CN206442173U - 太阳能路灯的充放电控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能路灯的充放电控制设备，包括ARM处理器控制单元、太阳能电池组件数据采集单元、串联式PWM充电主电路、放电控制单元以及为各单元进行供电的供电电源；所述ARM处理器控制单元的输入端连接太阳能电池组件数据采集单元，ARM处理器控制单元的输出端分别经串联式PWM充电主电路和放电控制单元与蓄电池连接；串联式PWM充电主电路用于在ARM处理器控制单元的指令下完成对蓄电池进行PWM脉冲充电和均衡脉冲充电的切换。本实用新型不仅能够提高太阳能对蓄电池的充电效率以及负载电路的工作效率，使蓄电池和负载始终工作在最佳的状态，而且还可大大延长蓄电池和负载的使用寿命。

Description

太阳能路灯的充放电控制设备

技术领域

本实用新型涉及太阳能充放电技术领域，特别是一种太阳能路灯中使用的用于控制充放电的设备。

背景技术

太阳能作为一种新的能源，是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，对环境不产生任何污染，成为各国政府开发无污染、可持续发展新型能源的首选。太阳能电池可以以较高的效率把太阳能直接转换为电能，不对环境产生任何污染，是一种绿色的发电方式，已被逐渐应用于路灯的照明领域中。

现有的太阳能路灯控制设备一般包括太阳能电池组件、太阳能路灯控制器和蓄电池，其中太阳能电池组件在有光照时通过太阳能路灯控制器对蓄电池进行充电，以使蓄电池在光线昏暗时通过太阳能路灯控制器控制为路灯供电。然而目前市场常用的控制器，在控制蓄电池充电过程中，当蓄电池电压上升至过冲电压时，控制器会自动断开充电回路，但是由于蓄电池内阻的作用，断开充电回路的瞬间，蓄电池的电压会立即下降；而当充电回路接通或者断开用电负载的瞬间，同样由于蓄电池内阻的原因，蓄电池的电压会立即上升；如此反复，不但使得蓄电池的充放电效率变得低下，而且控制器极易产生震荡，最终导致控制器无法正常工作、蓄电池损坏的现象发生，极大地影响蓄电池和负载的使用寿命。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种应用于太阳能路灯的充放电控制设备，不仅能够提高太阳能对蓄电池的充电效率以及负载电路的工作效率，使蓄电池和负载始终工作在最佳的状态，而且还可大大延长蓄电池和负载的使用寿命。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案如下。

一种太阳能路灯的充放电控制设备，包括ARM处理器控制单元、太阳能电池组件数据采集单元、串联式PWM充电主电路、放电控制单元以及为各单元进行供电的供电电源；所述太阳能电池组件数据采集单元用于采集太阳能光伏电池组件的实时电压，并发送给ARM处理器控制单元；ARM处理器控制单元的输入端连接太阳能电池组件数据采集单元，ARM处理器控制单元的输出端分别经串联式PWM充电主电路和放电控制单元与蓄电池连接；串联式PWM充电主电路用于在ARM处理器控制单元的指令下完成对蓄电池进行PWM脉冲充电和均衡脉冲充电的切换；放电控制单元用于在ARM处理器控制单元的指令下完成对蓄电池放电操作。

上述太阳能路灯的充放电控制设备，所述串联式PWM充电主电路包括并联连接在ARM处理器控制单元输出端的PWM脉冲充电控制支路和均衡充电控制支路，PWM脉冲充电控制支路和均衡充电控制支路的输出端经或门电路连接蓄电池的电源端。

上述太阳能路灯的充放电控制设备，所述ARM处理器控制单元的输入端与太阳能路灯之间还设置有用于采集太阳能路灯信息的负载数据采样电路，ARM处理器控制单元的输出端与太阳能路灯之间还设置有用于控制太阳能路灯工作状态的负载工作控制电路。

上述太阳能路灯的充放电控制设备，所述ARM处理器控制单元的输出端连接有用于控制市电接入或切断的市电接入控制单元。

上述太阳能路灯的充放电控制设备，所述ARM处理器控制单元的输入端连接有指令输入单元。

上述太阳能路灯的充放电控制设备，所述ARM处理器控制单元的输出端连接有数码管显示单元。

上述太阳能路灯的充放电控制设备，所述充放电控制设备还包括实现ARM处理器控制单元与远程计算机互相通信的远程通信控制单元。

上述太阳能路灯的充放电控制设备，所述充放电控制设备还包括用于防反接、防浪涌以及进行温度保护的保护单元。

由于采用了以上技术方案，本实用新型所取得技术进步如下。

本实用新型应用于太阳能路灯中，主要完成蓄电池的充放电管理、负载控制以及市电互补等功能的智能控制，具有短路、过载、防反接、过充、过放、自动关断与自动恢复等保护功能。本实用新型采用ARM内核的处理器控制单元和串联式PWM充电主电路，通过处理器芯片对太阳能板的充电电压、充电电流、蓄电池电压、放电电流、环境温度等涉及充放电控制的参数进行采样，实现了符合蓄电池特性的带温度补偿的充放电控制，采用高效PWM脉冲和均衡充电相互切换模式，提高了太阳能对蓄电池的充电效率以及负载电路的工作效率，保证了蓄电池和负载工作在最佳的状态，大大延长了蓄电池和负载的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型所述太阳能电池组件数据采集单元的电路图；

图3为本实用新型所述串联式PWM充电主电路的电路图；

图4为本实用新型所述放电控制单元的电路图；

图5为本实用新型所述负载数据采样电路的电路图；

图6为本实用新型所述负载工作控制电路的电路图；

图7为本实用新型所述市电接入控制单元的电路图；

图8为本实用新型所述数码管显示单元的电路图；

图9为本实用新型所述指令输入单元的电路图；

图10为本实用新型所述供电电源的电路图；

图11为本实用新型所述保护单元的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

一种太阳能路灯的充放电控制设备，包括ARM处理器控制单元、太阳能电池组件数据采集单元、串联式PWM充电主电路、放电控制单元、负载数据采样电路、负载工作控制电路、市电接入控制单元、指令输入单元、数码管显示单元、远程通信控制单元、保护单元以及为各单元进行供电的供电电源；各单元之间的连接关系如图1所示，具体为：ARM处理器控制单元的输入端分别与太阳能电池组件数据采集单元、指令输入单元、负载数据采样电路的输出端连接，ARM处理器控制单元的输出端分别与串联式PWM充电主电路、放电控制单元、负载工作控制电路、市电接入控制单元、数码管显示单元的受控端连接，ARM处理器控制单元与远程通信控制单元互连。

ARM处理器控制单元作为本实用新型的核心，用于根据采集的太阳能光伏电池组件工作状态数据，实现蓄电池充电、停止充电、负载工作、故障报警、系统报清功能的控制；通过蓄电池电压采样，实现系统自动修正亮灯工作模式、故障报警、系统保护功能的控制；通过负载数据采样，实现负载工作模式的调整以及对负载工作电流的精确控制；通过蓄电池电压采样对市电接入控制电路的工作状态进行控制，实现外接直流电路的控制和系统保护；通过温度采样，实现提升蓄电池充电电压调整；通过与远程通信控制单元通信，可以实现太阳能发电运行模式的调整和系统故障报警、报清，实现人机对话。

本实用新型中，ARM处理器控制单元采用ST公司的ARM Cortex-M3内核的处理器STM32F101作为核心控制单元，完成各种数据采集及控制。STM32F101具有32K的程序存储器和6K的数据存储器，构成典型的单片系统；具有8路12位AD转换器，可以更加精确的进行数据采样，以保证控制的准确度；具备2个独立的16位定时器，8路PWM输出，可以用于方便的控制充放电管理；总共40个通用IO，用于连接数码管、按键、JTAG口等外设；3.3V供电电压，3mA供电电流，使产品本身功耗更小。

太阳能电池组件数据采集单元，用于采集太阳能光伏电池组件的实时电压，并发送给ARM处理器控制单元，ARM处理器控制单元对数据进行分析，可以实现充电、负载接通、负载断开、光伏组件充电故障报警等功能。太阳能电池组件数据采集单元的电路图如图2所示，采集太阳能光伏组件两端的输出电压SUN-信号通过运算器，输出光伏组件信号SUN-VOLT 信号，此信号输入ARM处理器控制单元。本实施例中，太阳能电池组件数据采集单元采用减法运算放大器，即使太阳能光伏电池组件的电压很小的变化也能够很强烈的反馈到ARM处理器控制单元，从而使系统远比同类产品反应更灵敏，可以实现在很低的电压情况下，实现光控开关，尤其是对于优质的光伏电池组件更适用。

指令输入单元用于在修改参数时，与按键配合完成参数设置，其电路图如图9所示。

串联式PWM充电主电路用于在ARM处理器控制单元的指令下完成对蓄电池进行PWM脉冲充电和均衡脉冲充电的切换，其电路图如图3所示。该电路分成两个部分，上半部分为PWM脉冲充电控制支路，下半部分为均衡充电控制支路， PWM脉冲充电控制支路和均衡充电控制支路的受控端分别与ARM处理器控制单元的输出端连接，PWM脉冲充电控制支路和均衡充电控制支路的输出端经或门电路连接蓄电池的电源端。

蓄电池电压BATT-V为蓄电池保护电压，当蓄电池电压未达到均衡电压（蓄电池均衡电压与电路中的稳压18V之间的差值来界定信号，根据不同的蓄电池种类，均衡电压有所不同，这里可以在程序中进行设定，一般不能超过蓄电池额定容量的90%时，蓄电池的端电压即为均衡电压）时，ARM处理器控制单元发出PWM脉冲信号，该信号通过三极管和一个推挽电路进行信号放大，利用MOS管，实现脉冲充电控制；当电压达到均衡电压，ARM处理器控制单元发出均衡脉冲信号，该信号通过三极管和一个推挽电路进行信号放大，利用MOS管，实现均衡充电控制。

本实用新型中，串联式PWM充电主电路多次采用三极管、信号放大、推挽电路、稳压管以及MOS电路，从而能够更加精确的控制充电过程，实现脉冲大电流充电和涓流充电两个过程，很好的保护蓄电池使用寿命；并且功耗极小，电压易于控制，连接非常方便。

放电控制单元，用于在ARM处理器控制单元的指令下完成对蓄电池放电操作，其电路如图4所示。当加在蓄电池两端的电压低于设定值电压时，输出BATT-VOLT信号给ARM处理器控制单元，ARM处理器控制单元经过程序运算，按如下控制理论进行操作：当电压低于保护电压时，ARM处理器控制单元发出停止放电信号，控制断开负载输出，蓄电池进行保护；当电压持续低于保护电压时，ARM处理器控制单元通过远程控制端口，利用外接485远程通讯驱动，发出系统故障报警信号；当蓄电池电压始终处于额定容量的70%以下时，且连续得不到恢复，系统自动进入自动修改路灯系统的亮灯模式，即进入系统保护状态，如果蓄电池电压进一步降低，则进入故障自动报警状态。

ARM处理器控制单元用于控制负载工作状态时，首先需要通过负载数据采样电路采集太阳能路灯的信息，然后通过负载工作控制电路控制太阳能路灯的工作状态；也即：负载数据采样电路连接在ARM处理器控制单元的输入端与太阳能路灯之间，负载工作控制电路连接在ARM处理器控制单元的输出端与太阳能路灯之间。

本实用新型中，负载数据采样电路的电路如图5所示，能够将负载工作状态实时反馈给ARM处理器控制单元；负载工作控制电路的电路如图6所示，根据ARM处理器控制单元发出的控制信号，通过一个三极管和一个推挽电路进行信号放大，然后通过MOS电路控制负载工作，能够更好的控制负载的工作模式，提高负载工作效率。

市电接入控制单元，用于ARM处理器控制单元的指令下执行市电接入或切断，其电路如图7所示。该单元由信号发大电路、MOS控制电路构成，当蓄电池充放电控制系统保护时，ARM处理器控制单元发出信号，该信号经过信号放大电路，接通MOS控制电路，打开外接直流电源（该直流电源由AC220V转换DC12V/24V电源和AC220V接入电源组成，切不可AC220V直接接入），系统正常工作；当太阳能光伏组件充电单元正常工作，蓄电池数据采样满足正常放电工作电压时，ARM处理器控制单元发出指令，发出切断市电接入控制单元信号，系统转入太阳能供电模式。

实际运行时，市电接入控制单元可在如下情况下接入市电：当太阳能光伏电池组件所发的电不能满足负载工作要求时，当太阳能光伏组件系统出现遭到破坏导致系统工作故障时或者当蓄电池储能系统遭到破坏导致系统工作故障时。

数码管显示单元，用于在ARM处理器控制单元指令下进行蓄电池状态显示，其电路如图8所示。

远程通信控制单元用于实现ARM处理器控制单元与远程计算机互相通信，既可以实现远程自动报警，也可以实现远程路灯运行模式的调整。

供电电源用于为各个单元提供稳定的3.3V工作电压，其电路如图10所示。

本实用新型中，还设置有保护单元，用于实现防反接、防浪涌以及进行温度保护功能，其电路如图11所示，热敏电阻RV1用于实现温度保护；二极管D14（TVS二极管），可以有效保证系统防雷击穿，实现防浪涌保护； D11、E3、D12为防反接电路。

本实用新型的工作原理如下所述。

设备开始工作后，太阳能电池组件数据采集单元即开始实时采集太阳能电池组件电压、蓄电池电压和环境温度，ARM处理器控制单元通过对太阳能电池组件电压的判断，来确定是对电池进行充电，还是应该进行放电。

当太阳能电池组件电压高于蓄电池电压时，则开始根据蓄电池的电压情况进行充电管理，并根据温度进行温度补偿，调整充电电压。当太阳能电池组件电压小于蓄电池电压且大于7V时，则停止充电，处于空闲状态。当太阳能电池组件电压小于7V时，则开始进行放电，根据预先设置的放电电流值和实时采样得到的实际电流值进行比较，实时修正放电的脉冲宽度，直到二者达到均衡，产品将以稳定的电流值为负载提供电源。

当检测蓄电池电压低于11V且太阳能电池组件达不到充电电压时，则启动市电补偿功能（需要外接由市电供电的开关电源），为蓄电池进行充电，直到电池电压高于14V时停止。

同时，ARM处理器控制单元根据太阳能电池组件电压判断是否需要为负载提供电源，需要的话则接通负载。

数码管显示单元平时实时显示电池电压，通过按键操作，可以选择设置负载的放电电流、负载的工作时间等参数，以保证负载的正常工作。

Claims (8)

1.一种太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：包括ARM处理器控制单元、太阳能电池组件数据采集单元、串联式PWM充电主电路、放电控制单元以及为各单元进行供电的供电电源；

所述太阳能电池组件数据采集单元用于采集太阳能光伏电池组件的实时电压，并发送给ARM处理器控制单元；ARM处理器控制单元的输入端连接太阳能电池组件数据采集单元，ARM处理器控制单元的输出端分别经串联式PWM充电主电路和放电控制单元与蓄电池连接；串联式PWM充电主电路用于在ARM处理器控制单元的指令下完成对蓄电池进行PWM脉冲充电和均衡脉冲充电的切换；放电控制单元用于在ARM处理器控制单元的指令下完成对蓄电池放电操作。

2.根据权利要求1所述的太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：所述串联式PWM充电主电路包括并联连接在ARM处理器控制单元输出端的PWM脉冲充电控制支路和均衡充电控制支路，PWM脉冲充电控制支路和均衡充电控制支路的输出端经或门电路连接蓄电池的电源端。

3.根据权利要求1所述的太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：所述ARM处理器控制单元的输入端与太阳能路灯之间还设置有用于采集太阳能路灯信息的负载数据采样电路，ARM处理器控制单元的输出端与太阳能路灯之间还设置有用于控制太阳能路灯工作状态的负载工作控制电路。

4.根据权利要求1所述的太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：所述ARM处理器控制单元的输出端连接有用于控制市电接入或切断的市电接入控制单元。

5.根据权利要求1所述的太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：所述ARM处理器控制单元的输入端连接有指令输入单元。

6.根据权利要求1所述的太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：所述ARM处理器控制单元的输出端连接有数码管显示单元。

7.根据权利要求1所述的太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：所述充放电控制设备还包括实现ARM处理器控制单元与远程计算机互相通信的远程通信控制单元。

8.根据权利要求1所述的太阳能路灯的充放电控制设备，其特征在于：所述充放电控制设备还包括用于防反接、防浪涌以及进行温度保护的保护单元。