可視化小型光伏智能供電裝置及充電方法
【專利摘要】可視化小型光伏智能供電裝置及充電方法。傳統(tǒng)的光伏供電裝置存在能量密度不高，太陽光的強弱影響較大，整體利用率較低等問題。本發(fā)明的組成包括:太陽能電池板（1），太陽能電池板分別與ＡＤ采樣電路（2）、DC/DC轉(zhuǎn)換電路（3）連接，DC/DC轉(zhuǎn)換電路與太陽能電池板控制開關(guān)（4）連接，太陽能電池板控制開關(guān)與蓄電池組連接，蓄電池組分別與ＡＤ采樣電路、穩(wěn)壓電路（5）、AC/DC的切換開關(guān)（6）連接，控制器（7）分別與DC/DC轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示屏（8）、ＡＤ采樣電路、蓄電池組、穩(wěn)壓電路連接，AC/DC的切換開關(guān)與逆變電路（9）、直流負(fù)載（10），逆變電路與交流負(fù)載（11）。本發(fā)明用于供電裝置。
【專利說明】可視化小型光伏智能供電裝置及充電方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明涉及一種可視化小型光伏智能供電裝置及充電方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
對傳統(tǒng)的光伏供電系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在對蓄電池充電時，設(shè)定的蓄電池充電電壓為7.2V,實驗發(fā)現(xiàn)此充電過程存在一些問題，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到7.2V時，結(jié)束充電過程，但蓄電池的充滿恢復(fù)連接電壓并不是7.2V，過一段時間后，蓄電池的端電壓將會降低，蓄電池將會進(jìn)入充電階段，這樣會導(dǎo)致在一天內(nèi)蓄電池反復(fù)地充電，大大地縮短蓄電池的使用壽命。
[0003]傳統(tǒng)的光伏供電裝置存在以下幾個問題:
1、能量密度不高，太陽光的強弱影響較大，整體利用率較低；2、對負(fù)載的供電可靠性不強；3、蓄電池的運行管理不合理，進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池的壽命較短；4、在不需要外接電源的條件下，鮮有光伏系統(tǒng)提供交流供電功能；5、由于缺少可視化器件，致使用戶不便于隨時掌握系統(tǒng)運行信息；6、主控電路過于復(fù)雜，不利于后期維護(hù)。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是提供一種可視化小型光伏智能供電裝置及充電方法。
[0005]上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):
一種可視化小型光伏智能供電裝置，其組成包括:太陽能電池板，所述的太陽能電池板分別與A D采樣電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路連接，所述的DC/DC轉(zhuǎn)換電路與太陽能電池板控制開關(guān)連接，所述的太陽能電池板控制開關(guān)與蓄電池組連接，所述的蓄電池組分別與所述的A D采樣電路、穩(wěn)壓電路、AC/DC的切換開關(guān)連接，控制器分別與所述的DC/DC轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示屏、所述的A D采樣電路、所述的蓄電池組、所述的穩(wěn)壓電路連接，所述的AC/DC的切換開關(guān)與逆變電路、直流負(fù)載，所述的逆變電路與交流負(fù)載。
[0006]所述的可視化小型光伏智能供電裝置，所述的蓄電池組包括主蓄電池、備蓄電池，所述的主蓄電池分別與所述的A D采樣電路、所述的AC/DC的切換開關(guān)連接，所述的備蓄電池分別與所述的穩(wěn)壓電路、所述的A D采樣電路、所述的AC/DC的切換開關(guān)連接，所述的太陽能電池板控制開關(guān)分別與所述的主蓄電池、所述的備蓄電池連接。
[0007]所述的可視化小型光伏智能供電裝置，所述的逆變電路以輸出SPWM信號的EG8010為核心控制芯片，所述的逆變電路以IR2110作為驅(qū)動芯片，所述的控制器電路包括STC89C52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器芯片PCF8591、繼電器驅(qū)動芯片ULN2003A，所述的液晶顯示屏采用 LCD1602。
[0008]一種可視化小型光伏智能供電裝置的充電方法，本裝置設(shè)定蓄電池的充電電壓為
6.6V，根據(jù)太陽光照強度自動切換電路給蓄電池充電，不斷地通過A/D采集蓄電池的電壓，根據(jù)電壓的變化選擇不同的充電方式，進(jìn)而實現(xiàn)對蓄電池的合理控制:首先判斷備用蓄電池的電壓，以保障備用蓄電池有充足的電量，一旦備用蓄電池?zé)o電，系統(tǒng)將會失去作用；其次判斷主蓄電池的電壓，根據(jù)主蓄電池的電壓選擇負(fù)載的供電方式，以上過程采用循環(huán)方式不間斷運行；控制主程序主要完成對I/o、定時器的初始化，同時根據(jù)太陽能電池板和蓄電池電壓調(diào)用相應(yīng)的充電子程序；當(dāng)備蓄電池電壓低于6.5V時，備蓄電池進(jìn)入浮充充電階段，當(dāng)備蓄電池電壓高于7.2V時，備蓄電池停止充電；當(dāng)主蓄電池電壓低于6.6V高于6.0V時，主蓄電池進(jìn)入浮充充電階段，當(dāng)主蓄電池電壓高于7.2V時，主蓄電池停止充電；當(dāng)主蓄電池電壓低于6.0V時，主蓄電池停止對負(fù)載供電轉(zhuǎn)換為備蓄電池供電，主蓄電池進(jìn)入快充充電階段。
[0009]所述的可視化小型光伏智能供電裝置的充電方法，蓄電池有兩個充電階段分別是快速充電階段和浮充充電階段，快速充電是采用的太陽能電池板直接加到蓄電池兩端充電，浮充充電是采用的恒壓充電方式；當(dāng)陰天時，太陽能電池板的工作效率不高時，通過控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換模塊選擇升壓電路，使太陽能電池板繼續(xù)給蓄電池充電；晴天時，A/D采集蓄電池組的電壓給控制器，通過控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換模塊選擇相應(yīng)的充電電路，控制繼電器SI來選擇相應(yīng)的充電蓄電池和控制繼電器S2來選擇相應(yīng)的供電蓄電池。
[0010]有益效果:
1.本發(fā)明的優(yōu)點有以下三個方面:一是克服了以往光伏發(fā)電系統(tǒng)能量利用率低和抗擾動能力差等缺點，實現(xiàn)光伏穩(wěn)壓供電，并且在太陽能電池板光照較弱的條件下亦可實現(xiàn)供電；二是可以實現(xiàn)負(fù)載不間斷供電，兼有直流和交流供電兩種模式；三是延長了蓄電池使用壽命短。本發(fā)明采用的太陽能電池板是通過太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能，沒有燃料、水和其它物質(zhì)的消耗，以及沒有二氧化碳等氣體的釋放，對環(huán)境無污染，是可再生能源，對生態(tài)環(huán)境的改善和溫室氣體的減輕具有重要意義?？梢詫崿F(xiàn)直流、交流負(fù)載不間斷供電，用于路燈等小功率負(fù)載供電場所。而且可以采用類似的方法構(gòu)成一個大容量的供電裝置。
[0011]2.本發(fā)明為了提高太陽能電池板的利用率、延長蓄電池的使用壽命和提高對負(fù)載供電的可靠性，本發(fā)明采用DC/DC轉(zhuǎn)換模塊和控制器的配合來提高太陽能電池板的利用率，通過配置的兩塊蓄電池分組來延長蓄電池的使用壽命和提高對負(fù)載供電的可靠性。具體體現(xiàn)如下:1、主控電路設(shè)計巧妙，減少裝置的元器件數(shù)量，不僅降低了光伏供電裝置的投資費用，而且便于后期維護(hù)；2、具有可視化功能，用戶可以實時掌握系統(tǒng)運行信息；3、克服了以往光伏供電系統(tǒng)能量利用率低和抗擾動能力差等缺點；4、可以實現(xiàn)負(fù)載不間斷供電，提高負(fù)載供電的可靠性；5、通過51單片機實時監(jiān)測，合理地管理蓄電池運行狀態(tài)，有效地延長了蓄電池使用壽命；6、可以實現(xiàn)直流負(fù)載供電和交流正弦波負(fù)載供電功能，擴大了供電裝置應(yīng)用范圍。
[0012]3.本發(fā)明的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊主要功能是可以實現(xiàn)蓄電池組的快充和浮充兩個階段，并且可以使太陽能電池板在低壓下實現(xiàn)充電，從而提高了太陽能的利用率和解決了太陽能電池板抗擾動能力差的缺點。采用直通電路、升壓電路和降壓電路三種電路，以便根據(jù)不同的充電方式調(diào)整輸入電源的電壓，滿足蓄電池充電要求。
[0013]4.本發(fā)明的蓄電池組配置了兩塊蓄電池，具有以下兩個優(yōu)點:一是可以較好地提高太陽能電池板的利用率，即，當(dāng)一塊蓄電池充滿電，另一塊蓄電池補上繼續(xù)充電，從而使得太陽能電池板在白天一直處于充電階段；二是提高負(fù)載供電的可靠性，即，當(dāng)一塊蓄電池供電電壓低于最低放電電壓時，此蓄電池將會停止對負(fù)載供電，然后切換至另一塊蓄電池對負(fù)載供電，進(jìn)而實現(xiàn)負(fù)載不間斷供電。兩塊蓄電池有主次之分，主蓄電池主要是對負(fù)載供電，備蓄電池主要是給控制器供電，但當(dāng)主蓄電池停止發(fā)電時，備蓄電池將對負(fù)載供電。
[0014]【專利附圖】

【附圖說明】: 附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]附圖2是本發(fā)明的軟件編程流程圖。
[0016]附圖3是本發(fā)明的電路原理圖。
[0017]附圖4是附圖3的第二部分的太陽能電池板及其供電切換選擇開關(guān)電路原理圖。
[0018]附圖5是附圖3的第五部分的穩(wěn)壓電路的電路原理圖。
[0019]附圖6是附圖3的第三部分的升降電路的電路原理圖。
[0020]附圖7是附圖3的+5V輔助電源的電路原理圖。
[0021]附圖8是附圖3的+15V輔助電源的電路原理圖。
[0022]附圖9是附圖3的逆變電路的電路原理圖。
[0023]附圖10是附圖3的第一部分的控制器電路原理圖。
[0024]附圖11是附圖3的第四部分的主備蓄電池供電線路及負(fù)載輸出的的電路原理圖。
[0025]【具體實施方式】:
實施例1:
一種可視化小型光伏智能供電裝置，其組成包括:太陽能電池板1，所述的太陽能電池板分別與A D采樣電路2、DC/DC轉(zhuǎn)換電路3連接，所述的DC/DC轉(zhuǎn)換電路與太陽能電池板控制開關(guān)4連接，所述的太陽能電池板控制開關(guān)與蓄電池組連接，所述的蓄電池組分別與所述的A D采樣電路、穩(wěn)壓電路5、AC/DC的切換開關(guān)6連接，控制器7分別與所述的DC/DC轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示屏8、所述的A D采樣電路、所述的蓄電池組、所述的穩(wěn)壓電路連接，所述的AC/DC的切換開關(guān)與逆變電路9、直流負(fù)載10，所述的逆變電路與交流負(fù)載11。
[0026]實施例2:
根據(jù)實施例1所述的可視化小型光伏智能供電裝置，所述的蓄電池組包括主蓄電池12、備蓄電池13，所述的主蓄電池分別與所述的A D采樣電路、所述的AC/DC的切換開關(guān)連接，所述的備蓄電池分別與所述的穩(wěn)壓電路、所述的A D采樣電路、所述的AC/DC的切換開關(guān)連接，所述的太陽能電池板控制開關(guān)分別與所述的主蓄電池、所述的備蓄電池連接。
[0027]實施例3:
根據(jù)實施例1或2所述的可視化小型光伏智能供電裝置，所述的逆變電路以輸出SPWM信號的EG8010為核心控制芯片，所述的逆變電路以IR2110作為驅(qū)動芯片，所述的控制器電路包括STC89C52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器芯片PCF8591、繼電器驅(qū)動芯片ULN2003A，所述的液晶顯示屏采用IXD1602。
[0028]實施例4:
上述的可視化小型光伏智能供電裝置的充電方法，本裝置設(shè)定蓄電池的充電電壓為
6.6V，根據(jù)太陽光照強度自動切換電路給蓄電池充電，不斷地通過A/D采集蓄電池的電壓，根據(jù)電壓的變化選擇不同的充電方式，進(jìn)而實現(xiàn)對蓄電池的合理控制:首先判斷備用蓄電池的電壓，以保障備用蓄電池有充足的電量，一旦備用蓄電池?zé)o電，系統(tǒng)將會失去作用；其次判斷主蓄電池的電壓，根據(jù)主蓄電池的電壓選擇負(fù)載的供電方式，以上過程采用循環(huán)方式不間斷運行；控制主程序主要完成對I/O、定時器的初始化，同時根據(jù)太陽能電池板和蓄電池電壓調(diào)用相應(yīng)的充電子程序；當(dāng)備蓄電池電壓低于6.5V時，備蓄電池進(jìn)入浮充充電階段，當(dāng)備蓄電池電壓高于7.2V時，備蓄電池停止充電；當(dāng)主蓄電池電壓低于6.6V高于6.0V時，主蓄電池進(jìn)入浮充充電階段，當(dāng)主蓄電池電壓高于7.2V時，主蓄電池停止充電；當(dāng)主蓄電池電壓低于6.0V時，主蓄電池停止對負(fù)載供電轉(zhuǎn)換為備蓄電池供電，主蓄電池進(jìn)入快充充電階段。
[0029]實施例5:
根據(jù)實施例4所述的可視化小型光伏智能供電裝置的充電方法，蓄電池有兩個充電階段分別是快速充電階段和浮充充電階段，快速充電是采用的太陽能電池板直接加到蓄電池兩端充電，浮充充電是采用的恒壓充電方式；當(dāng)陰天時，太陽能電池板的工作效率不高時，通過控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換模塊選擇升壓電路，使太陽能電池板繼續(xù)給蓄電池充電；晴天時，A/D采集蓄電池組的電壓給控制器，通過控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換模塊選擇相應(yīng)的充電電路，控制繼電器SI來選擇相應(yīng)的充電蓄電池和控制繼電器S2來選擇相應(yīng)的供電蓄電池。
[0030]實施例6:
所述的可視化小型光伏智能供電裝置，逆變電路設(shè)計以輸出SPWM信號的EG8010為核心控制芯片，以IR2110作為驅(qū)動芯片，驅(qū)動電力M0SFET，將蓄電池輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，從而實現(xiàn)交流負(fù)載供電。
[0031]可以通過設(shè)計EG8010不同引腳的接法實現(xiàn)調(diào)制方式的選擇、電壓頻率的調(diào)節(jié)、死區(qū)時間的設(shè)置等功能；對IR2110驅(qū)動芯片的外圍電路設(shè)計時，需重點考慮自舉電容的選取，此裝置設(shè)計選定10uF，16V的電解電容作為自舉電容。
[0032]控制電路設(shè)計主要包括STC89C52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器芯片PCF8591和繼電器驅(qū)動芯片ULN2003A及其外圍電路。介于STC89C52沒有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此采用8位串行PCF8591芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器，分別從AIN0、AIN2和AIN3輸入采集3路信號，VREF基準(zhǔn)電壓使用5V，SCL和SDA引腳接單片機21、22引腳。選擇ULN2003A芯片驅(qū)動5V電壓型電磁繼電器，通過單片機端口輸出高低電平控制繼電器的吸合，進(jìn)而實現(xiàn)電路切換。智能控制器是整個裝置的核心，它與各個模塊構(gòu)成一個電壓檢測、繼電器智能控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時還含有人機交互界面，包括液晶的顯示、太陽能電池板控制開關(guān)、AC/DC的切換開關(guān)、太陽能電池板工作燈、AC工作燈和DC工作燈?？梢暬⌒凸夥悄芄╇娧b置啟動后可以通過太陽能電池板控制開關(guān)選擇控制太陽能電池板是否投入使用，AC/DC的切換開關(guān)可以對AC和DC負(fù)載供電方式進(jìn)行管理。液晶采用的是LCD1602進(jìn)行顯示，顯示太陽能電池板的電壓、主蓄電池的電壓、備蓄電池的電壓和主備蓄電池的充電階段。該控制系統(tǒng)的主控制器采用8位的單片機，實時對各個模塊的電壓進(jìn)行采樣檢測，反饋給主控制器，單片機通過接受檢測到的信號，經(jīng)過分析運算，控制驅(qū)動器驅(qū)動對應(yīng)的繼電器，進(jìn)而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。通過合理的軟件程序來對硬件電路進(jìn)行控制，從而使蓄電池的充電過程優(yōu)質(zhì)化，進(jìn)一步地延長蓄電池的使用壽命。
[0033]實施例7:
所述的可視化小型光伏智能供電裝置，DC/DC轉(zhuǎn)換模塊包含降壓電路、穩(wěn)壓電路、升壓電路。
[0034]輔助電源電路主要包括+5V的直流電源模塊和+15V的直流電源模塊。AC電路中控制芯片EG8010需要+5V的直流電源供電，驅(qū)動芯片IR2110需要的+15V的直流電源供電，可以采用L7805和L7815CV作為輔助電源設(shè)計的芯片。對于+5V和+15V的輔助電源設(shè)計時，應(yīng)將蓄電池輸出電壓通過升壓芯片LM2577-ADJ得到的+24V電壓作為L7805芯片和L7815CV芯片的輸入電壓，來得到+5V和+15V的輔助電源，其原理接線圖如圖7和圖8所/Jn ο
[0035]如圖9可知，逆變電路部分主要包括控制驅(qū)動電路和輔助電源兩部分?？刂乞?qū)動電路以可以輸出SPWM信號的EG8010為核心控制芯片，以IR2110作為驅(qū)動芯片，驅(qū)動電力M0SFET，實現(xiàn)單相全橋逆變?？梢酝ㄟ^設(shè)計EG8010不同引腳的接法實現(xiàn)調(diào)制方式的選擇、電壓頻率的調(diào)節(jié)、死區(qū)時間的設(shè)置等功能；對IR2110驅(qū)動芯片的外圍電路設(shè)計時，重點考慮了自舉電容的選取，以鉭電容最佳，亦可選取電解電容，此設(shè)計選取電解電容作為自舉電容。
[0036]如圖10所示為智能控制器原理接線圖，包括STC89C52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器芯片PCF8591和繼電器驅(qū)動芯片ULN2003A及其外圍電路。STC89C52單片機中沒有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此采集電壓需要外置A/D采樣模塊才能接入單片機。此設(shè)計采用8位串行PCF8591芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器，需要采集的3路信號分別從AIN0、AIN2和AIN3輸入，VREF基準(zhǔn)電壓使用5V，SCL和SDA引腳接單片機21、22引腳。繼電器及驅(qū)動電路選擇了 ULN2003A芯片驅(qū)動繼電器，繼電器選用5V電壓型電磁繼電器，STC89C52單片機的4個端口可以任意與ULN2003A輸入端口相連接，但要求輸出與輸入需要——對應(yīng)，通過單片機端口輸出高低電平控制繼電器的吸合，從而達(dá)到對電路的選擇。
【權(quán)利要求】
1.一種可視化小型光伏智能供電裝置，其組成包括:太陽能電池板，其特征是:所述的太陽能電池板分別與A D采樣電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路連接，所述的DC/DC轉(zhuǎn)換電路與太陽能電池板控制開關(guān)連接，所述的太陽能電池板控制開關(guān)與蓄電池組連接，所述的蓄電池組分別與所述的A D采樣電路、穩(wěn)壓電路、AC/DC的切換開關(guān)連接，控制器分別與所述的DC/DC轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示屏、所述的A D采樣電路、所述的蓄電池組、所述的穩(wěn)壓電路連接，所述的AC/DC的切換開關(guān)與逆變電路、直流負(fù)載，所述的逆變電路與交流負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可視化小型光伏智能供電裝置，其特征是:所述的蓄電池組包括主蓄電池、備蓄電池，所述的主蓄電池分別與所述的A D采樣電路、所述的AC/DC的切換開關(guān)連接，所述的備蓄電池分別與所述的穩(wěn)壓電路、所述的A D采樣電路、所述的AC/DC的切換開關(guān)連接，所述的太陽能電池板控制開關(guān)分別與所述的主蓄電池、所述的備蓄電池連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可視化小型光伏智能供電裝置，其特征是:所述的逆變電路以輸出SPWM信號的EG8010為核心控制芯片，所述的逆變電路以IR2110作為驅(qū)動芯片，所述的控制器電路包括STC89C52單片機、A/D轉(zhuǎn)換器芯片PCF8591、繼電器驅(qū)動芯片ULN2003A,所述的液晶顯示屏采用LCD1602。
4.一種權(quán)利要求1至3之一所述的可視化小型光伏智能供電裝置的充電方法，其特征是:本裝置設(shè)定蓄電池的充電電壓為6.6V，根據(jù)太陽光照強度自動切換電路給蓄電池充電，不斷地通過A/D采集蓄電池的電壓，根據(jù)電壓的變化選擇不同的充電方式，進(jìn)而實現(xiàn)對蓄電池的合理控制:首先判斷備用蓄電池的電壓，以保障備用蓄電池有充足的電量，一旦備用蓄電池?zé)o電，系統(tǒng)將會失去作用；其次判斷主蓄電池的電壓，根據(jù)主蓄電池的電壓選擇負(fù)載的供電方式，以上過程采用循環(huán)方式不間斷運行；控制主程序主要完成對I/O、定時器的初始化，同時根據(jù)太陽能電池板和蓄電池電壓調(diào)用相應(yīng)的充電子程序；當(dāng)備蓄電池電壓低于6.5V時，備蓄電池進(jìn)入浮充充電階段，當(dāng)備蓄電池電壓高于7.2V時，備蓄電池停止充電；當(dāng)主蓄電池電壓低于6.6V高于6.0V時，主蓄電池進(jìn)入浮充充電階段，當(dāng)主蓄電池電壓高于7.2V時，主蓄電池停止充電；當(dāng)主蓄電池電壓低于6.0V時，主蓄電池停止對負(fù)載供電轉(zhuǎn)換為備蓄電池供電，主蓄電池進(jìn)入快充充電階段。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可視化小型光伏智能供電裝置的充電方法，其特征是:蓄電池有兩個充電階段分別是快速充電階段和浮充充電階段，快速充電是采用的太陽能電池板直接加到蓄電池兩端充電，浮充充電是采用的恒壓充電方式；當(dāng)陰天時，太陽能電池板的工作效率不高時，通過控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換模塊選擇升壓電路，使太陽能電池板繼續(xù)給蓄電池充電；晴天時，A/D采集蓄電池組的電壓給控制器，通過控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換模塊選擇相應(yīng)的充電電路，控制繼電器SI來選擇相應(yīng)的充電蓄電池和控制繼電器S2來選擇相應(yīng)的供電蓄電池。
【文檔編號】H01M10/44GK103647333SQ201310742593
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】王中鮮, 魏永庚, 李春艷, 鄭小偉 申請人:黑龍江大學(xué)