CN212305145U - 一种基于升降压变换的mppt充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于升降压变换的MPPT充电系统，包括：光伏电池板、MPPT控制器、PWM驱动器和DC/DC变换器；其特征在于，所述DC/DC变换器为具有升降压变换功能的BUCK‑BOOST变换器。实际工作时，当光照足够强，所述DC/DC变换器采用BUCK降压模式控制；当碰到阴雨天或多云天气导致光照变弱，所述DC/DC变换器采用BOOST升压模式控制。这样，既拥有BUCK方式的高效率，又可解决太阳辐射不足时无法对蓄电池充电的问题。在光伏电池板对蓄电池充电期间，还可同时给别的外部负载(例如照明灯)进行独立开关的供电；并且具有蓄电池防反接功能。

Description

一种基于升降压变换的MPPT充电系统

技术领域

本实用新型涉及光伏MPPT控制器以及光伏充电系统等开关电源技术领域，尤其涉及一种基于升降压变换的MPPT充电系统。

背景技术

太阳能电池板(光伏电池阵列)发出的电，经过DC/DC变换后对蓄电池进行充电储能，或者再经过逆变电路转换为交流电，供负载使用(离线)或并网发电，这是太阳能光伏系统的典型应用场景。

太阳能电池板相当于一个内阻较大的能量输出源，而且其内阻随光照变化而动态变化，其输出的伏安特性不是线性的，考虑光照(辐射)强度以及环境等外界因素的影响，其输出功率是不断变化的。为了有效利用电池板的输出电能，最大功率跟踪(MPPT)控制是必须的。

MPPT控制器能够实时侦测太阳能电池板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出对蓄电池充电，MPPT在太阳能光伏系统中起到协调太阳能电池板、蓄电池、负载工作的作用，是光伏系统的控制中心。

MPPT控制的算法有多种，但其本质都是一样的，如图1所示，那就是，通过监控电池板输出的电压和电流跟踪其内阻(电源内阻)，然后调节DC/DC变换器的占空比(Duty)，使变换器的输入阻抗(相当于负载电阻)与电池板的内阻保持阻抗匹配，保证电池板输出最大功率。

目前，市面上的太阳能MPPT控制器多数采用降压(BUCK)式的DC/DC变换器，这种方式在光照(辐射)较强并且相对稳定的时候，可以有很好的转换效率，但也存在重大缺点：在阳光不足(例如阴天、雨天、或多云)的时候，电池板输出电压明显下降，转换效率就低。电压太低时，变换器不工作(处在待机状态)，将无法利用电池板对蓄电池进行充电，若长时间如此，则蓄电池没办法储能，甚至亏空。例如，DC/DC变换器的输出给12V蓄电池充电，太阳能电池板的输出电压必须高于蓄电池的当前电压，如果太阳能电池板的电压低于电池的电压，那么变换器不工作，输出电流就会接近0，导致功能失效。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种在阳光不足的情况下仍能利用太阳能电池板发出的电力对蓄电池进行充电的MPPT充电系统。

为达到以上目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种基于升降压变换的MPPT充电系统，包括：光伏电池板、MPPT控制器、PWM驱动器和DC/DC变换器，所述光伏电池板输出的电压电流经所述DC/DC变换器处理后输出给负载，所述MPPT控制器用来采集所述光伏电池板输出的电压电流信号并输出控制信号，所述PWM驱动器根据所述控制信号调节所述DC/DC变换器的占空比；其特征在于，所述DC/DC变换器为具有升降压切换功能的BUCK-BOOST变换器。

更为优选的是，所述负载为蓄电池，当光伏电池板输出的电压≥蓄电池电压时，DC/DC变换器工作在BUCK降压模式；当光伏电池板输出的电压＜蓄电池电压时，DC/DC变换器工作在BOOST升压模式。

更为优选的是，所述MPPT控制器和所述PWM驱动器共同集成在一单片机上。

更为优选的是，所述DC/DC变换器包括以下电子元器件：第一三极管Q1、继电器RY1、第一电容C1、第二电容C2、第一场效应管Q2、电感L1、快恢复二极管D3、第三电容C3、第四电容C4、第二三极管Q3、第二场效应管Q4和第三场效应管Q5；第一三极管Q1和继电器RY1构成输入切换开关，第一电容C1、第二电容C2、第一场效应管Q2、电感L1、快恢复二极管D3、第三电容C3和第四电容C4构成Buck-Boost变换电路，第二三极管Q3和第二场效应管Q4构成电池防反接电路，第三场效应管Q5构成外部负载开关。

更为优选的是，各电子元器件的连接结构为：第一三极管Q1的基极通过第一电阻R1与RY1.DRV驱动端连接，第一三极管Q1的基极与发射极之间串联第二电阻R2，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极通过第一二极管D1与继电器RY1的第2接线端子连接；继电器RY1的第1连接端子与第一三极管Q1的集电极连接；继电器RY1的第4连接端子、第5连接端子分别连接光伏电池板的正极接线端子PV+和与第一场效应管Q2的漏极；第一电容C1、第二电容C2的正极连接在继电器RY1与第一场效应管Q2的连接节点上，第一电容C1、第二电容C2的负极接PV-公共端；继电器RY1与第一场效应管Q2的连接节点PVCAP，经过电阻分压(降压)后与单片机连接，用于检测DC/DC变换器的输入电压；第一场效应管Q2的栅极通过第三电阻R3连接到CHG.DRV端子，该端子经过驱动隔离电路后与单片机连接；第一场效应管Q2的源极通过串联的第四电阻R4、第二二极管D2连接到CHG.DRV端子；电感L1的一端与第一场效应管Q2的源极连接、另一端接PV-公共端；快恢复二极管D3的阴极与第一场效应管Q2的源极连接，快恢复二极管D3的阳极与CHG.I端子连接并通过第五电阻R5与第二场效应管Q4的漏极连接，CHG.I端子采样的充电电流经过放大处理后送到单片机；第三电容C3和第四电容C4的负极与第二场效应管Q4的漏极连接，第三电容C3和第四电容C4的正极与蓄电池正极接线端子连接，蓄电池正极与PV-公共端连接；第二场效应管Q4的漏极接地，第二场效应管Q4的栅极与第二三极管Q3的集电极连接，第二场效应管Q4的源极与蓄电池负极接线端子连接；第二三极管Q3的发射极与蓄电池正极接线端子连接，第二三极管Q3的基极通过限流电阻R6与蓄电池负极接线端子连接；第三场效应管Q5的栅极连接至LOAD.DRV端子，单片机输出的控制信号经放大处理后输出到LOAD.DRV端子，第三场效应管Q5的源极通过采样电阻R7连接至第二场效应管Q4的源极，第三场效应管Q5的漏极连接外部负载接线端子；在第三场效应管Q5的源极上连接有负载电流采样端子LOAD.I，LOAD.I端子采样的负载电流经过放大处理后送到单片机。

本实用新型的有益效果是：

一、DC/DC变换器采用BUCK-BOOST变换器，实际工作时，可进行升降压的双控制模式。如根据太阳光照(辐射)强度对控制方式进行切换：光照足够强时，采用BUCK方式控制；当光照较弱时，采用BOOST升压模式，保持太阳能电池板对蓄电池进行充电，防止电池容量处于亏损下滑状态。本实用新型通过将DC/DC变换器优化为BUCK-BOOST变换器，既拥有BUCK方式的高效率，又可解决太阳辐射不足时无法对蓄电池充电的问题，且便于人工设定工作模式切换值。

二、在光伏电池板对蓄电池充电期间，可同时给别的外部负载(例如照明灯)进行供电，并且设置有独立的开关，安全、方便、可靠。

三、本实用新型提供的DC/DC变换器集成有蓄电池防反接电路，使得系统工作时更加安全可靠。

附图说明

图1所示为MPPT控制器的工作原理图。

图2所示为本实用新型提供的MPPT充电系统的电路图。

具体实施方式

下面结合说明书的附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的描述，使本实用新型的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

实施例

一种基于升降压变换的MPPT充电系统，包括：光伏电池板、MPPT控制器、PWM驱动器和DC/DC变换器，所述光伏电池板输出的电压电流经所述DC/DC变换器处理后输出给负载，所述MPPT控制器用来采集所述光伏电池板输出的电压电流信号并输出控制信号，所述PWM驱动器根据所述控制信号调节所述DC/DC变换器的占空比。

其中，所述MPPT控制器和所述PWM驱动器由单片机(MCU)充当，所述DC/DC变换器为具有升降压变换功能的BUCK-BOOST变换器，所述负载为蓄电池。MPPT控制器通过判断太阳光照(辐射)强度，对DC/DC变换器充电控制方式进行切换：当光照足够强时，采用BUCK控制方式对蓄电池充电；当碰到阴雨天或多云天气导致电池板输出电压降低到蓄电池电压以下，采用BOOST升压控制方式对蓄电池充电；防止蓄电池容量处于亏损下滑状态。

与现有技术相比，本实施例提供的MPPT充电系统，既拥有BUCK方式的高效率，又可解决太阳辐射不足时无法对蓄电池充电的问题，电路和控制简单实用，安全可靠。

实际应用时，太阳光照强度可以通过电池板的电压电流变化来表征：通过不断检测光伏电池板的电压电流变化，根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节：当光伏电池板的电压足够高时，调节占空比D<0.5，变换器工作在BUCK模式，当光伏电池板的电压不足，低于蓄电池充电所需的输出电压时，调节占空比D>0.5，变换器工作者BOOST模式。如，太阳能电池板电压跌至7～12V，通过BOOST控制方式可升压到13.6V对蓄电池进行充电。

如图2所示，其为本实施例中的DC/DC变换器连接电路，该电路中，第一三极管Q1和继电器RY1构成输入切换开关，第一电容C1、第二电容C2、第一场效应管Q2、电感L1、快恢复二极管D3、第三电容C3和第四电容C4构成Buck-Boost变换电路，第二三极管Q3和第二场效应管Q4构成电池防反接电路，第三场效应管Q5构成外部负载开关。

该电路中，各电子元器件的具体连接方式为：第一三极管Q1的基极通过第一电阻R1与RY1.DRV驱动端连接，第一三极管Q1的基极与发射极之间串联第二电阻R2，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极通过第一二极管D1与继电器RY1的第2接线端子连接；继电器RY1的第1连接端子与第一三极管Q1的集电极连接；继电器RY1的第4连接端子、第5连接端子分别连接光伏电池板的正极接线端子PV+和与第一场效应管Q2的漏极；第一电容C1、第二电容C2的正极连接在继电器RY1与第一场效应管Q2的连接节点上，第一电容C1、第二电容C2的负极接PV-公共端；继电器RY1与第一场效应管Q2的连接节点PVCAP，经过电阻分压(降压)后与单片机连接，用于检测DC/DC变换器的输入电压；第一场效应管Q2的栅极通过第三电阻R3连接到CHG.DRV端子，该端子经过驱动隔离电路后与单片机连接；第一场效应管Q2的源极通过串联的第四电阻R4、第二二极管D2连接到CHG.DRV端子；电感L1的一端与第一场效应管Q2的源极连接、另一端接PV-公共端；快恢复二极管D3的阴极与第一场效应管Q2的源极连接，快恢复二极管D3的阳极与CHG.I端子连接并通过第五电阻R5与第二场效应管Q4的漏极连接，CHG.I端子采样的充电电流经过放大处理后送到单片机；第三电容C3和第四电容C4的负极与第二场效应管Q4的漏极连接，第三电容C3和第四电容C4的正极与蓄电池正极接线端子连接，蓄电池正极与PV-公共端连接；第二场效应管Q4的漏极接地，第二场效应管Q4的栅极与第二三极管Q3的集电极连接，第二场效应管Q4的源极与蓄电池负极接线端子连接；第二三极管Q3的发射极与蓄电池正极接线端子连接，第二三极管Q3的基极通过限流电阻R6与蓄电池负极接线端子连接；第三场效应管Q5的栅极连接至LOAD.DRV端子，单片机输出的控制信号经放大处理后输出到LOAD.DRV端子，第三场效应管Q5的源极通过采样电阻R7连接至第二场效应管Q4的源极，第三场效应管Q5的漏极连接外部负载接线端子；在第三场效应管Q5的源极上连接有负载电流采样端子LOAD.I，LOAD.I端子采样的负载电流经过放大处理后送到单片机。

本实施例提供的一种基于升降压变换的MPPT充电系统，其工作原理为：

1)当蓄电池(BAT)正确接入，同时接入光伏电池板(PV)时，MCU(单片机)检测BAT输入电压、PV输入电压状态，若PV电压在输入允许范围内，则MCU(单片机)驱动RY1.DRV闭合继电器RY1，DC/DC变换器开始工作。

当检测到的PV电压过低(超出允许输入范围)时，MCU关闭RY1继电器和第一场效应管Q2，但此时蓄电池可对外部负载进行供电，由电池向外部负载提供电能。

2)PV电压高于BAT电压时，MCU控制第一场效应管Q2的占空比D<0.5，DC/DC变换器工作在BUCK降压充电模式；当检测PV低于电池电压时，MCU控制第一场效应管Q2的占空比D>0.5，DC/DC变换器工作在BOOST升压充电模式。

不管在降压还是升压模式，MCU根据检测到的充电电流，对第一场效应管Q2的占空比进行微调。

3)本实用新型在光伏电池板对蓄电池充电期间，可同时给别的外部负载进行供电(例如照明灯)，或者在夜间PV电压低于下限后，由蓄电池给外部负载供电。此功能通过“外部负载开关”→MCU→发出LOAD DRV信号→开通或关断第三场效应管Q5得以实现。

4)第二三极管Q3和第二场效应管Q4防止蓄电池反接。只有蓄电池以正确的极性接入时，第二三极管Q3的BE极正偏导通，从而导致第二场效应管Q4(N-MOS管)导通，电池才能正常充电。

本实施例提供的一种基于升降压变换的MPPT充电系统可工作在三种模式：BUCK降压模式，BOOST升压模式，自动模式、根据PV输入电压自动调整工作模式。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本实用新型不局限于上述的具体实施方式，在本实用新型基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (5)

1.一种基于升降压变换的MPPT充电系统，包括：光伏电池板、MPPT控制器、PWM驱动器和DC/DC变换器，所述光伏电池板输出的电压电流经所述DC/DC变换器处理后输出给负载，所述MPPT控制器用来采集所述光伏电池板输出的电压电流信号并输出控制信号，所述PWM驱动器根据所述控制信号调节所述DC/DC变换器的占空比；其特征在于，所述DC/DC变换器为具有升降压切换功能的BUCK-BOOST变换器。

2.根据权利要求1所述的一种基于升降压变换的MPPT充电系统，其特征在于，所述负载为蓄电池，当光伏电池板输出的电压≥蓄电池电压时，所述DC/DC变换器工作在BUCK降压模式；当光伏电池板输出的电压＜蓄电池电压时，所述DC/DC变换器工作在BOOST升压模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于升降压变换的MPPT充电系统，其特征在于，所述MPPT控制器和所述PWM驱动器共同集成在一单片机上。

4.根据权利要求3所述的一种基于升降压变换的MPPT充电系统，其特征在于，所述DC/DC变换器包括以下电子元器件：第一三极管Q1、继电器RY1、第一电容C1、第二电容C2、第一场效应管Q2、电感L1、快恢复二极管D3、第三电容C3、第四电容C4、第二三极管Q3、第二场效应管Q4和第三场效应管Q5；第一三极管Q1和继电器RY1构成输入切换开关，第一电容C1、第二电容C2、第一场效应管Q2、电感L1、快恢复二极管D3、第三电容C3和第四电容C4构成Buck-Boost变换电路，第二三极管Q3和第二场效应管Q4构成电池防反接电路，第三场效应管Q5构成外部负载开关。

5.根据权利要求4所述的一种基于升降压变换的MPPT充电系统，其特征在于，第一三极管Q1的基极通过第一电阻R1与RY1.DRV驱动端连接，第一三极管Q1的基极与发射极之间串联第二电阻R2，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的集电极通过第一二极管D1与继电器RY1的第2接线端子连接；继电器RY1的第1连接端子与第一三极管Q1的集电极连接；继电器RY1的第4连接端子、第5连接端子分别连接光伏电池板的正极接线端子PV+和第一场效应管Q2的漏极；第一电容C1、第二电容C2的正极连接在继电器RY1与第一场效应管Q2的连接节点上，第一电容C1、第二电容C2的负极接PV-公共端；继电器RY1与第一场效应管Q2的连接节点PVCAP，经过电阻分压(降压)后与单片机连接，用于检测DC/DC变换器的输入电压；第一场效应管Q2的栅极通过第三电阻R3连接到CHG.DRV端子，该端子经过驱动隔离电路后与单片机连接；第一场效应管Q2的源极通过串联的第四电阻R4、第二二极管D2连接到CHG.DRV端子；电感L1的一端与第一场效应管Q2的源极连接、另一端接PV-公共端；快恢复二极管D3的阴极与第一场效应管Q2的源极连接，快恢复二极管D3的阳极与CHG.I端子连接并通过第五电阻R5与第二场效应管Q4的漏极连接，CHG.I端子采样的充电电流经过放大处理后送到单片机；第三电容C3和第四电容C4的负极与第二场效应管Q4的漏极连接，第三电容C3和第四电容C4的正极与蓄电池正极接线端子连接，蓄电池正极与PV-公共端连接；第二场效应管Q4的漏极接地，第二场效应管Q4的栅极与第二三极管Q3的集电极连接，第二场效应管Q4的源极与蓄电池负极接线端子连接；第二三极管Q3的发射极与蓄电池正极接线端子连接，第二三极管Q3的基极通过限流电阻R6与蓄电池负极接线端子连接；第三场效应管Q5的栅极连接至LOAD.DRV端子，单片机输出的控制信号经放大处理后输出到LOAD.DRV端子，第三场效应管Q5 的源极通过采样电阻R7连接至第二场效应管Q4的源极，第三场效应管Q5的漏极连接外部负载接线端子；在第三场效应管Q5的源极上连接有负载电流采样端子LOAD.I，LOAD.I端子采样的负载电流经过放大处理后送到单片机。

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