CN210517876U

CN210517876U - 一种太阳能电池充电系统

Info

Publication number: CN210517876U
Application number: CN201921430212.8U
Authority: CN
Inventors: 施刘阳
Original assignee: Jicong New Energy Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Jicong New Energy Technology Shanghai Co Ltd
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2029-08-30

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能电池充电系统，包括，降压模块，与太阳能电池模块和电流采集模块相连；电压采集模块，与所述电流采集模块和电池模块相连，所述降压模块将所述太阳能电池模块输出的电压降低使其与所述电池模块的电压匹配；控制模块，与所述电流采集模块、电压采集模块和降压模块相连，接收所述电流采集模块和电压采集模块采集到的信号，并根据接收的信号处理后控制所述降压模块。本实用新型所述的太阳能电池充电系统，建立起太阳能电池和锂电池之间的联系，根据太阳能电池和锂电池的状态，对锂电池的充电过程进行控制，延长锂电池使用寿命，保证充电安全，同时提高太阳能电池的充电效率和太阳能利用率。

Description

一种太阳能电池充电系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能充电技术领域，特别是，涉及一种太阳能电池充电系统。

背景技术

太阳能的绿色与可再生特性,使其在低碳和能源紧缺的今日备受关注。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流，在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏。

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，随着科学技术的发展，现在锂电池因比能量高、自放电低的特性，逐渐取代铅酸电池成为主流。由目前常用的太阳能电池的输出特性可知, 太阳能电池在一定的光照度和温度下，既非恒流源，亦非恒压源，其最大功率受负载影响，而锂电池可看作一个小负载电压源。因此，当太阳能电池给锂电池充电时，如果不加控制直接将二者连接，太阳能电池的工作电压箝位于锂电池工作电压，则无法高效利用太阳能。

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

鉴于上述和/或现有太阳能充电系统中存在的问题，提出了本实用新型。

因此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种太阳能电池充电系统，解决太阳能电池的工作电压与锂电池工作电压不匹配所导致的太阳能效率利用率低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种太阳能电池充电系统，包括，降压模块，与太阳能电池模块和电流采集模块相连；电压采集模块，与所述电流采集模块和电池模块相连，所述降压模块将所述太阳能电池模块输出的电压降低使其与所述电池模块的电压匹配；控制模块，与所述电流采集模块、电压采集模块和降压模块相连，接收所述电流采集模块和电压采集模块采集到的信号，并根据接收的信号处理后控制所述降压模块。

作为本实用新型所述太阳能电池充电系统的一种优选方案，其中：所述降压模块包括开关子模块和驱动子模块，所述开关子模块与所述驱动子模块相连，所述驱动子模块与所述控制模块相连，所述控制模块通过所述驱动子模块控制所述开关子模块的工作状态。

作为本实用新型所述太阳能电池充电系统的一种优选方案，其中：所述开关子模块主要由金属-氧化物半导体场效应晶体管构成。

作为本实用新型所述太阳能电池充电系统的一种优选方案，其中：所述降压模块还包括第一滤波子模块和第二滤波子模块，所述第一滤波子模块接于所述太阳能电池模块一端，所述第二滤波子模块设于所述降压模块内部。

作为本实用新型所述太阳能电池充电系统的一种优选方案，其中：所述电流采集模块包括放大子模块，所述放大子模块用于将采集到的电流进行放大。

作为本实用新型所述太阳能电池充电系统的一种优选方案，其中：所述电压采集模块用于采集电压信号，其内设有反向比例放大器。

作为本实用新型所述太阳能电池充电系统的一种优选方案，其中：所述电池模块采用锂电池。

作为本实用新型所述太阳能电池充电系统的一种优选方案，其中：所述控制模块采用单片机。

本实用新型的有益效果：本实用新型所述的太阳能电池充电系统，建立起太阳能电池和锂电池之间的联系，根据太阳能电池和锂电池的状态，对锂电池的充电过程进行控制，延长锂电池使用寿命，保证充电安全，同时提高太阳能电池的充电效率和太阳能利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本实用新型提供的一种实施例中太阳能电池充电系统整体框架结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种实施例中太阳能电池充电系统控制模块引脚图；

图3为本实用新型提供的一种实施例中太阳能电池充电系统降压模块电路图；

图4为本实用新型提供的一种实施例中太阳能电池充电系统电流采集模块电路图；

图5为本实用新型提供的一种实施例中太阳能电池充电系统电压采集模块电路图；

图6为本实用新型提供的一种实施例中太阳能电池充电系统整体电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1～图2，一种太阳能电池充电系统，包括降压模块100、太阳能电池模块200、电流采集模块300、电压采集模块400、电池模块500和控制模块 600，降压模块100与太阳能电池模块200和电流采集模块300相连；电压采集模块400与电流采集模块300和电池模块500相连，降压模块100将太阳能电池模块200输出的电压降低使其与电池模块500的电压匹配；控制模块600与电流采集模块300、电压采集模块400和降压模块100相连，接收电流采集模块300和电压采集模块400采集到的信号，并根据接收的信号处理后控制降压模块100。

太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N 型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。

本实施例中，太阳能电池模块200太阳能电池板或太阳能电池板组成的阵列，其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。太阳能电池主要用单晶硅、多晶硅为材料。单晶硅的光电转换效率为13％～15％，多晶硅为11％～13％，目前最新的技术还包括光伏薄膜电池，这里，太阳能电池模块200最大输出功率15W，开路电压17.6V。

电池模块500为锂电池，型号为18650，18650型锂电池，其标称电压为 3.7V，充电截止电压为4.2V，这里采用4个串联，充电截止电压16.8V,电池组容量10.4Ah。

锂电池芯过充到电压高于4.2V后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于4.2V后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。

因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时，部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到2.4V才停止。锂电池从3.0V放电到2.4V这段期间，所释放的能量只占电池容量的3％左右。因此， 3.0V是一个理想的放电截止电压。充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面。

控制模块600为单片机及其外围电路，单片机型号为SPCE061A，SPCE061A 是具有易学易用且效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言和汇编语言的相互调用。SPCE061A主要包括输入/输出端口、定时器/计算器、数模转换、模数转换、串行设备输入/输出、通用异步串行接口、低电压检测和复位等电路，并且内置在线仿真电路接口，使得对芯片的编程、仿真变得非常方便，而接口不占用芯片上的硬件资源，用户可以在线调制仿真，并且程序的下载或烧写也是通过该接口完成的。

降压模块100、电流采集模块300和电压采集模块400可都为电路，电流采集模块300和电压采集模块400将采集到的电压和电流信号传送给控制模块 600，控制模块600根据电压和电流信号通过算法决定降压模块100的工作状态，以此控制太阳能电池模块200对电池模块500的工作状态。

需要说明的是，控制模块600所采用的算法为MPPT算法，该算法使用的是MPPT原理，MPPT即为最大功率点跟踪技术。太阳能电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同一光照强度下，由于负载的不同也会输出不同的功率。由于太阳能电池受到光强、光线入射角度、温度等多种因素的影响，最大功率相应改变，对应最大功率点的输出电压、输出电流和内阻也在不停变化。因此，需要使负载相应改变，才能使太阳能电池工作在最大功率点上。

SPCE061A含有7个10位ADC(模数转换)并内置了PWM功能，简化了电路复杂程度，提高稳定性。电流采集模块300和电压采集模块400通过ADC 将电压值与电流值送入控制模块600，控制模块600根据MPPT算法计算PWM 控制降压模块100完成对充电过程的控制。

PWM是指脉冲宽度调制，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

实施例2

参照图3，一种太阳能电池充电系统，包括降压模块100、太阳能电池模块200、电流采集模块300、电压采集模块400、电池模块500和控制模块600，降压模块100与太阳能电池模块200和电流采集模块300相连；电压采集模块 400与电流采集模块300和电池模块500相连，降压模块100将太阳能电池模块200输出的电压降低使其与电池模块500的电压匹配；控制模块600与电流采集模块300、电压采集模块400和降压模块100相连，接收电流采集模块300 和电压采集模块400采集到的信号，并根据接收的信号处理后控制降压模块 100。

具体地，降压模块100包括开关子模块101和驱动子模块102，开关子模块101与驱动子模块102相连，驱动子模块102与控制模块600相连，控制模块600通过驱动子模块102控制开关子模块101的工作状态，开关子模块101 主要由金属-氧化物半导体场效应晶体管构成。

本实施例中，开关子模块101采用MOSFET管，即金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。当锂电池端电压充到截止电压值时，开关子模块101进入脉宽调制状态，避免锂电池过充。驱动子模块102主要由两个三极管相连组成驱动电路，通过接收PWM信号来控制开罐子模块101的导通状态。

进一步地，降压模块100还包括第一滤波子模块103和第二滤波子模块 104，第一滤波子模块103接于太阳能电池模块200一端，第二滤波子模块104 设于降压子模块100内部。

本实施例中，第一滤波子模块103为一电容，起滤波的作用，消除干扰，平缓电压突变，大小在10μF～100μF之间，第二滤波子模块104由两个电容并联构成，大小分别为10μF和470μF，滤除系统中的杂波，减少对单片机和系统的干扰。

实施例3

参照图4～图6，一种太阳能电池充电系统，包括降压模块100、太阳能电池模块200、电流采集模块300、电压采集模块400、电池模块500和控制模块 600，降压模块100与太阳能电池模块200和电流采集模块300相连；电压采集模块400与电流采集模块300和电池模块500相连，降压模块100将太阳能电池模块200输出的电压降低使其与电池模块500的电压匹配；控制模块600与电流采集模块300、电压采集模块400和降压模块100相连，接收电流采集模块300和电压采集模块400采集到的信号，并根据接收的信号处理后控制降压模块100，降压模块100包括开关子模块101、驱动子模块102、第一滤波子模块103和第二滤波子模块104，开关子模块101与驱动子模块102相连，驱动子模块102与控制模块600相连，控制模块600通过驱动子模块102控制开关子模块101的工作状态，开关子模块101主要由金属-氧化物半导体场效应晶体管构成，第一滤波子模块103接于太阳能电池模块200一端，第二滤波子模块 104设于降压子模块100内部。

进一步地，电流采集模块300包括放大子模块301，放大子模块301用于将采集到的电流进行放大，电压采集模块400用于采集电压信号，其内设有反向比例放大器。

本实施例中，电流采集模块300用于采集系统电路中的电流，采用0.02Ω的采样电阻进行采样，并使用放大子模块301对电流进行放大，放大倍数为20 倍，可检测到的最大电流达到8A。放大子模块301采用型号为MAX4080的芯片，MAX4080输入电压范围4.5V至76V，适用于单向电流检测，通过单一输出引脚，便可连续监视整个电流变化过程，无须额外的极性输出。

因为SPCE061A的A/D端输入范围为0～3V,而太阳能电池的输出常常高于3V，因此采用反向比例放大器，使输入与采集电压范围相匹配。

需要说明的是，由于降压模块100连接至锂电池两端时，输出电压短时间内变化不大，在短时间可认为恒定。因此，该系统的最大功率点跟踪可简化为通过PWM调整电流至最大值，即认为太阳能电池的输出功率达到最大。

由锂电池充电特性可知，为保证充电安全高效，需采用预充、恒流、涓流的三段式充电。系统通过对锂电池两端电压进行检测，判断充电状态，进而采取相应的充电策略。当光照强度降低，程序判断太阳能电池产生的功率小于系统自身开销时，进入休眠模式。

传统充电系统的太阳能电池利用率约为65％,而本方案的MPPT充电器利用率约为96％,输出功率有明显的上升。通过SPCE061A单片机实现的带有 MPPT功能的太阳能充电系统大幅提高了太阳能电池利用率，在控制模块600 中加入了三段式充电的智能充电策略程序和防止过充电的安全策略程序，并且在光照强度大幅下降到低于系统开销的情况下自动实现系统休眠。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种太阳能电池充电系统，其特征在于：包括，

降压模块(100)，与太阳能电池模块(200)和电流采集模块(300)相连；

电压采集模块(400)，与所述电流采集模块(300)和电池模块(500)相连，所述降压模块(100)将所述太阳能电池模块(200)输出的电压降低使其与所述电池模块(500)的电压匹配；

控制模块(600)，与所述电流采集模块(300)、电压采集模块(400)和降压模块(100)相连，接收所述电流采集模块(300)和电压采集模块(400)采集到的信号，并根据接收的信号处理后控制所述降压模块(100)。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池充电系统，其特征在于：所述降压模块(100)包括开关子模块(101)和驱动子模块(102)，所述开关子模块(101)与所述驱动子模块(102)相连，所述驱动子模块(102)与所述控制模块(600)相连，所述控制模块(600)通过所述驱动子模块(102)控制所述开关子模块(101)的工作状态。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池充电系统，其特征在于：所述开关子模块(101)主要由金属-氧化物半导体场效应晶体管构成。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池充电系统，其特征在于：所述)降压模块(100)还包括第一滤波子模块(103)和第二滤波子模块(104)，所述第一滤波子模块(103)接于所述太阳能电池模块(200)一端，所述第二滤波子模块(104)设于所述降压模块(100)内部。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池充电系统，其特征在于：所述电流采集模块(300)包括放大子模块(301)，所述放大子模块(301)用于将采集到的电流进行放大。

6.根据权利要求5所述的太阳能电池充电系统，其特征在于：所述电压采集模块(400)用于采集电压信号，其内设有反向比例放大器。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池充电系统，其特征在于：所述电池模块(500)采用锂电池。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池充电系统，其特征在于：所述控制模块(600)采用单片机。