CN218183067U - 一种具有mppt与ups功能的太阳能供电装置 - Google Patents

Abstract

一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置,包括光伏电池、第一电阻、转换器和蓄电池组，光伏电池的输出端串接第一电阻后与转换模块的输入端连接，转换模块一端与负载连接，向负载供电，另一端与蓄电池组连接；转换模块包括第一电压检测模块、第二电压检测模块、Buck‑Boost变换器、第一继电器、双向DCDC转换器、单片机和辅助电源；本装置不需要外部供电，根据光照不同实现不间断式供电，可实现模式一下的光伏电池单独对负载供电，或模式二下的光伏电池和蓄电池组共同对负载供电，实现UPS功能，不论是模式一的供电方式或模式二的供电方式，通过双向DCDC转换器调整，使Buck‑Boost变换器的输入电压为光伏电池输出电压的一半，实现MPPT控制，保证光伏电池的最大化输出。

Description

一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置

技术领域

本实用新型涉及供电系统，具体说的是一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置。

背景技术

太阳能作为一种可再生能源，开发潜力巨大，随着太阳能发电技术的发展，需要更加高性能、稳定，便捷的供电装置。

太阳能供电会受到光照光强的影响，需要电池组组成不间断式电源，并且尽可能减少能源损耗，提升输出功率，但现在许多装置的供电都是光伏单独供电或电池组单独供电，存在供电不稳定，在光照弱时无法保证供电装置最大功率输出，甚至不能正常工作等问题。同时现在一些产品设计依然需要外部电源辅助，否则无法在夜晚应用，不适用与不易通市电的地方。

CN202021755876.4《移动式光伏发电设备》其构成包括有包括光伏板、电池组、控制器电路和MPPT太阳能转换电路。缺点为：电路设计中，将光伏板太阳能转化后的电能并不能直接给负载供电，必须先给电池组充电后，由电池组给负载供电。且电池的充放电不能同时进行，所以在电池组没电时就不能为负载进行供电，也不具备ups功能。

CN215010108U《太阳能电池充放电控制电路》其构成包括有MPPT充电模块，放电过载保护模块，主控模块等。缺点为：不能保证充放电过程中对负载供电的电压电流值，只能给蓄电池充电。没有装置应对负载发生变化的情况。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置，能更广泛又稳定应用在日常生活中。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置,包括光伏电池、第一电阻、转换器和蓄电池组，光伏电池的输出端串接第一电阻后与转换模块的输入端连接，转换模块一端与负载连接，向负载供电，另一端与蓄电池组连接；

转换模块包括第一电压检测模块、第二电压检测模块、Buck-Boost变换器、第一继电器、双向DCDC转换器、单片机和辅助电源；

Buck-Boost变换器的输入端与串接后的光伏电池和第一电阻连接，Buck-Boost变换器的输出端与负载连接；

第一电压检测模块并接在第一电阻之前的光伏电池输出端上，其信号端与单片机的信号采集引脚连接，第二电压检测模块并接在第一电阻后的Buck-Boost变换器的输入端上，其信号端与单片机的信号采集引脚连接；

第一继电器的信号端与单片机的控制引脚连接，第一继电器的1脚接在Buck-Boost变换器的输入端正极上，其3脚接在Buck-Boost变换器的输出端正极上，其2脚接在双向DCDC转换器的一向正极，该向负极接在Buck-Boost变换器的输出端负极上，双向DCDC转换器的另一向连接蓄电池组，双向DCDC转换器的PWM信号端与单片机的控制引脚连接；

第二继电器的信号端与单片机的控制引脚连接，3脚与Buck-Boost变换器的输入端正极相连，1脚与蓄电池的正极相连， 2脚与辅助电源的正极相连，辅助电源的负极与Buck-Boost变换器的输入端负极相连，辅助电源分别向第一电压检测模块、第二电压检测模块、第一继电器、双向DCDC转换器、单片机和第二继电器供电。

进一步，所述的第一电阻为水泥电阻。

进一步，所述的转换器还包括电流检测模块，电流检测模块并接在Buck-Boost变换器的输出端上，电流检测模块的信号端与单片机的信号采集引脚连接。

进一步，所述的单片机的输出端上还连接有显示屏。

本实用新型有益效果是：

1、本装置不需要外部供电，根据光照不同实现不间断式供电，可实现模式一下的光伏电池单独对负载供电，或模式二下的光伏电池和蓄电池组共同对负载供电，实现UPS功能，不论是模式一的供电方式或模式二的供电方式，通过双向DCDC转换器调整，使Buck-Boost变换器的输入电压为光伏电池输出电压的一半，实现MPPT控制，保证光伏电池的最大化输出。

2、本装置增设电流检测模块，还可根据负载的大小变化进行模式间的转换，负载增大并光照不足时跳转模式二，防止因负载的突然增大光伏电池供电不足，又可以在负载较小时跳转模式一节省能源。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型的结构简图；

图3为本实用新型的双向DCDC转换器的电路图；

图4为本实用新型的Buck-Boost变换器的电路图；

图中：1、光伏电池，2、第一电阻，3、转换模块，4、负载，5、蓄电池组，301、第一电压检测模块，302、第二电压检测模块，303、Buck-Boost变换器，304、第一继电器，305、双向DCDC转换器，306、单片机，307、辅助电源，308、显示屏，309、电流检测模块，310、第二继电器。

具体实施方式

下面结合附图给出实用新型的较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。这里，将给出相应附图对本实用新型进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制或限定本实用新型。

如图1、图2所示，一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置,包括光伏电池1、第一电阻2、转换模块3和蓄电池组5，光伏电池1的输出电压大于25V，光伏电池1的输出端串接第一电阻2后与转换模块3的输入端连接，转换模块3一端与负载4连接，向负载4供电，另一端与蓄电池组5连接，可向蓄电池组蓄电，或者蓄电池通过转换模块协同光伏电池1共同向负载供电。

转换模块3具有三端口，第一个端口用于光伏电池1输入，第二个端口用于与蓄电池组5连接，第三个端口用于与负载4连接，转换模块3包括第一电压检测模块301、第二电压检测模块302、Buck-Boost变换器303、第一继电器304、双向DCDC转换器305、单片机306和辅助电源307；以单片机为微处理器，采集光伏电池输出端电压Us和Buck-Boost变换器的输入端电压Ui，根据光伏电池输出端电压Us的变化来控制对应第一继电器线路的通断，实现随着输入直流电压变化使电路在模式一（光伏电池向负载供电的同时为电池组充电）与模式二（光伏电池和电池组同时为负载供电）之间的自动切换以及转换模块3的最大功率点跟踪。

Buck-Boost变换器303的输入端与串接后的光伏电池1和第一电阻2并接，Buck-Boost变换器303的输出端与负载4连接；如图4所示，Buck-Boost变换器采用LM5118芯片即外围电路使无论输入电压在变化过程中不论是高于或低于所需电压时（假设30v），都可以为负载提供所需（30v）电压。

第一电压检测模块301并接在第一电阻之前的光伏电池1输出端上，检测光伏电池1输出端电压Us，其信号端B1与单片机306的信号采集引脚（ADC功能引脚）连接，第二电压检测模块302并接在第一电阻后的Buck-Boost变换器303的输入端上，检测Buck-Boost变换器的输入端电压Ui，其信号端B2与单片机306的信号采集引脚（ADC功能引脚）连接，因此，单片机306利用第一电压检测模块301和第二电压检测模块302实时采集电压Us和Ui。

如图1、图3所示，第一继电器304的信号端B3与单片机306的控制引脚（控制电平高低引脚）连接，第一继电器304的1脚（NC）接在Buck-Boost变换器303的输入端正极上，其3脚接在Buck-Boost变换器303的输出端正极上，其2脚接在双向DCDC转换器305的一向正极，该向负极接在Buck-Boost变换器303的输出端负极上，双向DCDC转换器305的另一向连接蓄电池组5，双向DCDC转换器305的PWM信号端与单片机306的控制引脚连接。具体的双向DCDC转换器305如图3所示，双向DCDC是采用的是IR2104芯片，利用自身电路内的电容电感充放电实现能量的双向流动，通过调节PWM占空比来调节升压或者降压后的电压值，对应达到Boost电路工作方式或Buck电路工作方式。

第二继电器310的信号端（B5）与单片机306的控制引脚连接，3脚（BO引脚）与Buck-Boost变换器303的输入端正极相连，1脚（BC引脚）与蓄电池5的正极相连，2脚（com引脚）与辅助电源307的正极相连，处于常连状态，辅助电源307的负极与Buck-Boost变换器303的输入端负极相连，辅助电源307分别向第一电压检测模块301、第二电压检测模块302、第一继电器304、双向DCDC转换器305、单片机306和第二继电器310供电。辅助电源307、向第一继电器304提供3.3V电压，向双向DCDC转换器305提供12V电压，向第一电压检测模块301、第二电压检测模块302、单片机306提供5V电压。第一电压检测模块301检测的Us电压值大于24V时，单片机306向第二继电器310的信号端发出信号，控制第二继电器310的BO端与2脚导通，辅助电源307并接在光伏电池上，当Us电压值小于等于24V时，控制第二继电器310的BC端与2脚导通，辅助电源307通过蓄电池组供电，自始至终整个装置都不需要外设电源供电。

第一电阻2为水泥电阻，水泥电阻耐震、耐湿、耐热及良好散热，低价格，稳定性强。

如图1所示，转换器还包括电流检测模块309，电流检测模块309并接在Buck-Boost变换器303的输出端上，电流检测模块309的信号端与单片机306的信号采集引脚（ADC功能引脚）连接，并由辅助电源307提供5V供电。在模式二时电流检测模块309通过判断负载变少，即检测到Buck-Boost变换器的输出端电流缩小至最大电流的二分之一后，单片机306控制第一继电器的信号端B3变为高电平，切换电路，再自动从模式二切换到模式一。因此，模式间转换的判定条件增加，若光伏电池1输出电压还是低于36V，但Buck-Boost变换器的输出端电流低于最大电流的二分之一，即负载较少，仍处于模式一，若检测到Buck-Boost变换器的输出端电流增大至大于最大电流的二分之一，并且光伏电池1输出电压还是低于36V，从模式一切换到模式二。

如图1所示，单片机306的输出端上还连接有显示屏308，显示屏308显示检测到的电流值与电压值，以及模式状态，单片机可采用STM32单片机。

蓄电池组5自带保护板，其输出电压大于辅助电源最大供电电压，可防止过充或欠压等对电池的损伤。

电压检测模块的原理就是通过分压将一个大电阻和一个小的电阻串联，小的电阻上的电压也就是B1与B2信号端就可以被单片机的ADC功能引脚检测出来（单片机可以接受的电压是0到5V），转化成数字量。电流检测模块采用依据霍尔效应原理的芯片ACS712，通过B4信号端可以被单片机的ADC功能引脚检测出来。

设计的本装置在模式切换与负载发生变换时，通过外部设备进行检测，始终使Buck-Boost变换器的输出端电压Uo调整率小于0.1%。即使光伏电池输出电压Us发生变化，或者负载发生变化时，|（变化的电压值-原来的电压值）/原来的电压值|*100%≤0.1%，可以稳定的为负载充电。

模式一：光伏电池向负载供电的同时为蓄电池组充电

光伏电池1的电压会随着光强变化，光照较强时光伏电池1输出电压的变化范围是36V到55V，模式一时第一继电器304的3脚与2脚导通，2脚与双向DCDC转换器305的一向正极常接，此时电流经过Buck-Boost变换器303稳定输出Uo为30V，因第一继电器304的3脚导通，Buck-Boost变换器303一边输出经过双向DCDC转换器305，此时双向DCDC转换器305降压处于Buck模式，给蓄电池组5充电，光伏电池输出端电压Us通过第一电压检测模块301输入单片机，同时，Buck-Boost变换器的输入端电压Ui通过第二电压检测模块302输入单片机，单片机306传输给双向DCDC转换器305的PWM信号占空比，因为能量守恒，输入的只有Us，即对任一状态来说，Us是不变的，通过双向DCDC转换器305控制用电电路的电流大小，即消耗的能量多少，使第一电阻2上所消耗的电压是Us的一半即可，始终使Us等于两倍的Ui。双向DCDC转换器305的输出的电压如果较高，需要在单片机中设计一个阈值，如果Ui没有达到Us的一半，pwm占空比需要增加。如果超过，则减小占空比这样，实现MPPT控制。Buck-Boost变换器303另一边输出30V为负载供电。当光伏电池1输出电压小于36V切换回至模式二。

若最大可连接两个负载，每个负载的供电电流均为0.6A,模式一状态下还存一个判断条件，接有两个负载时，并且光伏电池输出端两端的电压Us低于36V，切换回模式二。

模式二：光伏电池和电池组同时为负载供电

光照较弱时，通过第一电压检测模块301检测光伏电池输出端两端的电压Us降低至36V时，通过单片机306控制，第一继电器304低电平触发，切换电路至模式二，第一继电器304的1脚与2脚导通，2脚与3脚断开，双向DCDC转换器305的一向正极经第一继电器的2脚、1脚连接至Buck-Boost变换器303的输入端正极上，双向DCDC转换器305的输出端与Buck-Boost变换器303的输入端并联。此时，蓄电池组5通过双向DCDC进行升压，电流反向流动，双向DCDC转换器305从Buck模式变成Boost模式，把蓄电池组升压，并与Buck-Boost变换器303的输入端连在一起，光伏电池输出端电压Us通过第一电压检测模块301输入单片机，同时，Buck-Boost变换器的输入端电压Ui通过第二电压检测模块302输入单片机，单片机306根据检测电压传输给双向DCDC转换器305 PWM信号的占空比，始终使Us等于两倍的Ui。双向DCDC转换器305的输出端经过Buck-Boost变换器后，依旧是30V给负载进行供电，当光伏电池1输出电压大于36V切换回模式一。当光伏电池1输出电压低于24V时，保持模式二的状态。

若最大可连接两个负载，每个负载的供电电流均为0.6A,模式二状态下还存在一种需切换至模式一的情况为，在模式二下，负载只有一个，即使光伏电池输出端两端的电压Us低于36V大于24V，也切换回模式一。

本申请未详述部分均为现有技术，不再赘述。

以上仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制或限定本实用新型。对于本领域的研究或技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型所声明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置,包括光伏电池（1）、第一电阻（2）、转换模块（3）和蓄电池组（5），光伏电池（1）的输出端串接第一电阻（2）后与转换模块（3）的输入端连接，转换模块（3）一端与负载（4）连接，向负载（4）供电，另一端与蓄电池组（5）连接，其特征在于：

转换模块（3）包括第一电压检测模块（301）、第二电压检测模块（302）、Buck-Boost变换器（303）、第一继电器（304）、双向DCDC转换器（305）、单片机（306）、辅助电源（307）和第二继电器（310）；

Buck-Boost变换器（303）的输入端与串接后的光伏电池（1）和第一电阻（2）连接，Buck-Boost变换器（303）的输出端与负载（4）连接；

第一电压检测模块（301）并接在第一电阻之前的光伏电池（1）输出端上，其信号端与单片机（306）的信号采集引脚连接，第二电压检测模块（302）并接在第一电阻后的Buck-Boost变换器（303）的输入端上，其信号端与单片机（306）的信号采集引脚连接；

第一继电器（304）的信号端与单片机（306）的控制引脚连接，第一继电器（304）的1脚接在Buck-Boost变换器（303）的输入端正极上，其3脚接在Buck-Boost变换器（303）的输出端正极上，其2脚接在双向DCDC转换器（305）的一向正极，该向负极接在Buck-Boost变换器（303）的输出端负极上，双向DCDC转换器（305）的另一向连接蓄电池组（5），双向DCDC转换器（305）的PWM信号端与单片机（306）的控制引脚连接；

第二继电器（310）的信号端与单片机（306）的控制引脚连接，3脚与Buck-Boost变换器（303）的输入端正极相连，1脚与蓄电池组（5）的正极相连， 2脚与辅助电源（307）的正极相连，辅助电源（307）的负极与Buck-Boost变换器（303）的输入端负极相连，辅助电源（307）分别向第一电压检测模块（301）、第二电压检测模块（302）、第一继电器（304）、双向DCDC转换器（305）、单片机（306）和第二继电器（310）供电。

2.如权利要求1所述的一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置,其特征在于：所述的第一电阻（2）为水泥电阻。

3.如权利要求1所述的一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置,其特征在于：所述的转换器还包括电流检测模块（309），电流检测模块（309）并接在Buck-Boost变换器（303）的输出端上，电流检测模块（309）的信号端与单片机（306）的信号采集引脚连接。

4.如权利要求1所述的一种具有MPPT与UPS功能的太阳能供电装置,其特征在于：所述的单片机（306）的输出端上还连接有显示屏（308）。

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