CN215267749U - 一种微功耗光伏电池供电电源管理模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，属电源管理技术领域，其特征在于：盒体的上盖受光面有光伏电池，上盖内部有控制器电路板和蓄电池，控制器电路板上包含有光伏充放电模块、电池防反模块、DC‑DC电池管理模块，光伏电池连接到光伏充放电模块上，蓄电池通过电池防反模块与光伏充放电模块连接，外部电源通过DC‑DC电池管理模块与电池防反模块连接，通过光伏充放电模块将电能输出，本电源管理模块尺寸小、本身耗电量少，具有MPPT功能，最大化实现太阳能转换效率，提供电能充足，使低功耗无线传感器的全生命周期免充电、免换电池成为可能，适合多种场合使用，可根据不同产品设计不同尺寸型号。

Description

一种微功耗光伏电池供电电源管理模块

技术领域

本实用新型涉及一种光伏电池供电电源管理模块，特别是一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，属电源管理技术领域。

背景技术

随着无线通信和传感器等信息技术的快速发展，使得无线传感器及其网络的应用需求越来越多，已经深入到各行各业，其对电能供给能力的要求也越来越高。受供电电池容量密度和制造成本、体积尺寸的限制，电池的续航能力有限，因此需要补给电能，太阳能作为一种清洁、便利、低成本的绿色能源，非常适于用作无线设备的电源或电能补给。然而，光伏电池的供能受到时空因素限制，容易因气候影响而使其供能的稳定性变差。因此，对于低成本、小尺寸的用电装置设备，以太阳能为电源或者作为辅助电源时，为尽量克服太阳能电源的缺陷，保证供电的可靠性、稳定性，必须要求从太阳能的采集、存储、电源自身节能等方面在满足有关成本、尺寸及其他物理条件的情况下，特别注重电源管理，以实现电源系统的高效率或高能效。中国专利公开号：CN105186606A《一种独立式微功耗太阳能电源及其实现方法》给出了一种由微控制器通过电子开关进行动态电源管理，实现高效率的太阳能采集、存储和利用，满足功率为瓦级及以下无线设备的供电与续航要求的技术方案，但由于采用的微功耗管理器MSP430F1222及电子开关等对光伏电池供电电源来说仍属于高耗能的电子元件，限制了光伏电池供电电源的更广泛地使用，随着芯片技术的发展，进一步降低光伏电池供电电源的自身功耗已成为可能。

发明内容

本实用新型的发明目的就是发明一种新型的微功耗光伏电池供电电源管理模块，超低功耗设计，恒定电压比例最大功率点跟踪MPPT算法，进一步降低太阳能光伏供电电源模块的自身功耗，最大化实现太阳能转换效率，使低功耗无线传感器的全生命周期免充电、免换电池成为可能。

为实现以上目的，本实用新型经过对管理芯片的仔细筛选，进行低功耗太阳能充电管理电路设计，具体技术方案如下：一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：包括上、下盖封闭的密封盒体，盒体的上盖受光面有光伏电池，上盖内部有控制器电路板和蓄电池，光伏电池和蓄电池与控制器电路板电连接，再从控制器电路板引出电源输出连接线；所述盒体的上盖侧面还安装有外部电源输入的防水USB插口或TYP-C插口；所述的控制器电路板上安装有防反显示灯（黄色）、充电显示灯（红色）、充满显示灯（绿色）。

所述盒体的上盖受光面开有放置光伏电池的承载槽，承载槽的边缘开有密封胶道，胶道里灌满密封粘结胶用来粘结光伏电池，光伏电池的正负极从承载槽内引入到上盖内部；盒体上盖的下部敞口边缘开有密封槽，密封槽内放置有密封圈，下盖压紧密封圈后与上盖螺钉连接。

所述盒体的下盖的内面有定位凸起棱，对应显示灯位置开有柱形观察窗口，窗口上面粘结有透明片；所述的柱形观察窗口为三个相互隔开的暗道，不影响显示灯的各自亮光。

所述盒体内的控制器电路板上包含有光伏充放电模块、电池防反模块、DC-DC电池管理模块；光伏电池的正负极连接到光伏充放电模块上，蓄电池通过电池防反模块与光伏充放电模块连接，外部电源通过DC-DC电池管理模块与电池防反模块连接，通过光伏充放电模块将电能输出。

所述的光伏电池的输入电压为0.5V~18V，所述的蓄电池为3.7V聚合物或锂离子电池，所述的输出电压为3.3V或1.8V，所述的外部电源为标准5V电源，所述的光伏电池优选为弱光非晶硅电池。

所述的光伏充放电模块包含有MPPT控制模块、充电输出模块和3.3V或1.8V稳压输出模块，MPPT控制模块包括MCU控制单元以及与MCU控制单元相连的第一电压检测单元、第二电压检测单元；第一电压检测单元连接到光伏电池板的正负极性端；第二电压检测单元连接到外部电源的正负极性端。

所述的DC-DC电池管理模块，由USB接口或TYP-C接口、输入电容C1及C2、充电显示灯LED2、充满显示灯LED3、限流电阻R3、电流调节电阻R2、电池充电管理芯片U1、输出电容C3组成；其中，电池充电管理芯片U1为TP4057，外接电源输入正电压通过网络VUSB与U1的VCC引脚及C1、C2到GND，外接电源输入负电压通过网络VUSB与GND引脚连接，组成USB的 DC供电输入端；充电电压输出从U1的BAT引脚经网络VBAT连接电容C3、Q1对蓄电池进行充电；充电电流设置从U1的PROG引脚连电阻R3到GND对充电电流进行设定；充电指示：USB输入电压正极与R3连接，串联充电显示灯LED2与U1的CHRG引脚连接，组成充电指示；充电完成指示：USB输入电压正极与R3连接，串联充满显示灯LED3与U1的STDBY引脚连接，组成充电完成指示。

所述的电池防反接模块，由防反显示灯LED1、R1、Q1及插座J1组成；其中Q1为AO3400，由蓄电池正极通过插座J1的1脚连接网络VBAT到Q1栅极，蓄电池负极通过插座J1的2脚连接到Q1漏极到GND，组成防反接电路；电池正极与防反显示灯LED1阴极连接，防反显示灯LED1阳极与电阻R1串联到电池负极，组成防反指示电路。

所述的防反显示灯LED1在蓄电池接反时，防反显示灯LED1的REV点亮（红色），提示用户连线错误；当使用外部电源通过USB插口或TYP-C插口对蓄电池充电时，充电显示灯LED2的CHG（红色）点亮，充满时充满显示灯LED3的DONE（绿色）点亮，防反显示灯LED1的REV和充电显示灯LED2的CHG熄灭；若无安装蓄电池时，充满显示灯LED3的DONE常亮，充电显示灯LED2的CHG和防反显示灯LED1的REV闪烁；当光伏电池充电时显示灯都熄灭。

所述的MPPT控制模块、充电输出模块、3.3V或1.8V稳压输出模块，由J3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、C4、C5、C6、C7、L1、U2组成；其中，U2为SPV1050。

所述的MPPT控制模块，光伏输入PV+正极连接C6、R4、U2的IN-HV引脚，R4连接到U2的MPP引脚，然后与电阻R5、R6串联连到光伏输入PV-负极及GND，组成MPP最大功率跟踪检测；光伏输入PV+正极串联电阻R4、R5连接到U2的MPP-SET引脚 与R6串联分压、连接到PV-负极及GND，组成MPP-SET最大功率参考电压点。

所述的充电输出模块，U2的STORE引脚连接电容C7、串联电阻R7与U2的UVP引脚、电阻R8、R9连接到GND，组成电池欠压电路；U2的STORE引脚连接电容C7、串联电阻R7、 R8与电阻R9分压连接到GND，电池电压分压点U2的EOC引脚、组成电池输出充电电压设置电路。

所述的稳压输出模块，U2的LDO1引脚稳压输出1.8V电压，具有短路/过流保护，可给其它负载供电；U2的LDO2引脚稳压输出3.3V电压，具有短路/过流保护，可给其它负载供电。

所述的光伏充放电模块中U2还可以选用BQ25505代替SPV1050，可根据BQ25505的引脚功能进行电路设计。

所述的微功耗光伏电池供电电源管理模块可不采用密封盒体，直接采用光伏电池和控制器电路板与应用产品结合的嵌入式结构。

本实用新型产生的积极效果是：微功耗光伏电池供电电源管理模块尺寸小、本身耗电量少，具有MPPT功能，最大化实现太阳能转换效率，提供电能充足，使低功耗无线传感器的全生命周期免充电、免换电池成为可能。适合多种场合使用，可根据不同产品设计不同尺寸型号。

附图说明

图1：本实用新型的整体结构示意图。

图2：本实用新型的上盖内部结构示意图。

图3：本实用新型的下盖结构示意图。

图4：本实用新型的器件连接示意图。

图5：本实用新型的模块连接框图。

图6：本实用新型的DC-DC电池管理模块的电路图。

图7：本实用新型的电池防反模块的电路图。

图8：本实用新型的光伏充放电模块的电路图。

图9：本实用新型的实施例1示意图。

图10：本实用新型的实施例2示意图。

图中，1、上盖，1-1、密封粘结胶，2、下盖，2-1、凸起棱，2-2、柱形观察窗口，3、光伏电池，4、外部电源接口，5、控制器电路板，5-1、光伏充放电模块，5-2、电池防反模块，5-3、DC-DC电池管理模块，6、蓄电池，7、输出电源线，8、密封圈，LED1、防反显示灯，LED2、充电显示灯，LED3、充满显示灯，9、智能水表，10、智能烟感器。

具体实施方式

下面根据附图及实施例进一步说明本实用新型的技术方案内容。

如图1至图5所示，本实用新型由上盖1和下盖2组成封闭密封的防水盒体，上盖1的下开口开有放置密封圈8的密封槽，下盖2上开有凸起棱2-1定位在上盖1的下端口内面周边，并压紧密封圈8，由螺钉将上盖1和下盖2连接在一起。在上盖1的外表面开有放置光伏电池3的承载槽，在承载槽的外周有一圈密封胶道，胶道内填充满粘结胶1-1将光伏电池3粘结在上盖1上，控制器电路板5和蓄电池6固定放置在上盖1的内部，控制器电路板5上包含有光伏充放电模块5-1、电池防反模块5-2、DC-DC电池管理模块5-3以及防反显示灯LED1、充电显示灯LED2、充满显示灯LED3，下盖2上对应三个显示灯位置设有柱形观察窗口2-2，三个通道分别罩在三个显示灯上，光线互不影响，柱形观察窗口2-2的外口贴有透明胶片，光伏电池3的正负极连接到光伏充放电模块5-1上，蓄电池6通过电池防反模块5-2与光伏充放电模块5-1连接，外部电源插入插口4通过DC-DC电池管理模块5-3与电池防反模块5-2连接，光伏充放电模块5-1通过输出电源线7将电能输出。

如图6所示为DC-DC电池管理模块5-3的电路图，由外部电源的USB接口或TYP-C接口4、输入电容C1及C2、充电显示灯LED2、充满显示灯LED3、限流电阻R3、电流调节电阻R2、电池充电管理芯片U1、输出电容C3组成；其中，电池充电管理芯片U1型号为TP4057，外部电源的输入正电压通过网络VUSB与U1的VCC引脚及C1、C2接到GND，外部电源的输入负电压通过网络VUSB与GND引脚连接，组成USB的 DC供电输入端；充电电压输出从U1的BAT引脚经网络VBAT连接电容C3及图7中的Q1对蓄电池6进行充电；充电电流设置通过U1的PROG引脚连电阻R3到GND对充电电流进行设定。USB输入电压正极与R3连接，串联充电显示灯LED2与U1的CHRG引脚连接，组成充电指示电路；串联充满显示灯LED3与U1的STDBY引脚连接，组成充满指示电路。

如图7所示为电池防反接模块5-2的电路图，由反接显示灯LED1、R1、Q1及插座J1组成；其中Q1为AO3400，由蓄电池6正极通过插座J1的1脚连接网络VBAT到Q1的栅极，由蓄电池6负极通过插座J1的2脚连接Q1的漏极到GND，组成防反接电路；蓄电池正极与反接显示灯LED1阴极连接，反接显示灯LED1阳极与电阻R1串联到电池负极，组成防反指示电路。

反接显示灯LED1在蓄电池6接反时，反接显示灯LED1的REV点亮（黄色），提示用户连线错误；当使用外部电源通过USB插口或TYP-C插口对蓄电池6充电时，充电显示灯LED2的CHG（红色）点亮，充满时充满显示灯LED3的DONE（绿色）点亮，反接显示灯LED1的REV和充电显示灯LED2的CHG熄灭；若无安装蓄电池6时，充满显示灯LED3的DONE常亮，充电显示灯LED2的CHG和反接显示灯LED1的REV闪烁；当光伏电池充电时显示灯都熄灭。

如图8所示为光伏充放电模块5-1的电路图，包含有MPPT控制模块、充电输出模块和3.3V或1.8V稳压输出模块，由J3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、C4、C5、C6、C7、L1、U2组成；其中，U2为SPV1050，光伏电池3连接电容C6后，输入PV+正极一路连接R4到U2的IN-HV引脚，另一路连接R4到U2的MPP引脚，再一路连接R4、R5到U2的MPP-SET引脚，然后R4与电阻R5、R6串联到光伏电池3的输入PV-负极及GND，其中，输入PV+正极、R4、MPP引脚、GND、输入PV-负极组成MPPT最大功率跟踪检测；光伏输入PV+正极、R4、R5、MPP-SET引脚、GND、输入PV-负极组成MPPT最大功率参考电压点；U2的STORE引脚连接电容C7、串联电阻R7与U2的UVP引脚、电阻R8、R9连接到GND，组成电池欠压电路；U2的STORE引脚连接电容C7、串联电阻R7、 R8与电阻R9分压连接GND，电池电压分压点U2的EOC引脚、组成电池充电电压设置电路；所述的稳压输出模块，U2的LDO1引脚稳压输出1.8V电压，具有短路/过流保护，可给其它负载供电；U2的LDO2引脚稳压输出3.3V电压，具有短路/过流保护，可给其它负载供电。

实施例1 本实用新型应用在智能水表。

如图9所示，A型为带有盒体的微功耗光伏电池供电电源管理模块放置在智能水表的外壳表面，将微功耗光伏电池供电电源管理模块的输出电源线7连接到智能水表内部的充电引入端，给智能水表供电；B型为采用如图4所示的嵌入式的微功耗光伏电池供电电源管理模块，将光伏电池3嵌入到水表外壳，将控制器电路板直接插接到智能水表内部的电路板上。

本实用新型的光伏电池3采用铜铟镓硒薄膜电池，光伏电池3的输入电压为5V，功率为0.5 W，蓄电池5为400 mAh锂电池，输出电能为3.3 V。

实施例2 本实用新型应用在智能烟感器。

如图10所示，C型采用如图4所示的嵌入式的微功耗光伏电池供电电源管理模块，将光伏电池3嵌入到水表外壳，将控制器电路板直接插接到智能水表内部的电路板上。D型为为带有盒体的微功耗光伏电池供电电源管理模块安装在烟感器附近顶面，有灯光照射地方，将微功耗光伏电池供电电源管理模块的输出电源线7连接到智能水表内部的充电引入端，给智能水表供电。

本实用新型的光伏电池3采用非晶硅薄膜电池，光伏电池3的输入电压为 6V，功率为0.5W，蓄电池5为 800mAh锂电池，输出电能为3.3 V。

Claims (13)

1.一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：包括上、下盖封闭的密封盒体，盒体的上盖受光面有光伏电池，上盖内部有控制器电路板和蓄电池，控制器电路板上包含有光伏充放电模块、电池防反模块、DC-DC电池管理模块，光伏电池连接到光伏充放电模块上，蓄电池通过电池防反模块与光伏充放电模块连接，外部电源通过DC-DC电池管理模块与电池防反模块连接，通过光伏充放电模块将电能输出；所述盒体的上盖侧面还安装有外部电源输入的防水USB插口或TYP-C插口；所述的控制器电路板上安装有防反显示灯、充电显示灯、充满显示灯。

2.如权利要求1所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述盒体的上盖受光面开有放置光伏电池的承载槽，承载槽的边缘开有密封胶道，胶道里灌满密封粘结胶粘结光伏电池，光伏电池的正负极从承载槽内引入到上盖内部，盒体上盖的下部敞口边缘开有密封槽，密封槽内放置有密封圈，下盖压紧密封圈后与上盖螺钉连接。

3.如权利要求1所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述盒体的下盖的内面有定位凸起棱，对应显示灯位置开有柱形观察窗口，柱形观察窗口为三个相互隔开的暗道，窗口上面粘结有透明片。

4.如权利要求1所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的光伏电池的输入电压为0.5V~18V，蓄电池为3.7V聚合物或锂离子电池，输出电压为3.3V或1.8V，外部电源为标准5V电源。

5.如权利要求1所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的光伏充放电模块包含有MPPT控制模块、充电输出模块和3.3V或1.8V稳压输出模块， MPPT控制模块包括MCU控制单元以及与MCU控制单元相连的第一电压检测单元、第二电压检测单元，第一电压检测单元连接到光伏电池板的正负极性端，第二电压检测单元连接到外部电源的正负极性端。

6.如权利要求5所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的光伏充放电模块由J3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、C4、C5、C6、C7、L1、U2组成，U2为SPV1050。

7.如权利要求5或6所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的MPPT控制模块，光伏输入PV+正极连接C6、R4、U2的IN-HV引脚，R4连接到U2的MPP引脚，然后与电阻R5、R6串联连到光伏输入PV-负极及GND，组成MPP最大功率跟踪检测；光伏输入PV+正极串联电阻R4、R5连接到U2的MPP-SET引脚 与R6串联分压、连接到PV-负极及GND，组成MPP-SET最大功率参考电压点。

8.如权利要求5或6所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的充电输出模块，U2的STORE引脚连接电容C7、串联电阻R7与U2的UVP引脚、电阻R8、R9连接到GND，组成电池欠压电路；U2的STORE引脚连接电容C7、串联电阻R7、 R8与电阻R9分压连接到GND，电池电压分压点U2的EOC引脚、组成电池输出充电电压设置电路。

9.如权利要求5或6所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的稳压输出模块，U2的LDO1引脚稳压输出1.8V电压，具有短路/过流保护，可给其它负载供电；U2的LDO2引脚稳压输出3.3V电压，具有短路/过流保护，可给其它负载供电。

10.如权利要求5所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的光伏充放电模块的U2可采用DB25505代替SPV1050，根据DB25505引脚功能进行电路设计。

11.如权利要求1所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的DC-DC电池管理模块，由USB接口或TYP-C接口、输入电容C1及C2、充电显示灯LED2、充满显示灯LED3、限流电阻R3、电流调节电阻R2、电池充电管理芯片U1、输出电容C3组成，电池充电管理芯片U1为TP4057，外接电源输入正电压通过网络VUSB与U1的VCC引脚及C1、C2到GND，外接电源输入负电压通过网络VUSB与GND引脚连接，组成USB的 DC供电输入端；充电电压输出从U1的BAT引脚经网络VBAT连接电容C3、Q1对蓄电池进行充电；充电电流设置从U1的PROG引脚连电阻R3到GND对充电电流进行设定； USB输入电压正极与R3连接，串联充电显示灯LED2与U1的CHRG引脚连接，组成充电指示电路； USB输入电压正极与R3连接，串联充满显示灯LED3与U1的STDBY引脚连接，组成充电完成指示电路。

12.如权利要求1所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的电池防反接模块，由防反显示灯LED1、R1、Q1及插座J1组成，其中Q1为AO3400；由蓄电池正极通过插座J1的1脚连接网络VBAT到Q1栅极，蓄电池负极通过插座J1的2脚连接到Q1漏极到GND，组成防反接电路；电池正极与防反显示灯LED1阴极连接，防反显示灯LED1阳极与电阻R1串联到电池负极，组成防反指示电路。

13.如权利要求1所述的一种微功耗光伏电池供电电源管理模块，其特征在于：所述的微功耗光伏电池供电电源管理模块可省略密封盒体，采用光伏电池和控制器电路板与应用产品结合的嵌入式结构。

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