CN203660592U

CN203660592U - 光伏移动电源

Info

Publication number: CN203660592U
Application number: CN201320837722.3U
Authority: CN
Inventors: 林成栋; 潘三博; 李安民; 李海涛; 刘建民
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2023-12-17

Abstract

本实用新型公开了一种光伏移动电源，该光伏移动电源包括主电路和控制电路，其中，该主电路包括光伏薄膜电池组件、前端转换器、蓄电池充放电模块、DC/AC逆变电路以及直流转换器，该控制电路包括微控制器、PWM驱动、单极性倍频SPWM驱动、直流电压电流检测模块以及交流电压电流检测模块，本实用新型通过将光伏薄膜和移动电源结合，实现了一种既可以通过交流电源充电，又可以在有阳光的地方利用太阳能充电的移动电源，提高了设备的通用性。

Description

光伏移动电源

技术领域

本实用新型关于一种移动电源，特别是涉及一种光伏移动电源。

背景技术

相比于传统使用发电机为移动电源供能，太阳能清洁环保，无任何污染，利用价值高，太阳能更没有能源短缺这一说法，光伏技术是指将太阳的光能转换为电能的技术，用此技术制作的光伏电池使用方便，而且随着第二代光伏电池——光伏薄膜的应用，因为其具有便携性和较高的能量转化率，使得可以将光伏薄膜作为移动电源的能量源，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，更加促使了这种应用的发展。

传统的移动电源，大多需要交流电源或者通过交流发电机才可以充电，因此在有些场合使用会受到限制，而将太阳能技术应用于移动电源，将太阳能作为电源的能量源，在没有交流电的地方，通过第二代光伏电池——光伏薄膜为移动电源充电，因为光伏薄膜具有可折叠，易于弯曲的新特性，因而方便携带，而且光伏薄膜的能量转换率也是很不错的，本实用新型考虑将光伏薄膜和移动电源结合起来，提供一个光伏移动电源，一个既可以通过交流电源充电，又可以在有阳光的地方利用太阳能充电的设备，从而大大提高了设备的通用性，更好的满足外出旅行和特种作业的需要，而且太阳能清洁环保，也是从节约能源的角度考虑。

实用新型内容

为克服上述现有技术存在的不足，本实用新型之目的在于提供一种光伏移动电源，通过将光伏薄膜和移动电源结合，实现了一种既可以通过交流电源充电，又可以在有阳光的地方利用太阳能充电的移动电源，大大提高了设备的通用性，更好的满足外出旅行和特种作业的需要，而且太阳能清洁环保，也实现了节约能源的目的。

为达上述及其它目的，本实用新型提出一种光伏移动电源，该光伏移动电源包括主电路和控制电路，其中，该主电路包括：

光伏薄膜电池组件，包含光伏发电所需薄膜电池及其组件，以将太阳光能转化为电能并储存于薄膜电池中

前端转换器，连接该光伏薄膜电池组件与控制电路的PWM驱动，在该PWM驱动的输出驱动下使该光伏薄膜电池组件在光照强度改变时输出最大功率并实现直流隔离；

蓄电池充放电模块，连接该光伏薄膜电池组件及微控制器，以在该微控制器控制下选择利用该光伏薄膜电池组件的输出对蓄电池进行充电或常规充电；

DC/AC逆变电路，连接该前端转换器，以在控制电路的单极性倍频SPWM驱动的输出控制下完成直流到交流的转换；

直流转换器，连接该前端转换器及控制电路的直流电压电流检测模块，以将该前端转换器的输出转换为直流用电设备所需直流电压；

该控制电路包括，

微控制器，产生PWM/SPWM信号及接收直流/交流电压电流检测模块的检测结果并控制系统协调动作；

PWM驱动，将该微控制器产生的PWM信号进行放大驱动以适于控制该前端转换器；

单极性倍频SPWM驱动，将该微控制器产生的SPWM信号进行放大驱动以适于控制该DC/AC逆变电路；

直流电压电流检测模块，对该前端转换器输出的电压和电流进行采样并转化为数字信号；

交流电压电流检测模块，连接该DC/AC逆变电路，对该DC/AC逆变电路输出电压和电流进行采样并转化为数字信号。

进一步地，该前端转换器包括负责该光伏薄膜电池组件最大功率跟踪的2重交错式升压变换器和负责直流－直流隔离的隔离式LLC谐振转换器，该2重交错式升压变换器接于该光伏薄膜电池组件及该PWM驱动，该隔离式LLC谐振转换器接于该2重交错式升压变换器及该PWM驱动，输出直流电压至该DC/AC逆变电路。

进一步地，该前端转换器包括两个电感（L1与L2）、两个二极管（D1与D2）、两个开关管（Q1与Q2）组成的2重交错式升压变换器以及两个电容（C3与C4）、两个开关管(Q3与Q4)、两个电感（Lr与Ln）、电容（Cr）及隔离变压器（T1）、整流桥（D3、D4、D5与D6）组成的隔离式LLC谐振转换器，电感（L1）与二极管（D1）串联后与串联的电感（L2）和二极管（D2）变联，该光伏薄膜电池组件的输出接该电感（L1）与电感（L2）公共端，二极管（D1）、二极管(D2)的公共端为该2重交错式升压变换器的输出端，开关管（Q1）接在串联的电感（L1）和二极管（D1）的公共端，其控制端接该PWM驱动的驱动信号，开关管（Q2）接在串联的电感（L2）和二极管（D2）的公共端，其控制端接该PWM驱动的驱动信号；电容（C3）和电容（C4）串联后并联在该2重交错式升压变换器的输出端和地之间，其中间节点作为该隔离式LLC谐振转换器的地，开关管（Q3与Q4）同向串联后与串联的电容（C3、C4）并联，开关管Q3的控制端接该PWM驱动的驱动信号，开关管（Q4）控制端接该PWM驱动的驱动信号，开关管（Q3、Q4）的公共端接串联的电感（Lr）和电容（Cr），电感（Lr）和电容（Cr）串联后接电感（Ln），电感（Ln）和隔离变压器（T1）初级并联，该隔离变压器T1次级接该整流桥的交流输入端，该整流桥的交流输出端为经隔离的直流输出。

进一步地，该蓄电池充放电模块包括光伏充电电路、常规充电电路、蓄电池、蓄电池电量检测模块、充放电控制模块及充电接口，该光伏充电电路及该常规充电电路均与该蓄电池及该充放电控制模块，以在该充放电控制模块控制下选择充电方式，该光伏充电电路连接该光伏薄膜电池组件，该蓄电池电量检测模块与该蓄电池及该微控制器连接，该充放电控制模块还连接该微控制器。

进一步地，该DA/AC逆变电路包括IGBT全桥和LC滤波。

进一步地，该DA/AC逆变电路包括开关管（Q5、Q6、Q7、Q8）组成换向电路以及电感与电容组成的滤波电路，该换向电路接于该前端转换器输出端，该电感与电容组成滤波电路滤除高频谐波。

进一步地，该DA/AC逆变电路为电流类型逆变器。

进一步地，该直流电压电流检测模块包括直流电压电流取样电路和模数转换，该采样电路连接该前端转换器输出端以对该前端转换器的输出进行采样，模数转换将采样的信号进行模数转换为数字信号输至该微控制器。

进一步地，该交流电压电流检测模块包括交流电压电流取样电路和模数转换，该采样电路连接该前端转换器输出端以对该DC/AC逆变电路的输出进行采样，模数转换将采样的信号进行模数转换为数字信号输至该微控制器。

与现有技术相比，本实用新型一种光伏移动电源，通过将光伏薄膜和移动电源结合，实现了一种既可以通过交流电源充电，又可以在有阳光的地方利用太阳能充电的移动电源，大大提高了设备的通用性，更好的满足外出旅行和特种作业的需要，而且太阳能清洁环保，也实现了节约能源的目的。

附图说明

图1为本实用新型一种光伏移动电源的系统结构图；

图2为本实用新型较佳实施例中前端变换器的细节电路图；

图3为本实用新型较佳实施例中单相全桥DC/AC逆变电路的电路图；

图4为单极性倍频SPWM原理示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本实用新型一种光伏移动电源的系统结构图。如图1所示，本实用新型一种光伏移动电源，分为主电路和控制电路两大部分。主电路部分包括前端转换器10、光伏薄膜电池组件30、蓄电池充放电模块40、DC/AC逆变电路50、直流转换器70，其中前端转换器10包括负责光伏薄膜电池组件30最大功率跟踪（MPPT）的2重交错式升压变换器和负责直流－直流隔离的隔离式LLC谐振转换器，其作用是使光伏薄膜组件30在光照强度改变时输出最大功率并实现直流隔离；光伏薄膜电池组件30包含光伏发电所需薄膜电池及其组件，用于将光能转化为电能并储存于薄膜电池中；蓄电池充放电模块40包括光伏充电电路、常规充电电路、蓄电池、蓄电池电量检测模块、充放电控制模块及充电接口，其作用是提供两种蓄电池充电方式，DC/AC逆变电路50包括IGBT全桥和LC滤波，其作用是完成直流到市电的转换；直流转换器70包括DC/DC或稳压电路，用于将DC BUS转换为直流用电设备所需直流电压；控制电路部分包括微控制器99、PWM驱动20、单极性倍频SPWM驱动60、直流电压电流检测模块80、交流电压电流检测模块90，微控制器99产生PWM/SPWM信号、接收直流/交流电压电流检测模块的检测结果并控制系统协调动作，PWM驱动20用于将微控制器99产生的PWM信号进行放大驱动以适于控制前端转换器10，单极性倍频SPWM驱动60用于将微控制器99产生的SPWM信号进行放大驱动以适于控制DC/AC逆变电路50，直流电压电流检测模块80包括直流电压电流取样电路和模数转换（ADC模块1），用于对直流电压DC BUS的电压和电流进行采样并转化为数字信号，交流电压电流检测模块90包括交流电压电流取样电路和模数转换（ADC模块2），用于对交流电压AC Link的电压和电流进行采样并转化为数字信号。

光伏薄膜电池组件30输出连接至前端转换器10的2重交错式升压变换器和蓄电池充放电模块40的光伏充电电路，前端转换器10的输出DC BUS连接至DC/AC逆变电路50、直流转换器70和直流电压电流检测模块80，直流转换器70连接至直流用电设备接口，直流电压电流检测模块80连接至微控制器99，DC/AC逆变电路50连接至电网/交流用电设备接口和交流电压电流检测模块90，交流电压电流检测模块90连接至微控制器99，PWM驱动20输入连接微控制器99，PWM驱动20输出连接前端转换器10，SPWM驱动60输入连接微控制器99，单极性倍频SPWM驱动60输出连接DC/AC逆变电路50，蓄电池充放电模块40的输入端连接光伏薄膜电池组件30，输出端连接至前端转换器10，其控制端和电量检测连接至微控制器99。

本实用新型的软件设计可以分为主程序设计和中断服务子程序设计两部分。本实用新型的前端转换器10和DC/AC逆变电路50均采用闭环控制方法，闭环控制所需要的PWM波和SPWM波均由微控制器99（TI C2000系列DSP芯片）产生。

太阳光经过光伏薄膜电池，经过转换成为直流电，采用前端转换器的基于2重交错式升压变换器对光伏电池实行最大功率跟踪并且将光伏直流电压升到一个直流高压（DC BUS），再经过前端转换器的隔离式LLC谐振转换器，隔离式LLC谐振转换器仅仅为直流-直流级提供高频隔离。如何让光伏电池运行在其最大功率传输点上呢？这就要求将电池板输出，也就是前端转换器的输入V_PV保持在一个由MPPT算法决定的电平上，这在2重交错式升压转换器内执行。一个具有PWM,ADC和模拟比较器模块的TI C2000系列微控制器能够执行这样一个MPPT直流-直流系统的完全数字控制。

图2给出了前端变换器的细节电路图，电感L1/L2、二极管D1/D2、开关管Q1/Q2组成2重交错式升压变换器，C1/C2分别是其输入输出滤波电容，电容C3/C4、开关管Q3/Q4、电感Lr/Ln、电容Cr及隔离变压器T1、整流桥D3/D4/D5/D6组成隔离式LLC谐振转换器。L1和D1串联后与串联的L2和D2并联，V_PV之热端接L1、L2及滤波电容C1的公共端是为前端变换器的输入端，D1、D2及滤波电容C2的公共端是为2重交错式升压变换器的输出端即Vboost的热端，开关管Q1接在串联的L1和D1的公共端，Q1控制端接PWM驱动信号PWM1，开关管Q2接在串联的L2和D2的公共端，Q2控制端接PWM驱动信号PWM2；电容C3和C4串联后并联在2重交错式升压变换器的输出端和地之间，其中点（C3、C4公共端）作为隔离式LLC谐振转换器的地，开关管Q3、Q4同向串联后与串联的C3、C4并联，Q3控制端接PWM驱动信号PWM3，Q4控制端接PWM驱动信号PWM4，开关管Q3、Q4的公共端接串联的Lr和Cr，Lr和Cr串联后接电感Ln，Ln和隔离变压器T1初级并联，隔离变压器T1次级接全桥整流的交流输入端（串联的D3/D4公共端，串联的D5/D6公共端），全桥整流的交流输出端（D3/D5的公共端，D4/D6的公共端）即为经隔离的直流输出DC BUS。

经过最大功率跟踪后得到一个直流总线高压（DC BUS）。这里得到的较高且稳定的直流总线电压，可以经过电力电子变换电路，转换成满足直流用电设备需要的直流电压等级。或者将此直流总线电压送给下一级逆变器，经过单相全桥逆变电路，得到交流电压。这里采用单相全桥逆变器的拓扑，因为功率不是很大，输出电压和电流不大，所以采用MOSFET作为开关器件，为了滤除单相交流电的高次谐波，逆变器采用LC滤波器。控制方式采用单极性倍频SPWM，因为该方式可以将最低此谐波频率提高的载波频率两倍左右，更容易滤除。逆变器的主电路拓扑结构如图3。

图3为本实用新型中单相桥式DC/AC逆变电路的细节图，其中，开关管Q5-Q8组成换向电路，LC组成滤波电路滤除高频谐波。Q5和Q6同向串联后与串联的Q7/Q8并联，开关管Q5控制端接SPWM驱动信号PWM5，开关管Q6控制端接SPWM驱动信号PWM6，开关管Q7控制端接SPWM驱动信号PWM7，开关管Q8控制端接SPWM驱动信号PWM8，Q5与Q7的公共端接DC BUS的正端，Q6与Q8的公共端接DC BUS的负端（地），Q5/Q6的公共端与Q7/Q8的公共端为换向电路的输出，经Г型LC低通滤波后即为交流输出AC Link（火线L、零线N）。

本实用新型中的光伏逆变器采用单相全桥拓扑结构，此逆变器已经被应用于很多领域，诸如电机控制、不间断电源（UPS）和太阳能逆变系统。此逆变器的主要功能是通过绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等功率电子元器件将直流电源转换为交流电源，借助微控制器（DSP）可以进一步提高逆变器的输出性能。

有两种不同的逆变器系统类型。第一种类型是电压输出类型，此类型将交流电压输出为电压源。另外一个类型是电流类型逆变器，此类型逆变器以额定功率因数输出交流电流。本实用新型中的光伏逆变器为电流类型逆变器。

有很多正弦脉宽调制（SPWM）控制策略可使全桥拓扑结构具有一个交流输出，单极性SPWM具有消除低次谐波，使谐波分量高频化的特点。这里采用单极性倍频SPWM驱动，单极性SPMW在不提高每个桥臂开关频率的前提下，将最低次谐波频率提高到两倍载波频率附近，更容易滤除。

采用单极性SPWM调制来产生PWM控制信号，这就意味着逆变器输出在半个周期内只有一种极性的电压，或为正，或为负。单极倍频SPWM的原理如图4。

图4为单极性倍频SPWM原理示意图，将正弦波Ur和二倍频的三角波Uc进行比较，Uc＞Ur时输出U_g2为高电平，否则为低电平，U_g1与U_g2反相；将正弦波U_r和二倍频的三角波-Uc进行比较，Ur＞-Uc时输出U_g4为高电平，否则为低电平，U_g3与U_g4反相；U_g4与U_g1相与得到输出市电脉冲的正半周，U_g2与U_g3相与得到单相桥式DC/AC逆变电路的开关管Q6/Q7的控制信号，开关管Q6/Q7输出市电脉冲的负半周，开关管Q5/Q6/Q7/Q8输出的市电脉冲经LC滤波后得到市电输出。

对于电流类型逆变器，输出电流受到控制。在本实用新型中，在直流-交流转换部件前，有一个直流-直流部件（前端转换器），该部件被用来提高太阳能板的电压，并且执行最大功率跟踪。直流-直流部件将不会控制直流总线电压，而是去控制输入太阳能板电压，以及电源输出模式中的运行。所以，控制直流总线电压的任务由直流-交流转换部件（逆变器）承担。直流总线运行为直流-直流和直流-交流部件的连接。当直流总线电压上升时，直流-交流转换部件增加其输出电流来将直流总线保持在一个指定的值，这样，系统管理的输出功率将增加。当直流总线有下降的趋势时，直流-交流部件减少其输出电流以防止直流总线电压下降，此下降将减少输出功率。

可见，本实用新型一种光伏移动电源，通过将光伏薄膜和移动电源结合，实现了一种既可以通过交流电源充电，又可以在有阳光的地方利用太阳能充电的移动电源，大大提高了设备的通用性，更好的满足外出旅行和特种作业的需要，而且太阳能清洁环保，也实现了节约能源的目的。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何本领域技术人员均可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本实用新型的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种光伏移动电源，其特征在于，该光伏移动电源包括主电路和控制电路，其中，该主电路包括：

蓄电池充放电模块，连接该光伏薄膜电池组件及微控制器，在该微控制器控制下选择利用该光伏薄膜电池组件的输出对蓄电池进行充电或常规充电；

该控制电路包括，

PWM驱动，连接该微控制器，将该微控制器产生的PWM信号进行放大驱动以适于控制该前端转换器；

单极性倍频SPWM驱动，连接该微控制器，将该微控制器产生的SPWM信号进行放大驱动以适于控制该DC/AC逆变电路；

直流电压电流检测模块，连接该前端转换器，对该前端转换器输出的电压和电流进行采样并转化为数字信号；

2.如权利要求1所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该前端转换器包括负责该光伏薄膜电池组件最大功率跟踪的2重交错式升压变换器和负责直流－直流隔离的隔离式LLC谐振转换器，该2重交错式升压变换器接于该光伏薄膜电池组件及该PWM驱动，该隔离式LLC谐振转换器接于该2重交错式升压变换器及该PWM驱动，输出直流电压至该DC/AC逆变电路。

3.如权利要求2所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该前端转换器包括两个电感（L1与L2）、两个二极管（D1与D2）、两个开关管（Q1与Q2）组成的2重交错式升压变换器以及两个电容（C3与C4）、两个开关管(Q3与Q4)、两个电感（Lr与Ln）、电容（Cr）及隔离变压器（T1）、整流桥（D3、D4、D5与D6）组成的隔离式LLC谐振转换器，电感（L1）与二极管（D1）串联后与串联的电感（L2）和二极管（D2）变联，该光伏薄膜电池组件的输出接该电感（L1）与电感（L2）公共端，二极管（D1）、二极管(D2)的公共端为该2重交错式升压变换器的输出端，开关管（Q1）接在串联的电感（L1）和二极管（D1）的公共端，其控制端接该PWM驱动的驱动信号，开关管（Q2）接在串联的电感（L2）和二极管（D2）的公共端，其控制端接该PWM驱动的驱动信号；电容（C3）和电容（C4）串联后并联在该2重交错式升压变换器的输出端和地之间，其中间节点作为该隔离式LLC谐振转换器的地，开关管（Q3与Q4）同向串联后与串联的电容（C3、C4）并联，开关管Q3的控制端接该PWM驱动的驱动信号，开关管（Q4）控制端接该PWM驱动的驱动信号，开关管（Q3、Q4）的公共端接串联的电感（Lr）和电容（Cr），电感（Lr）和电容（Cr）串联后接电感（Ln），电感（Ln）和隔离变压器（T1）初级并联，该隔离变压器T1次级接该整流桥的交流输入端，该整流桥的交流输出端为经隔离的直流输出。

4.如权利要求1所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该蓄电池充放电模块包括光伏充电电路、常规充电电路、蓄电池、蓄电池电量检测模块、充放电控制模块及充电接口，该光伏充电电路及该常规充电电路均与该蓄电池及该充放电控制模块，以在该充放电控制模块控制下选择充电方式，该光伏充电电路连接该光伏薄膜电池组件，该蓄电池电量检测模块与该蓄电池及该微控制器连接，该充放电控制模块还连接该微控制器。

5.如权利要求1所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该DA/AC逆变电路包括IGBT全桥和LC滤波。

6.如权利要求5所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该DA/AC逆变电路包括开关管（Q5、Q6、Q7、Q8）组成换向电路以及电感与电容组成的滤波电路，该换向电路接于该前端转换器输出端，该电感与电容组成滤波电路滤除高频谐波。

7.如权利要求5所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该DA/AC逆变电路为电流类型逆变器。

8.如权利要求1所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该直流电压电流检测模块包括直流电压电流取样电路和模数转换，该采样电路连接该前端转换器输出端以对该前端转换器的输出进行采样，模数转换将采样的信号进行模数转换为数字信号输至该微控制器。

9.如权利要求1所述的一种光伏移动电源，其特征在于：该交流电压电流检测模块包括交流电压电流取样电路和模数转换，该采样电路连接该前端转换器输出端以对该DC/AC逆变电路的输出进行采样，模数转换将采样的信号进行模数转换为数字信号输至该微控制器。