓄电池的负极之间，将蓄电池段的电压分压后由主控电路采样，稳压二极管D5和电容C2并联在电阻R12两端，起到保护主控电路的微处理器IC1的I/O口和滤波的作用。当主控电路连续采样到蓄电池端电压小于10.8V时，则切断负载，防止因过放电损坏蓄电池；当主控电路连续采样到蓄电池端电压高于16V时(25℃)，则停止充电，切断负载，因此能起到防止蓄电池过充电和保护负载的作用；当主控电路连续采样到蓄电池断的电压大于13.2V时(25℃)，对蓄电池进行浮充充电，补充蓄电池应充电饱和后自放电损耗的电量和避免蓄电池电解产生强酸；当主控电路连续采样到蓄电池断的电压小于13.2V时(25℃)，则对蓄电池进行快速充电，及时补充蓄电池的电量，快速充电到达一定电压后对蓄电池采用均充充电。
充电PWM控制电路包括电阻R5、电阻R9、电阻R15、电阻R16、稳压二极管D2、第三MOS管Q3和三极管Q8，主控电路通过对三极管Q8的基极发送不同的占空比的PWM信号，使三极管Q8根据PWM的信号的低电平截止，第三MOS管Q3也截止；三极管Q8根据PWM的信号的高电平导通，第三MOS管Q3也导通。通过调整第三MOS管Q3的导通和截止时间从而起到调整给蓄电池充电的功率和充电电压的作用。
电池板电流采样电路包括电阻R19、电阻R21、电阻R22、电阻R26、运放IC2、稳压二极管D6和电容C9，电流流过电阻R19时产生电压降，R19并联在运放IC2的正输入端和负输入端之间，运放IC2将电压信号放大后由主控电路采样。主控电路根据采样的太阳能电池板的电压值和电流值，可计算出当前太阳能电池板的输出功率。通过主控电路对充电PWM控制电路的PWM脉冲控制信号加一扰动，通过比较扰动前的电池板输出功率和扰动后的输出功率，可知道增加扰动的方向是否正确，从而起到太阳能电池板最大输出功率跟踪的作用。

Claims (10)

1.一种太阳能发电控制器，其特征是：该控制器包括主控电路和与主控电路连接的电池板开关保护电路、电池板电流检测电路、充电PWM控制电路、蓄电池电压采样电路、负载开关保护电路、温度补偿电路、状态显示电路、告警电路、电源电路、电池板电压采样电路，电池板开关保护电路分别与电池板电压采样电路、电池板电流检测电路连接，充电PWM控制电路与电池板电流检测电路连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的电池板开关保护电路包括自恢复保险F1、瞬态抑制二极管PD1、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、稳压二极管D3、三极管Q7、电阻R1、电阻R8、电阻R13和电阻R14，其中自恢复保险F1的一端与第一MOS管Q1的漏极、瞬态抑制二极管PD1相连，另一端与太阳能电池板正极相连；瞬态抑制二极管PD1并联于第一MOS管Q1的漏极和蓄电池的负极之间；第一MOS管Q1的栅极与第二MOS管Q2的栅极相连，源极与第二MOS管Q2的源极相连；稳压二极管D3和电阻R1并联于第二MOS管Q2的源极和栅极之间；第二MOS管Q2的栅极通过电阻R8与三极管Q7的集电极相连；三极管Q7的发射极与蓄电池的负极相连，基极通过电阻R13与主控电路相连，再通过电阻R14与蓄电池的负极相连。
3.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的电池板电压采样电路包括电容C1、电容C3、电阻R2、电阻R11和稳压二极管D4，其中电阻R2、电阻R11串联后与电容C3并联于第二MOS管Q2的漏极和蓄电池负极之间；稳压二极管D4和电容C1并联在电阻R11之间，稳压二极管D4的阴极与主控电路相连。
4.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的电池板电流检测电路包括电阻R19、电阻R21、电阻R22、电阻R26、运放IC2、稳压二极管D6和电容C9，其中电阻R19串联在电池板的负极和蓄电池的负极之间，运放IC2的负输入端通过电阻R21与电池板的负极相连、正输入端通过电阻R22与蓄电池的负极相连、输出端与主控电路相连；电阻R26并联在运放IC2的负输入端和输出端之间；稳压二极管D6和电容C9并联在运放IC2的输出端和地之间。
5.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的充电PWM控制电路包括电阻R5、电阻R9、电阻R15、电阻R16、稳压二极管D2、第三MOS管Q3和三极管Q8，其中电阻R5和稳压二极管D2并联在第三MOS管Q3的源极和栅极之间；第三MOS管Q3的源极和第二MOS管Q2的漏极相连，栅极通过电阻R9与三极管Q8的集电极相连；三极管Q8的基极通过电阻R15与主控电路相连，发射机与蓄电池负极相连；电阻R16并联在三极管Q8的基极和蓄电池负极之间。
6.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的蓄电池电压采样电路包括电阻R3、电阻R12、电容C4、电容C2和稳压二极管D5，其中电阻R3、电阻R12串联后和电容C4并联在第三MOS管Q3的漏极和蓄电池的负极间；稳压二极管D5和电容C2并联在电阻R12之间；稳压二极管D5的阴极和主控电路相连。
7.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的负载开关保护电路包括电阻R4、电阻R10、电阻R17、电阻R18，第四MOS管Q4、三极管Q6、电容C5和自恢复保险F3，其中电阻R4并联在第四MOS管Q4的源极和栅极之间；第四MOS管Q4的栅极通过电阻R10与三极管Q6的集电极相连，漏极通过自恢复保险F3与负载的正输入端相连，源极和第三MOS管Q3的漏极相连；电容C5并联在第四MOS管Q4的漏极和蓄电池的负极之间；三极管Q6的发射极与蓄电池的负极相连，基极通过电阻R17与主控电路相连；电阻R18并联在三极管Q6基极和蓄电池的负极之间。
8.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的状态显示电路包括电阻R20、电阻R23、电阻R24、电阻R27、电阻R28、电阻R32、电阻R34、电阻R35、发光二极管LED1、发光二极管LED2、发光二极管LED3、发光二极管LED4、发光二极管LED5、发光二极管LED6、发光二极管LED7和发光二极管LED8，发光二极管LED1和电阻R20、发光二极管LED2和电阻R23、发光二极管LED3和电阻R24、发光二极管LED4和电阻R27、发光二极管LED5和电阻R28、发光二极管LED6和电阻R32、发光二极管LED7和电阻R34、发光二极管LED8和电阻R35分别串联于主控电路的IC1的I/O引脚和地之间。
9.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的电源电路包括二极管D1、二极管D7、自恢复保险F4、电容C6、电容C7、电容C14、电容C16、电感L2、电源芯片IC3和瞬态抑制二极管PD3，其中二极管D1、自恢复保险F4串联在充电PWM控制电路的第三MOS管Q3的漏极和电源芯片IC3第一引脚之间；瞬态抑制二极管PD3、电容C6和电容C7并联于电源芯片IC3第一引脚和地之间；二极管D7串联在电源芯片IC3第二引脚和地之间；电容C14和电容C16并联于电源芯片IC3第四引脚和地之间；电源芯片IC3的第三引脚、第五引脚接地，电源芯片IC3的第二引脚通过电感L2和电源芯片IC3的第四引脚相连，电源芯片IC3的第四引脚为5V电源的正极输出端。
10.根据权利要求1所述的太阳能发电控制器，其特征是：所述的主控电路包括微处理器IC1、晶振Y1、电压参考源芯片IC4、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电容C8、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电感L1、二极管D8和按键SW1，其中晶振Y1、电阻R30并联于主控电路的IC1的I/O引脚之间；电容C8、电容C12分别串联在IC1的I/O引脚和地之间；电感L1串联在5V电源的正极和微处理器IC1的模拟电源供电引脚之间；电压参考源芯片IC4和微处理器IC1的电压参考输入引脚相连；电容C10和电容C11并联于微处理器IC1的电压参考输入引脚和地之间；电容C13、按键SW1并联于微处理器IC1的复位引脚和地之间；二极管D8、电阻R31并联于微处理器IC1的复位引脚和5V电源的正极之间；电阻R29并联于微处理器IC1的电压参考输入引脚和5V电源的正极之间。
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