CN2706939Y - 智能型太阳能充电控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳能充电控制器，是一种太阳电池向蓄电池充电的方法及全自动多功能蓄电池保护电路，主要应用在无电地区。它由充电控制、单片机系统、蓄电池及检测控制、负载控制及保护几个部分构成。它根据铅酸蓄电池的充放电特性；利用太阳电池内阻大的特点，采用独特的太阳电池输出和蓄电池直接相连的方法，由单片机根据检测的蓄电池实际电压值和预设值比较后；改变PWM脉冲的占空比控制并接在太阳电池输出端的大功率MOS管的导通和截止的时间比例来控制充电电流，充分利用了电能，最大限度的提高了充电效率。控制器具有欠压报警和自动切断负载的功能，延长了蓄电池的使用寿命。同时控制器还可监测控制蓄电池的温度以进行精确的电压控制。

Description

智能型太阳能充电控制器

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能充电控制器，是一种太阳电池向蓄电池充电的方法及全自动多功能蓄电池保护电路，主要应用在太阳能光伏发电系统及和太阳电池配套使用的户用电源系统及无电地区、边防、海岛、渔船、野外作业、通讯等方面。

背景技术

太阳能作为一种新的能源，具有无限性、可与常规电力构架匹配以及无地域应用限制等特点，成为各国政府开发无污染、可持续发展新型能源的首选。太阳能电池可以高效率及直接将太阳能转换为电能，不对环境产生任何污染。在光伏发电系统中，铅酸蓄电池和充电控制器均是太阳能独立光伏系统中重要的部件之一。蓄电池可以储存太阳电池发出的不稳定、不连续的电能，保证光伏系统有较稳定的输出。而充电控制器的优劣不但决定蓄电池的使用寿命，而且还直接影响光伏系统的电力输出。另外，独立光伏系统中蓄电池的投资成本较高，一般为整个系统成本的15～20％左右，同时由于铅酸蓄电池本身的特点及使用不同性能的充电控制器(尤其是使用简单控制电压的充电控制器)使其在光伏系统工作中故障率较高，使用寿命较短。因为一般的充电控制器当蓄电池电压上升到过充点电压时(此时蓄电池并未真正完全充满)，控制器自动断开充电回路。然而由于蓄电池内阻的作用，断开充电回路后蓄电池电压会立即下降。而当充电回路接通及控制器断开用电负载后，同样由于蓄电池内阻的作用，蓄电池电压会立即上升。如此反复控制器极易产生振荡，不但使控制器工作不正常，而且还容易损坏蓄电池。同时蓄电池充电时，大电流会造成能量损失，而且在充电后期会产生大量气体，使蓄电池寿命缩短，但是以小电流充电就需要很长时间，无法做到快速充电。并且充电电流不同，对蓄电池容量的恢复也不同。

发明内容

本实用新型控制器根据铅酸蓄电池本身的特点和充放电特性；克服了普通充电控制器的不足，采用PWM脉冲电流充电法对蓄电池充电。

本实用新型的技术方案：这种智能型太阳能充电控制器，包括充电控制2、单片机系统3、蓄电池及检测控制4、负载控制及保护5等几个部分；充电控制由MOS大功率管组成，其中源极、漏极并联在太阳电池的输出端，栅极与单片机系统连接，检测控制一端与蓄电池连接，另一端连接单片机系统；负载控制及保护连接单片机系统同时将电能输送到负载6；由单片机系统中产生的PWM脉冲控制并接在太阳电池输出端的大功率MOS管控制、调整充电电流，同时由单片机输出的数字信号控制串接在输出回路的大功率MOS管控制负载的通断，即将太阳电池和蓄电池直接连接，使用MOS管代替继电器控制负载通断。

这种智能型太阳能充电控制器是太阳电池输出和蓄电池直接相连，最大限度的提高光伏发电系统的效率。同时采用多种保护电路，延长了蓄电池的使用寿命，减少维护成本；使其在光伏发电系统中发挥更大的作用。另外控制器还可监测控制蓄电池的温度以进行精确控制。

本控制器是利用太阳电池内阻大的特点(因材料和制造工艺决定太阳电池内阻很大，短路电流仅比最大工作电流大1/3左右)在太阳电池输出端并接一支大功率场效应MOS开关管(型号应视太阳电池功率和最大充电电流而定)后直接和蓄电池连接。克服了一般充电控制器必须在充电回路串接开关管和限流电阻的不足，最大限度的提高了充电效率。充电电流的调节是通过调整太阳电池输出端并接的开关管内阻来控制。AVR单片机将蓄电池的实际电压值(一般的控制器是检测正在充电的电压值，本控制器的检测原理是在PWM脉冲的低电平时单片机完成检测蓄电池电压的任务，而PWM脉冲的高电平时对蓄电池充电。)通过和预设值比较和计算后调整PWM脉冲的占空比控制开关管的导通程度来调整充电电流。当蓄电池实际电压达到预设的过放电压后，PWM脉冲的占空比变为最小，即开关管导通时间长，截止时间短，脉冲充电电流达到最小。若此时负载未工作，则控制系统始终维持蓄电池在小电流脉冲充电状态。负载工作后随着蓄电池电压的降低，PWM脉冲的占空比不断变大，充电电流也逐渐变大。当占空比达到90％以上时，充电电流达到最大。由于充电回路中不存在控制充电元件及限流电阻，所以提高了充电效率。脉冲占空比的大小决定了充电速度，如果采用正向的PWM控制，则占空比越大，充电电流越大。本控制系统PWM脉冲的频率为10HZ。

由于光伏系统中输入能量的不稳定，充放电控制器除了应对蓄电池的充、放电条件加以控制外，还包括负载控制和系统保护电路控制。

负载控制：

在本控制器的输出回路串接一支大功率MOS开关管，当蓄电池实际电压低于过放设定值时，开关管断开负载，高于蓄电池工作预设值时自动接通负载，避免了蓄电池过放电，延长了蓄电池的使用寿命。开关管通断的调整及各种保护电路的控制是单片机通过将检测信号和预设值比较，通过计算后输出的数字信号来控制的。

本实用新型的有益效果是：

1、采用了直充式设计，即太阳电池和蓄电池直接连接，使控制系统发挥出最大的充电效率。

2、通过调整PWM脉冲的占空比改变MOS管的导通和截止时间实现充电电流的调整，使充电电流稳定，省去了稳压和电流调整模块。

3、使用MOS管而不是继电器控制负载通断，驱动电路简单，在通态下MOS管源漏极电压只有0.3v左右，功耗极低。MOS管的截止电阻在兆欧级，从而可实现可靠关断。

4、采用了内置A/D转换的单片机控制，软件实现了电压比较，报警控制，省去了基准电压和电压比较电路，电压控制精确，硬件电路简单，节省成本。

附图说明

图1：本控制器总体结构示意图

图2：本控制器结构原理框图

图3：本控制器电路图

图中：1.太阳电池  2.充电控制  3.单片机系统  4.蓄电池及检测控制5.负载控制及保护  6.负载  21、PWM放大及驱动  22、充电单元  23、充电保护  24、充电状态指示  25 防反充  31、稳压电源  32 单片机  41、蓄电池  42、温度检测  43、声光报警  51、保护电路  52、驱动电路  53、负载控制

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，这种智能型太阳能充电控制器，它包括充电控制2、单片机系统3、蓄电池及检测控制4、负载控制及保护5；充电控制由MOS大功率管组成，其中源极、漏极并联在太阳电池的输出端，栅极与单片机系统连接，检测控制一端与蓄电池连接，另一端连接单片机系统；负载控制及保护连接单片机系统同时将电能输送到负载6；其特征在于：

由单片机系统中产生的PWM脉冲控制并接在太阳电池输出端的大功率MOS管控制、调整充电电流，同时由单片机输出的数字信号控制串接在输出回路的大功率MOS管控制负载的通断，即将太阳电池和蓄电池直接连接，使用MOS管代替继电器控制负载通断。

充电控制包括充电单元22、PWM放大及驱动21、充电保护23、充电状态指示24、防反充25，其中PWM放大及驱动分4路分别连接充电单元、充电状态指示、充电保护和单片机系统3，防反充分别连接到太阳电池1、充电单元、蓄电池及检测保护4，充电单元同时并联在太阳电池1两端。

单片机系统包括稳压电源31、单片机32；稳压电源直接和单片机连接，为单片机提供电源，由单片机产生的PWM脉冲连接到充电控制；单片机同时和蓄电池及检测控制、负载控制及保护连接。

蓄电池及检测控制包括蓄电池41、温度检测42、声光报警43；蓄电池和充电控制连接，同时和温度检测及负载控制及保护连接；温度检测和声光报警同时连接到单片机系统。

负载控制及保护包括保护电路51、驱动电路52、负载控制53；保护电路由二极管和继电器组成，串连在蓄电池41和负载6之间；当蓄电池反接时保护控制器；驱动电路52由三极管组成，输入端连接到单片机，输出连接到由大功率MOS管组成的负载控制53控制负载的通断，负载控制53的输出端连接负载6。

图2是控制器原理框图，在充电控制2中：由单片机输出正向的初始为低电平、最大幅度为5V的PWM波，经过PWM放大及驱动21后，PWM脉冲占空比的改变使Q2(见图3)开关时间比例发生变化。由于由于充电控制22中Q2的源、漏极直接接在太阳电池的两端，当蓄电池实际电压充到单片机的预设过充值14V时，单片机控制频率为10HZ的PWM脉冲的占空比变小，使Q2内阻变小，导通程度变大，充电电流减小，使蓄电池处于维持充电状态。因此，PWM脉冲的占空比在单片机的控制下，根据蓄电池的实际电位在不断调整，始终保持在最佳的充电状态。若Q2用位控信号驱动，高电平时完全导通，太阳电池被短路，将会没有充电电流。低电平时完全截止，充电电流最大。但本控制器实际工作中由于Q2受PWM脉冲占空比控制始终处于导通、截止的不断转换中以及Q2本身存在内阻，所以太阳电池不会被短路，但充电电流将变小，即处于维持充电状态。在Q2截止时，太阳电池直接通过防反充25接在蓄电池的正极，以最大的充电电流对蓄电池充电。随着Q2的导通情况，充电指示灯闪烁指示充电正在进行。防反充25中MBR二极管(见图3)的作用是将蓄电池和太阳电池隔离，防止在Q2导通时蓄电池短路以及防止反充电的作用。

负载工作后当蓄电池电压下降达到单片机预设过放点10.5V时，单片机将检测到的蓄电池41电压信号和预设电压比较后，经计算后输出的控制信号首先控制报警电路43发出报警信号，延时1分钟后停止同时控制驱动电路52中MOS管Q3截止(见图3)，从而使负载断电。以防止蓄电池发生过放电，延长蓄电池的使用寿命。负载断电后太阳电池继续向蓄电池充电，当蓄电池电压上升到蓄电池工作电压12.5V时单片机控制MOS管Q3导通，负载接通，系统处于浮充状态。二极管D2和D3(见图3)在蓄电池反接时，使蓄电池瞬间短路，熔断保险丝，起到反接保护的作用。单片机是由太阳电池或蓄电池通过7805稳压块31供电，只要有蓄电池或者太阳电池控制器即可工作。保护电路51中的继电器(见图3)起到了反接保护的作用，在蓄电池反接时，常闭开关断开，电路不工作，保护蓄电池。温度检测42中温度传感器RT将温度信号转换为电压信号输入到单片机，单片机根据该信号判断蓄电池表面温度是否超出设定范围，决定继续充电与否。在开始充电之前，单片机根据检测到的电压信号，自动计算出蓄电池电压值。

实施例

实际实验时，用了3块64W的非晶硅柔性衬底太阳电池并联作充电电源，分别给12V7AH、12AH和34AH的铅酸蓄电池充电。最大充电电流可达到10A。在蓄电池的电压达到14V时，进入小电流(200mA)维护充电模式，降到10.5V时蜂鸣器报警，延时大约1分钟后报警结束，自动切断负载。蓄电池电压在12.5V以上时负载开始工作。

Claims (5)

1.一种智能型太阳能充电控制器，它包括充电控制(2)、单片机系统(3)、蓄电池及检测控制(4)、负载控制及保护(5)；充电控制由MOS大功率管组成，其中源极、漏极并联在太阳电池的输出端，栅极与单片机系统连接，检测控制一端与蓄电池连接，另一端连接单片机系统；负载控制及保护连接单片机系统同时将电能输送到负载(6)；其特征在于：由单片机系统中产生的PWM脉冲控制并接在太阳电池输出端的大功率MOS管控制、调整充电电流，同时由单片机输出的数字信号控制串接在输出回路的大功率MOS管控制负载的通断，即将太阳电池和蓄电池直接连接，使用MOS管代替继电器控制负载通断。

2.根据权利要求1所述的智能型太阳能充电控制器，其特征在于：充电控制包括充电单元(22)、PWM放大及驱动(21)、充电保护(23)、充电状态指示(24)、防反充(25)，其中PWM放大及驱动分4路分别连接充电单元、充电状态指示、充电保护和单片机系统3，防反充分别连接到太阳电池1、充电单元、蓄电池及检测保护4，充电单元同时并联在太阳电池1两端。

3.根据权利要求1所述的智能型太阳能充电控制器，其特征在于：单片机系统包括稳压电源(31)、单片机(32)；稳压电源直接和单片机连接，为单片机提供电源，由单片机产生的PWM脉冲连接到充电控制；单片机同时和蓄电池及检测控制、负载控制及保护连接。

4.根据权利要求1所述的智能型太阳能充电控制器，其特征在于：蓄电池及检测控制包括蓄电池(41)、温度检测(42)、声光报警(43)；蓄电池和充电控制连接，同时和温度检测及负载控制及保护连接；温度检测和声光报警同时连接到单片机系统。

5.根据权利要求1所述的智能型太阳能充电控制器，其特征在于：负载控制及保护包括保护电路(51)、驱动电路(52)、负载控制(53)；保护电路由二极管和继电器组成，串连在蓄电池(41)和负载6之间；当蓄电池反接时保护控制器；驱动电路(52)由三极管组成，输入端连接到单片机，输出连接到由大功率MOS管组成的负载控制(53)控制负载的通断，负载控制(53)的输出端连接负载6。

Images