CN202524145U - 一种高效率的太阳能充电装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种高效率的太阳能充电装置，光电转换后的直流电压对整个装置供电，光电转换输入一部分进入启动电路，启动电路输出给单片机提供工作电源；另一部分输入到DC-DC变换模块；电池的一个采样电阻实时采样电池电压，经过电压采集放大电路放大后送单片机AD模块转换，单片机根据采样的数值，通过算法控制、计算调节单片机输出PWM波的占空比，单片机输出可控占空比的PWM波作为DC-DC变换模块的控制信号，DC-DC变换模块输出为电池充电，进而实时调整充电效率。装置会自动调整使充电效率达到最大，能较好地适用于光照不稳定导致的光电转换模块输入电压波动较大情况下的高效率电能收集充电。

Description

一种高效率的太阳能充电装置
技术领域
本实用新型涉及一种充电装置，特别涉及一种效率的太阳能充电装置。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，能源短缺的问题已经日益严重，如何提高能源的利用率的问题已经逐渐成为各个领域研究和发展的方向。高效的能源利用率设备为节约能源，缓解能源短缺起到了重大作用。
现有的电能收集充电装置自身结构已经固定，只能对于特定的输入电压做出最出特定的电压输出，且自身的充电效率不高，无法适用于输入电压不固定的场合。光电转换器件自身的输出电压随光照强度变化而波动较大，无法直接作为充电使用，为了适应于充电和提高充电效率，就有必要利用单片机等智能芯片技术对充电装置进行改造。
发明内容
本实用新型是针对现在太阳能充电装置受输入电压影响大，充电效率不高的不足问题，提出了一种高效率的太阳能充电装置，以DC-DC变换电路为整个装置的核心，可根据充电电压自动调整DC-DC变换电路使充电效率达到最高，能较好地适用于光照不稳定导致的光电转换模块输入电压波动较大情况下的高效率电能收集充电。
本实用新型的技术方案为：一种高效率的太阳能充电装置，包括单片机、光电转换输入、启动电路、DC-DC变换电路、电池、电压采集放大模块，太阳能光电转换后的直流电压对整个装置供电，光电转换输入一部分进入启动电路，启动电路输出给单片机提供工作电源；另一部分输入到DC-DC变换模块；和电池相连的采样电阻经过电压采集放大电路放大后送单片机AD模块转换，单片机根据采样电阻的电压值得出电池充电电流，通过算法控制、计算调节单片机输出PWM波的占空比，单片机输出PWM波的占空比控制信号到DC-DC变换模块，DC-DC变换模块输出给电池充电，进而实时调整充电效率。
所述启动电路包括检测电路和两路DC-DC模块电路，光电转换输入的0～20V直流电，经过检测电路检测电压选择导通DC-DC模块电路，低电压通过基于2108AG芯片的DC-DC模块电路升压输出5V的稳定电压；高电压通过基于LM2596的DC-DC模块输出5V的稳定电压。
所述DC-DC变换模块包括Boost升压电路和Buck降压电路，单片机根据所需电压值切换升降压电路，并输出的PWM的占空比输出到DC-DC变换模块中的场效应管控制端，控制场效应管的导通时间与夹断时间。
所述电压采集放大模块包括采样电阻和电压采集放大电路，单片机通过AD采集经过放大电路的采样电阻的电压值，采样电阻采集的电压为毫伏级。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型高效率的太阳能充电装置，与现有技术相比，不必担心光电转换输入的电压值变化的问题，整套装置会自动调整使充电效率达到最大。自身具有充电效率高，稳定性好等特点，可对光电转换器件输出的电能进行高效率地收集利用。
附图说明
图1是本实用新型高效率的太阳能充电装置结构示意图；
图2是本实用新型高效率的太阳能充电装置中启动电路图；
图3是本实用新型高效率的太阳能充电装置中Boost升压电路图；
图4是本实用新型高效率的太阳能充电装置中Buck降压电路图；
图5是本实用新型高效率的太阳能充电装置中电压放大采集模块的电路图；
图6是本实用新型高效率的太阳能充电装置中程序流程图。
具体实施方式
如图1所示高效率的太阳能充电装置结构示意图，高效率的太阳能充电装置包括单片机1、光电转换输入2、启动电路3、DC-DC变换电路4、电池5、电压采集放大模块6。太阳能光电转换后的直流电压对整个装置供电。光电转换输入一部分进入启动电路，另一部分输入到DC-DC变换模块，同时对电池部分的一个采样电阻进行实时采样，经过电压采集放大电路放大后送计算机AD模块转换，单片机根据采样的数值，通过算法控制、计算调节单片机输出PWM波的占空比，决定升压或是降压的幅度，从而输出控制信号调整DC-DC变换电路4输出，DC-DC变换电路4输出给电池充电，进而实时调整充电效率。
如图2所示启动电路图，其作用是为基于单片机的控制电路模块供电。光电转换输入的电压范围为0～20V，控制电路部分需要的输入电压为5V，故要进行对光电转换输入的电压进行降压或升压，当光电转换输入电压低于5V时，使用2108AG芯片给控制系统供电， 2108AG的工作电压比较低，0.7V就可以工作，故适合作为低电压的启动电路。而光电转换输入电压可以达到20V，所以在电压大于5V时，用基于LM2596的DC-DC模块来为系统提供工作电压。检测电路采用低电压启动MOSFET来自动检测（类似于继电器）光电转换输入电压并选择自动选择相应的2108AG升压通道或者LM2596降压通道来给控制系统供电。既此模块可以保证无论光电转换输入的电压是高是低，都可以输出5V的稳定电压给控制系统供电，控制系统稳定工作以后，可以控制后级的BUCK、BOOST大功率升级压电路给负载提供最大功率电能。
根据负载获取最大功率定律，当信号源的内阻与负载内阻相等时，负载可以从信号源获取最大功率。所以对于同样的负载时，信号源不同，获取最大功率的电压也不同，光伏太阳能电池就是一个内阻在不断变化、电压不断变化的信号源，所以需要实时调节负载的电压来满足最大功率定律，当光伏电池电压较低时，而输出给负载电压要大于光伏电池电压时，采用升压，当光伏电池压高时，而输出给负载的电压要小于光伏电池电压，要使用降压电路。控制系统自动根据转换点切换升降压电路，并在输出不同的PWM波来控制升压、降压电路的幅度，使输出功率最大。如图3和图4所示Boost升压电路和Buck降压电路图，两者共同构成DC-DC变换模块。Boost升压电路中开关管导通时，电源经由电感—开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。Buck降压电路中电源通过一个电感给负载供电，同时电感储存一部分能量，然后将电源断开，只由电感给负载供电。如此周期性的工作，通过调节电源接通的相对时间，来实现输出电压的调节。
如图5所示电压放大采集模块的电路图。单片机通过采集系统回路上采样电阻的电压值，由欧姆定律得出充电电流，从而计算出此时的充电功率。为了减少采样电阻对整体系统的影响，所以采样电阻上获得的功率必须远小于充电功率，经计算此时采样电阻上分得电压为毫伏级，需经过放大后通过AD采样，再送与单片机控制。
系统由MSP430单片机通过AD采样值和对PWM占空比调制来监测和控制系统运行。DC-DC变换电路的输出电压值由单片机的PWM控制，根据PWM的占空比不同，则对应直流变换电路中场效应管的导通时间与夹断时间不同，从而控制变换器电路中电感蓄能的大小，最终改变输出电压值，从而改变充电电流的大小，即充电的功率，而充电的功率满足等式：                                               
Figure 853860DEST_PATH_IMAGE002
 （
Figure 266387DEST_PATH_IMAGE004
为电源输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为电源内阻消耗功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为直流变换器上的损耗功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为充电功率）则可知
Figure DEST_PATH_IMAGE012
有最大值，所以必须通过单片机对采样电阻上电压进行实时采集，根据采样电阻的阻值换算出充电功率，再通过单片机反馈调节PWM的占空比，从而使充电功率保持在最大值，即最大限度提高光电转换输出功率的利用率。
如图6所示程序流程图。为了提高系统的工作效率，降低功耗，就需要以尽可能的大的功率充电。所以采用光伏发电系统中常用的方法——最大功率点跟踪（MPPT）。每次单片机在输出一个PWM信号就采样充电电流，将其和前一次比较，以此决定PWM的占空比是增加还是减小，最终找到系统工作的最大功率点。当光电转换输入的电压在一段时间内变化很微弱时，单片机实时地对电路进行控制就没有必要了，而且那样只会使系统的功耗增加。所以当系统工作在最大充电电流以后就让单片机进入低功耗模式。每隔1S中断唤醒，判断系统的电压是否安全，以及是否工作在最大充电电流。如果不是则进行PWM调整。

Claims (4)

1.一种高效率的太阳能充电装置，其特征在于，包括单片机、光电转换输入、启动电路、DC-DC变换电路、电池、电压采集放大模块，太阳能光电转换后的直流电压对整个装置供电，光电转换输入一部分进入启动电路，启动电路输出给单片机提供工作电源；另一部分输入到DC-DC变换模块；和电池相连的采样电阻经过电压采集放大电路放大后送单片机AD模块转换，单片机根据采样电阻的电压值得出电池充电电流，通过算法控制、计算调节单片机输出PWM波的占空比，单片机输出PWM波的占空比控制信号到DC-DC变换模块，DC-DC变换模块输出给电池充电，进而实时调整充电效率。
2.根据权利要求1所述高效率的太阳能充电装置，其特征在于，所述启动电路包括检测电路和两路DC-DC模块电路，光电转换输入的0～20V直流电，经过检测电路检测电压选择导通DC-DC模块电路，低电压通过基于2108AG芯片的DC-DC模块电路升压输出5V的稳定电压；高电压通过基于LM2596的DC-DC模块输出5V的稳定电压。
3.根据权利要求1所述高效率的太阳能充电装置，其特征在于，所述DC-DC变换模块包括Boost升压电路和Buck降压电路，单片机根据所需电压值切换升降压电路，并输出的PWM的占空比输出到DC-DC变换模块中的场效应管控制端，控制场效应管的导通时间与夹断时间。
4.根据权利要求1所述高效率的太阳能充电装置，其特征在于，所述电压采集放大模块包括采样电阻和电压采集放大电路，单片机通过AD采集经过放大电路的采样电阻的电压值，采样电阻采集的电压为毫伏级。
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