CN205829278U - 一种弱光环境下的高效能量收集电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种弱光环境下的高效能量收集电路，包括同时与光伏电池并联的储能电解电容C1和稳压电路；稳压电路由串联的稳压二极管D1和电阻R1构成；还包括迟滞电压比较器，迟滞电压比较器包括运算放大器OP1以及其正向反馈电阻R4；运算放大器OP1的同相输入端通过电阻R3连接到光伏电池的正极，反向输入端通过电阻R2连接到稳压二极管D1的负极，输出端通过电阻R5连接到NMOS管的栅极，NMOS管的漏极连接到光伏电池的负极；还包括充电电路，充电电路的输入端并联到NMOS管的源极及光伏电池的正极之间，充电电路的输出端并联到充电电池的两极。本实用新型改善了光伏电池的输出特性与充电电路的输入特性之间的匹配程度，实现更为高效的弱光能量收集性能。

Description

一种弱光环境下的高效能量收集电路
技术领域
本实用新型涉及光伏充电技术领域，具体为一种弱光环境下的高效能量收集电路。
背景技术
现有的弱光环境下能量收集电路通常采用光伏电池并联蓄能电容器，然后经过充电电路对可充电池进行充电，实现光能量收集并转换为电能加以存储。所收集电能可以为各类小功率电子设备提供电力供给，广泛应用在自动路灯、传感网络、安防、汽车、野外现场等行业、领域。
但是目前的弱光环境下（例如室内环境）能量收集电路没有考虑充电电路的输入特性是大范围动态变化的，导致光伏电池长期处于较低的输出功率，能量收集效率低。
光伏电池的实际输出功率与自身转换效率、光照面积、光照强度、负载匹配特性等因素密切相关。相同条件下，当负载改变时，光伏电池的输出功率也随之改变。现有的弱光环境下能量收集电路没有考虑充电电路的输入特性是大范围动态变化的，导致光伏电池长期处于较低的输出功率，能量收集效率低。特别是在一些小功率能量收集电路中，会出现环境光强度偏低时，光伏电池的输出功率很小，远远低于充电电路的正常输入功率。此时充电电路工作在高占空比模式下，即等效输入电阻很低，导致光伏电池输出电压被强制拉低并锁定，此时光伏电池输出效率非常低。此外，现有的弱光环境下能量收集电路的光伏电池输出电压一旦被拉低，即使环境光强度显著增强后，光伏电池输出电流虽然增加，但输出功率依然很低，仍然无法满足充电电路正常工作需求，导致光伏电池的电压继续被锁定在低压状态，最终能量收集效率非常低下。
针对充电电路的输入特性是大范围动态变化的特性，一部分充电电路也设计了最低输入电压门限，当光伏电池电压过低时，充电电路不工作，可以避免光伏电池输出电压被锁定在低位。但这类充电电路缺乏双电压门限的迟滞特性，容易导致充电电路在在单一阈值附近频繁工作和停止，充电效率也很低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够改善光伏电池的输出特性与充电电路的输入特性之间的匹配程度，从而实现比现有产品更为高效的弱光能量收集性能的弱光环境下的高效能量收集电路，技术方案如下：
一种弱光环境下的高效能量收集电路，包括同时与光伏电池并联的储能电解电容C1和稳压电路；稳压电路由串联的稳压二极管D1和电阻R1构成，且稳压二极管D1的正极连接到光伏电池的负极；还包括迟滞电压比较器，迟滞电压比较器包括运算放大器OP1以及其正向反馈电阻R4；运算放大器OP1的同相输入端通过电阻R3连接到光伏电池的正极，反向输入端通过电阻R2连接到稳压二极管D1的负极，输出端通过电阻R5连接到NMOS管的栅极，NMOS管的漏极连接到光伏电池的负极；还包括充电电路，充电电路的输入端并联到NMOS管的源极及光伏电池的正极之间，充电电路的输出端并联到充电电池的两极。
进一步的，所述充电电路为DC-DC开关型恒流恒压充电电路。
本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在光伏电池与充电电路之间增加迟滞电压控制电路，有效的改善了光伏电池的输出特性与充电电路的输入特性之间的匹配程度，从而实现比现有产品更为高效的弱光能量收集性能，同时避免了电压控制电路在单一阈值附近频繁导通和截止而引起充电电路工作效率下降、电磁干扰大的缺点；可以广泛应用在无线传感网络、低功耗电子设备的无电池供电，有效拓展了产品的应用范围。
附图说明
图1为本实用新型弱光环境下的高效能量收集电路的原理图。
图2为迟滞电压比较器输入输出关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。本实用新型针对传统充电电路的输入特性是大范围动态变化的特征，在光伏电池和充电电路之间增加了迟滞电压控制电路，该控制电路能有效改善光伏电池的输出特性与充电电路的输入特性之间的匹配程度。
具体结构如图1所示，一种弱光环境下的高效能量收集电路，包括同时与光伏电池并联的储能电解电容C1和稳压电路；稳压电路由串联的稳压二极管D1和电阻R1构成，且稳压二极管D1的正极连接到光伏电池的负极；还包括迟滞电压比较器，迟滞电压比较器包括运算放大器OP1以及其正向反馈电阻R4；运算放大器OP1的同相输入端通过电阻R3连接到光伏电池的正极，反向输入端通过电阻R2连接到稳压二极管D1的负极，输出端通过电阻R5连接到NMOS管的栅极，NMOS管的漏极连接到光伏电池的负极；还包括充电电路，充电电路的输入端并联到NMOS管的源极及光伏电池的正极之间，充电电路的输出端并联到充电电池的两极。
本实施例的光伏电池采用非晶硅光伏电池，能在室内等弱光环境下获得较高的光电转换效率。储能电解电容C1用于累积光伏电池所转换的微弱电能，同时可提供瞬间大电流来驱动充电电路，通常取值大于10000微法，耐压高于光伏电池最大输出电压30%以上。OP1是宽供电电压、低功耗的运算放大器，与电阻R2、R3和R4构成迟滞电压比较器。D1是稳压二极管与R1构成串联稳压电路，为迟滞电压比较器提供参考电压。迟滞电压比较器的输出经过R5后驱动NMOS管的导通和截止，实现充电电路与光伏电池的接通与断开。充电电路采用DC-DC开关型恒流恒压充电电路。充电电池选用带保护电路的锂充电电池，要求自放电小。
迟滞电压比较器的输入电压和输出电压具有迟滞特性，如图2所示，当光伏电池两端电压从低到高提升至大于阈值VH时，OP1输出高电平Von，见图2中实线箭头线，此时NMOS管导通并将充电电路与光伏电池并联，开始对电池充电。充电电路工作时，若在弱光环境下，光伏电池的输出电流有可能低于充电电路的输入电流，储能电容C1开始放电，随着充电的进行，光伏电池两端电压逐渐降低，当低于阈值VL时，迟滞电压比较器输出低电平Voff，见图2中虚线箭头线，此时NMOS管截止并将充电电路从光伏电池的负极上断开。一旦充电电路从光伏电池两端断开，则光伏电池将转换得到的电能持续对C1充电，C1两端电压逐渐升高，直到满足高于阈值VH再次激活迟滞电压比较器，使NMOS管导通，充电电路工作，进入充电状态。
VL阈值让光伏电池的输入特性与充电电路输入特性得到高效匹配；同时VL与VH保持一定的差值，可避免充电电路频繁启停无法进入正常工作状态而无谓消耗能量。
可通过改变稳压二极管D1、电阻R3和电阻R4的参数，来改变VL和VH的值，以适应不同的光伏电池。
综上所述，当光伏电池的输出电压较高时，其输出特性与充电电路的输入特性的匹配程度高，此时光伏电池的输出效率也高。该控制电路则切换为导通状态，光伏电池转换光能得到的电能可以高效地被充电电路转移到可充电池中。当光伏电池的输出电压偏低时，其输出特性与充电电路的输入特性的匹配程度低，此时光伏电池的输出效率低，且容易使充电电路将光伏电池输出电压进一步拉低并锁定。此时，该控制电路切换为截止状态，断开光伏电池与充电电路之间的连接。光伏电池转换光能得到的电能被并联的蓄能电容器直接存储。随着储能连续增加电容器两端电压持续升高，因光伏电池与储能电容器直接并联，光伏电池的输出特性与充电电路的输入特性的匹配程度也会持续提高，直到迟滞电压控制电路再次导通。
迟滞电压比较器引入了迟滞电压控制特性，即迟滞电压控制电路导通和截止时对应的光伏电池输出电压是不同的，这样避免了电压控制电路在单一阈值附近频繁导通和截止而引起充电电路工作效率下降、电磁干扰大的缺点。
此外，如果采用基于单片机的智能充电电路，通过单片机程序实现迟滞电压控制功能，也可以实现本实用新型的目的。

Claims (2)

1.一种弱光环境下的高效能量收集电路，其特征在于，包括同时与光伏电池并联的储能电解电容C1和稳压电路；稳压电路由串联的稳压二极管D1和电阻R1构成，且稳压二极管D1的正极连接到光伏电池的负极；还包括迟滞电压比较器，迟滞电压比较器包括运算放大器OP1以及其正向反馈电阻R4；运算放大器OP1的同相输入端通过电阻R3连接到光伏电池的正极，反向输入端通过电阻R2连接到稳压二极管D1的负极，输出端通过电阻R5连接到NMOS管的栅极，NMOS管的漏极连接到光伏电池的负极；还包括充电电路，充电电路的输入端并联到NMOS管的源极及光伏电池的正极之间，充电电路的输出端并联到充电电池的两极。
2.根据权利要求1所述的弱光环境下的高效能量收集电路，其特征在于，所述充电电路为DC-DC开关型恒流恒压充电电路。
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