实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是如何提供一种MPPT充电电路,能够在满足保护完善、精确跟踪、高效率等优越性能的基础上,降低电路成本。
为解决上述技术问题,本实用新型提供了一种MPPT充电电路,包括:PV板、单片机、Buck变换电路、电平转移及MOS驱动电路、无输入失调的取样放大电路、可充电电池;其中,所述PV板向所述Buck变换电路提供电源输入;所述单片机输出的PWM信号经所述电平转移及MOS驱动电路后送至所述Buck变换电路,所述Buck变换电路输出合适的电压对所述可充电电池进行充电;充电电流由所述无输入失调的取样放大电路送至所述单片机进行采样,所述单片机将处理后的采样结果再发送至所述Buck变换电路;形成闭环控制。
优选地,一步包括:保护电路,连接于所述PV板与所述Buck变换电路之间,或所述PV板与所述可充电电池之间。
优选地,所述保护电路包括:第三三极管、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、场效应管;其中,所述第三三极管发射极与所述PV板输入端连接;所述第七电阻连接于所述第三三极管基极与所述可充电电池之间;所述第八电阻连接于所述第三三极管集电极与所述场效应管栅极之间;所述第九电阻并联于所述场效应管栅极与源极之间;所述第十电阻连接于所述场效应管栅极与所述单片机输入端之间;所述场效应管的源极与PV板的负极相连,所述场效应管的漏极与所Buck变换电路的负极连接。
优选地,进一步包括:可控恒流电路,与所述Buck变换电路并联。
优选地,所述可控恒流电路包括:第四三极管、第五三极管、第十一电阻、第十二电阻、开关、第四二极管、第五二极管;其中,所述第四三极管的发射极与所述PV板正极连接;所述第四三极管基极与所述第五三极管的集电极连接;所述第四三极管的集电极与所述第五三极管的发射极连接;所述第十一电阻连接于所述第五三极管与所述充电电池正极之间;所述第十二电阻连接于所述PV板正极与第五三极管基极之间;所述开关连接于所述第五三极管与所述第十一电阻输出端之间;第四二级管和第五二极管串联,并与所述开关并联。
优选地,所述可控恒流电路包括:第四三极管、第五三极管、第十一电阻、第十二电阻、第四二极管、单片机;其中所述第四三极管的发射极与所述PV板正极连接;所述第四三极管基极与所述第五三极管的集电极连接;所述第十一电阻连接于所述第五三极管发射极与所述可充电电池正极之间;所述第十二电阻连接于所述PV板正极与第五三极管基极之间;所述第四二极管的正极与所述第五三极管的基极连接,所述第四二极管的负极与所述单片机I/O接口连接。
优选地,进一步包括:第一取样电路,包括:第十三电阻、第十四电阻;所述第十三电阻、第十四电阻串联;所述第十三电阻一端与所述PV板的输入正极连接;所述第十四电阻的一端接地。
优选地,进一步包括:第二取样电路,包括:第十五电阻和第十六电阻,串联于所述可充电电池的正极端与地之间。
本实用新型提供了一种单片机和由分立元件组成电路而构成了MPPT充电电路,在满足了保护完善、精确跟踪、高效率等优越性能的基础上,还做到了成本非常低廉,使得MPPT不再是中大功率和高价值产品上才能享有的技术,填补了小功率或对成本敏感的产品的市场空缺,扩大了受益范围,很具有实用价值。
具体实施方式
下面将接合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
请参考图1所示,图1是本实用新型提供的一种MPPT充电电路的结构框图。
本实用新型提供一种MPPT充电电路,包括:PV板、单片机、Buck变换电路、电平转移及MOS驱动电路、无输入失调的取样放大电路、可充电电池;其中,其中,所述PV板向所述Buck变换电路提供电源输入;所述单片机输出的PWM信号经电平转移及MOS驱动电路后送至Buck变换电路,经过Buck变换电路输出的PWM信号,控制Buck变换电路输出合适的电压对所述可充电电池进行充电;充电电流由所述无输入失调的取样放大电路送至所述单片机进行AD采样,经过单片机内部逻辑(MPPT算法)处理后改变PWM信号的占空比,再发送至所述Buck变换电路;形成一个闭环控制。另外,单片机还需对PV输入电压、电池电压进行AD采样,用于完成MPPT的充电管理和电池放电管理的逻辑控制。
具体地,PV板输出端经过保护电路后与BUCK变换电路连接,保护电路起到输入的极性和输入短路的保护作用,单片机的PWM信号经过电平转移及MOS驱动电路变换出适合驱动BUCK电路的信号,电平转移后的PWM信号经过BUCK电路变换出合适的电压,对可充电电池进行充电。充电电流由取样电阻R进行取样,在R上产生的电压信号通过无输入失调的取样放大电路进行放大(这里的无输入失调的取样放大电路好处在于当取样电阻R很小时,MPPT控制精度也能很高,因为很小的电流通过该无输入失调的取样放大电路都能正常放大),放大后的电压送至单片机输入端进行AD采样。单片机根据采样的值进行MPPT算法(本新型使用后端电流法)处理,处理后调整PWM的占空比,再经过经过电平转移及MOS驱动电路去驱动BUCK电路;形成一个闭环控制。另外,单片机还需对PV输入电压、电池电压进行AD采样,用于完成MPPT的充电管理和电池放电管理的逻辑控制(如包括mppt的开启关闭条件,对电池限流充电、恒压充电、终止充电的管理,以及对电池放电方面的管理如欠压保护等)。
本实用新型提供了一种单片机和由分立元件组成电路而构成了MPPT充电电路,在满足了保护完善、精确跟踪、高效率等优越性能的基础上,还做到了成本非常低廉,意味着MPPT不再是中大功率和高价值产品上才能享有的技术,填补了小功率或对成本敏感的产品的市场空缺,扩大了受益范围,很具有实用价值。
结合图1参考图2-图3所示,图2是本实用新型提供的一种MPPT充电电路的电平转移及场效应管驱动电路示意图;图3是本实用新型提供的一种MPPT充电电路的无输入失调的取样放大电路示意图;
如图2,电平转移及场效应管驱动电路包括:关闭加速电路、导通加速及导通维持电路、关闭维持电路、栅极过压保护电路、信号输入端、信号输出端、输入电源、场效应管等;
在电平转移及场效应管驱动电路中,当输入信号为由高变为低电平时,第一电容经过第一三极管的基极与发射极进行瞬间充电,使得第一三极管迅速导通,同时导通加速及导通维持电路中的第二电容会通过第二二极管进行放电,第二三极管瞬间成为负偏置状态而加速截止。在第一电容充电期间,第一三极管将产生较大的电流而使场效应管的栅极上存储的电量迅速泄放,使场效应管栅极的电位迅速上升,从而使场效应管迅速截止。在所述第一电容在充电结束后第一三极管也随即进入关闭状态,可降低功耗,在输入高电平的整个期间,场效应管栅极的高电位状态由关闭维持电路的第二电阻进行维持,直到输入信号发生改变。
当输入为由低变为高电平时,第二电容经过第二三极管的基极与发射极进行瞬间充电,使第二三极管加速导通,同时关闭加速电路中的第一电容会通过第一二极管进行放电,为下一个循环做好充电的准备,此时第一三极管处于截止状态。在第二电容的充电期间,第二三极管将产生较大的吸入电流而使得输出端连接场效应管的栅极端处电位迅速下降,进而加速导通场效应管。在输入信号为高电平期间,第一电阻上会有微小的电流流过第二三极管,第二三极管继续输出低电平信号使输出端连接的场效应管的栅极端维持在低电平状态。所述电平转移及场效应管驱动电路,开关速度快,以极少的器件完成了电平转换和驱动功能,在提高效率的同时降低驱动电路的功耗。
如图3,无输入失调的取样放大电路包括:采样放大电路和失调偏置电路;其中,电池的充电电流将在取样电阻R上产生电压降,运算放大器U1、第三电阻R3、第四电阻R4构成一个直流放大器,负责将取样电阻R上的电压进行放大,送到单片机信号采样输入端进行AD转换。U1的放大倍数由R3、R4决定,R5和R6构成输入失调偏置电路。
由于取样电阻R的阻值很小,当阳光不充足,充电电流很小的情况下,取样电阻R的压降很小(例如R=0.05欧,充电电流=20mA,那么R的压降=1mV),对于直流放大而言,运放的输入失调电压都可能大于1mV,因此导致不能正常工作。因此,本实用新型在运放的正输入端叠加了一个偏置电压(由第五、六电阻串联构成失调偏置电路),该失调偏置电路偏置的幅度略高于运放的输入失调电压,使运放的输出工作于线性状态。单片机在合适的条件下(如上电时,此时电路还未工作),预先进行学习,采集仅偏置起作用时的输出电压,并保存其值,在运行时,内部逻辑减去偏置部分即得到真实值。因此实现了无输入失调问题,进而延伸了在较小充电电流下MPPT正确跟踪的可能。
通过上述可知,本实用新型提供的一种MPPT充电电路,通过单片机与各个电路的配合连接,在降低了成本的基础上,拓宽了MPPT的跟踪范围和精度。
请参考图4,图4是本实用新型提供的一种MPPT充电电路的保护电路示意图。
本实用新型提供的一种MPPT充电电路,进一步包括:保护电路,连接与所述PV板与所述Buck变换电路之间。所述保护电路包括:第三三极管Q3、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、场效应管;其中,所述第三三极管Q3发射极与所述PV板输入端连接;所述第七电阻R7连接于所述第三三极管Q3基极与所述Buck变换电路输出(电池的正极)之间;所述第八电阻R8连接于所述第三三极管Q3集电极与场效应管栅极之间;所述第九电阻R9并联于所述场效应管栅极与源极之间;所述第十电阻R10连接于所述场效应管栅极与单片机输入端之间;所述场效应管的源极与PV板的负极相连,所述场效应管的漏极与所述Buck变换电路的负极(公共地)连接。
具体地,当接入PV板后,PV板输入电压高于可充电电池电压一定幅度,此时PV板的电压应大于等于可充电电池电压+第三三极管Q3发射极与基极导通电压+场效应管内置二极管导通电压,此时第三三极管Q3开始导通,同时通过第八电阻R8导致场效应管栅极正偏,场效应管也导通了,由于场效应管的导通短路了场效应管内置的二极管,因此,使得内置二极管两端几乎无压降,加大了PV板的正极与可充电电池的正极之间的压差,加深了第三三极管Q3的导通电流,形成导通的正反馈,从而稳定了导通状态。
PV板接入后,且电压满足上述条件,将通过第十电阻R10给单片机一个高电位,单片机可以根据这个高电位产生中断,由低功耗模式唤醒到正常模式,开始准备MPPT充电。
当PV板输入拔掉后,PV板电压下降,当降到“可充电电池电压+第三三极管Q3发射极与基极导通电压”以下时,第三三极管Q3难以维持导通状态而转入截止,同时导致场效应管也截止,场效应管的截止会使下次导通的电压提高(内置二极管的压降),从而稳定了截止状态。
当PV板反接时,场效应管是截止的,且内置二极管也是处于反偏不导通的,由于不构成回路,内部器件得到了保护(包括Q3的be结的反偏保护)。
另外,由于充电电路的负载是电池,如果PV输入短路的话会导致电池反向流出到PV,这种情况在充电电路里也是不可允许的。在本电路里,当PV输入短路时,输入电压低于电池电压,根据上面分析的原理可知场效应管已经提前处于截至状态,因而也同时得到了保护。由此可看出,本电路在功能上类似一个二极管,但是在导通时,场效应管的内阻很低,几乎不产生功耗,因此相比二极管来说提高了MPPT的效率,当充电电流较大或电池电压比较低时,这种效率的的改善是很明显的。
参考图5所示,图5是本实用新型提供的一种MPPT充电电路的可控恒流电路示意图,这个图的原理是一个常规技术。
图5所述可控恒流电路包括:第四三极管Q4、第五三极管Q5、第十一电阻R11、第十二电阻R12、开关、第四二极管D4、第五二极管D5;所述第四三极管Q4的发射极与所述PV板正极连接;所述第四三极管Q4基极与所述第五三极管Q5的集电极连接;所述第四三极管Q4的集电极与所述第五三极管Q5的发射极连接;所述第十一电阻R11连接于所述第五三极管Q5与所述可充电电池正极之间;所述第十二电阻R12连接于所述PV板正极与第五三极管Q5基极之间;所述开关连接于所述第五三极管Q5与所述第十一电阻R11输出端之间;第四二级管D4和第五二极管D5串联,并与所述开关并联。
第十二电阻R12、第四二极管D4、第五二极管D5构成一个简易的电压基准,给第四三极管Q4提供偏置,使Ibe近似恒定,因此流过第十一电阻R11的电流也近似恒定(第四三极管Q4与第五三极管Q5组成一个达林顿管,为了提高放大倍数)。当开关SW1接通后,流过第十二电阻R12的偏置电流被短路,第四三极管Q4与第四三极管Q4处于截止,因此恒流源断开,通常开关SW1可以用一个MOS管或者三极管来实现控制。
本实用新型通过上述采用了一个简易的可关断恒流源的可控恒流源电路,用于小电流充电。作用在于:a)当阳光照度过低时,充电电流很小,而维持MPPT运行本身需要一定能量,这样就可能导致充电效率很低,甚至出现越充越少的情况,那么如果有小电流充电电路,单片机就可以退出MPPT模式而进入小电流充电模式,同时单片机可进入低功耗状态,以减少能量消耗,还可以继续充电;b)由于可能采用电池对MPPT电路进行供电,当电池电压很低时(被过放电了),此电路就瘫痪了,但是小电流可以使用,可以将电池电压慢慢回升直至MPPT可以工作。因此,有了小电流充电,提供了一种辅助充电的通道,意味着MPPT电路可以由可充电电池(蓄电池)供电,而不用单独在PV板输入端设计电源给MPPT供电。
本实用新型通过采用恒流源的原因是限制直接充电的电流,以保证产品可靠性。
需要进一步说明的是,本实用新型提供了更简化可控恒流电路,参照图6,可进一步优化节省成本。
图6所述可控恒流电路包括:第四三极管Q4、第五三极管Q5、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第四二极管D4、单片机。
图6所示的可控恒流电路是利用单片机内部结构构成。一般多数单片机的I/O接口都具备如图6所示的内部结构,I/O接口会接一个到电源和地的保护二极管(用于静电保护等),I/O接口的高低电平输出靠内部的MOS管通断来实现,对比图5来看,图6中单片机内部的二极管组D5’可与图5的第五二极管D5有等同效果,若单片机输出为高电平时,I/O接口a处就和单片机VDD导通,单片机电源端VDD就是蓄电池的正极,也就相当于短路掉D5’,使得第四三极管Q4几乎处于关断。(在实际测试中,当PV板输入电压较高时,关断后,第五电阻R11会有微弱电流,但其电流在1mA以下,属于可接受范围)。其余部分的原理请参照上面对图5的叙述。因此,图6所示的可控恒流电路不但省掉了二极管,而且省掉了一个可控开关的电路,降低了成本。
关于小电流充电模式与MPPT模式切换关系可以参考图7,小电流模式的开启与关断电压呈现一个施密特特性图,各点的电流设定满足以下关系:
小电流充电的恒流值>MPPT打开的电流>MPPT关闭的电流>MPPT电路消耗的电流。
由于PWM电路在不同的输入功率下,其效率不是一成不变的,再加上本身的效率并非100%,因此在输入端计算出最大的功率点,若对他进行跟踪,会发现跟踪的并非是可充电电池的最大充电功率。
基于上述,在本实用新型提供的一种MPPT充电电路上,发明了后端电流法来跟踪最大功率点,可保证可充电电池的最大充电功率。具体参考图8所示,图8是本实用新型提供的一种MPPT充电电路采用后端电流法跟踪最大功率点的流程图。
本实用新型通过单片机的控制处理功能,采样了“后端电流跟踪法”,简化了充电的最大功率点跟踪算法。通常的功率跟踪是在PV输入进行检测和计算的,通过PWM调整供给负载的电流,使当输入电压×输入电流为最大时,该点即为最大功率点,此时认为负载与PV是最佳匹配,将获得最大的太阳能转换。
本方法是通过后端的充电电流来反映最大功率点的跟踪情况,显而易见地,流过蓄电池的电流越大,其充电功率越大,因此后端的充电电流作为跟踪依据是最准确的。在单片机系统里,如果仅根据电流大小对比来调整PWM是很容易实现的,因此不管是电路还是控制都得以简化,使得在小功率或对成本敏感的产品也能得到应用。
具体地,通过电流进行进行跟踪有两个步骤,MPPT启动时,需要将脉宽由最窄到最宽进行扫描,即流程图中的MPPT阶段1,以较快的速度找到最大功率点。然后进入电流扰动跟踪阶段(流程图中的MPPT阶段2与阶段3来回交替)。在实际应用中,可以根据实际情况灵活调整流程中的几个参数以使该方法更加优秀的工作:
在开始阶段调整扫描速度,可加快启动的速度。
在电流扰动跟踪阶段可以根据电流大小调整扰动的范围,以及扰动的速度,这些能够优化在光照不足下的跟踪精度和光照变化的响应速度。
而这些调整需要和硬件的参数配置结合起来进行优化。(如Buck变换电路的滤波电容大小将影响我们跟踪的速度)
本实用新型中单片机采用了并联均衡法实现产品并机充电方法。当用户购置一块较大功率的PV充电板,要对多个小功率终端进行充电时,如果各个终端都使用MPPT技术进行充电,那么会出现个别终端独享能量以及使充电的工作状态严重偏离最大功率点的情况。
为此,我们在执行MPPT时,增加了一个输入电压的限制条件(为了能够检测PV板输入电压,我们在电路上增加了第一取样电路,包括:第十三电阻、第十四电阻;所述第十三电阻、第十四电阻串联;所述第十三电阻一端与所述PV板的输入正极连接;所述第十四电阻的一端接地。例如图1所示),当增加脉宽时,检测到PV板输入电压小于等于该值时,将停止继续增加脉宽,改为降低脉宽,继续扰动。这样就避免了某一个终端将PV板的充电能量拽死。并且这个限定值将起到均衡充电的作用。限定值定义如下:
并联输入限定值=K1+自身电池电压×K2;
K1和K2是一个与PV板和可充电电池(蓄电池)相关的常数。
由该公式可看出,当自身电池电压越高(意为着充得的能量更多),其输入限定值越高,越容易被限制,即一旦检查到PV板输入电压小于该值就会开始进行限制,不会继续加重PV板的负载(对于PV板来说,MPPT充电电路+电池就是他的负载),直到PV电压上升到限值以上。而其他充电较少的终端其限值比较低,不会被限制,将促使他们主动获得更多的能量,最终达到均衡。
另外,本实用新型进一步包括第二取样电路,包括:第十五电阻和第十六电阻,串联于所述可充电电池的正极端与地之间,对可充电电池的充放电进行管理。在进行MPPT充电时,需要根据所述第二取样电路判断是否存在过电压(即,实现电池过充保护),以及根据可充电电池电压和充电电流判断是否充满,还有恒压充电等等。因此,所述第二取样电路可以用于检查可充电电池的电压,
需要说明的是,图8中C_lmt表示硬件和电池能承受的最大电流值;C_hst表示扫描时的历史最大电流值;C_old表示跟踪最大功率点的电流参考置;C_max=C_old+扰动电流范围;C_min=C_old-扰动电流范围。由此看出,PV板输出的功率很强时,其充电电流由C_lmt决定(即恒流充电)起到了保护作用。在实际产品里,我们还会在其他流程里加入对电池的充电管理,比如恒压充电、判断终止充电的电流条件等,这里不再进行描述。
以上所述仅为本实用新型提供的一种MPPT充电电路的优选实施方式,并不构成对本实用新型保护范围的限定。该实施例中的部件数量并不局限于实施例中所采用的方式,任何在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。