專利名稱：智能型太陽能充電控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種太陽能充電控制器，是一種太陽電池向蓄電池充電的方法及全自動多功能蓄電池保護電路，主要應(yīng)用在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及和太陽電池配套使用的戶用電源系統(tǒng)及無電地區(qū)、邊防、海島、漁船、野外作業(yè)、通訊等方面。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種新的能源，具有無限性、可與常規(guī)電力構(gòu)架匹配以及無地域應(yīng)用限制等特點，成為各國政府開發(fā)無污染、可持續(xù)發(fā)展新型能源的首選。太陽能電池可以高效率及直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，不對環(huán)境產(chǎn)生任何污染。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池和充電控制器均是太陽能獨立光伏系統(tǒng)中重要的部件之一。蓄電池可以儲存太陽電池發(fā)出的不穩(wěn)定、不連續(xù)的電能，保證光伏系統(tǒng)有較穩(wěn)定的輸出。而充電控制器的優(yōu)劣不但決定蓄電池的使用壽命，而且還直接影響光伏系統(tǒng)的電力輸出。另外，獨立光伏系統(tǒng)中蓄電池的投資成本較高，一般為整個系統(tǒng)成本的15～20％左右，同時由于鉛酸蓄電池本身的特點及使用不同性能的充電控制器(尤其是使用簡單控制電壓的充電控制器)使其在光伏系統(tǒng)工作中故障率較高，使用壽命較短。因為一般的充電控制器當蓄電池電壓上升到過充點電壓時(此時蓄電池并未真正完全充滿)，控制器自動斷開充電回路。然而由于蓄電池內(nèi)阻的作用，斷開充電回路后蓄電池電壓會立即下降。而當充電回路接通及控制器斷開用電負載后，同樣由于蓄電池內(nèi)阻的作用，蓄電池電壓會立即上升。如此反復(fù)控制器極易產(chǎn)生振蕩，不但使控制器工作不正常，而且還容易損壞蓄電池。同時蓄電池充電時，大電流會造成能量損失，而且在充電后期會產(chǎn)生大量氣體，使蓄電池壽命縮短，但是以小電流充電就需要很長時間，無法做到快速充電。并且充電電流不同，對蓄電池容量的恢復(fù)也不同。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型控制器根據(jù)鉛酸蓄電池本身的特點和充放電特性；克服了普通充電控制器的不足，采用PWM脈沖電流充電法對蓄電池充電。
本實用新型的技術(shù)方案這種智能型太陽能充電控制器，包括充電控制2、單片機系統(tǒng)3、蓄電池及檢測控制4、負載控制及保護5等幾個部分；充電控制由MOS大功率管組成，其中源極、漏極并聯(lián)在太陽電池的輸出端，柵極與單片機系統(tǒng)連接，檢測控制一端與蓄電池連接，另一端連接單片機系統(tǒng)；負載控制及保護連接單片機系統(tǒng)同時將電能輸送到負載6；由單片機系統(tǒng)中產(chǎn)生的PWM脈沖控制并接在太陽電池輸出端的大功率MOS管控制、調(diào)整充電電流，同時由單片機輸出的數(shù)字信號控制串接在輸出回路的大功率MOS管控制負載的通斷，即將太陽電池和蓄電池直接連接，使用MOS管代替繼電器控制負載通斷。
這種智能型太陽能充電控制器是太陽電池輸出和蓄電池直接相連，最大限度的提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。同時采用多種保護電路，延長了蓄電池的使用壽命，減少維護成本；使其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。另外控制器還可監(jiān)測控制蓄電池的溫度以進行精確控制。
本控制器是利用太陽電池內(nèi)阻大的特點(因材料和制造工藝決定太陽電池內(nèi)阻很大，短路電流僅比最大工作電流大1/3左右)在太陽電池輸出端并接一支大功率場效應(yīng)MOS開關(guān)管(型號應(yīng)視太陽電池功率和最大充電電流而定)后直接和蓄電池連接?？朔艘话愠潆娍刂破鞅仨氃诔潆娀芈反娱_關(guān)管和限流電阻的不足，最大限度的提高了充電效率。充電電流的調(diào)節(jié)是通過調(diào)整太陽電池輸出端并接的開關(guān)管內(nèi)阻來控制。AVR單片機將蓄電池的實際電壓值(一般的控制器是檢測正在充電的電壓值，本控制器的檢測原理是在PWM脈沖的低電平時單片機完成檢測蓄電池電壓的任務(wù)，而PWM脈沖的高電平時對蓄電池充電。)通過和預(yù)設(shè)值比較和計算后調(diào)整PWM脈沖的占空比控制開關(guān)管的導(dǎo)通程度來調(diào)整充電電流。當蓄電池實際電壓達到預(yù)設(shè)的過放電壓后，PWM脈沖的占空比變?yōu)樽钚。撮_關(guān)管導(dǎo)通時間長，截止時間短，脈沖充電電流達到最小。若此時負載未工作，則控制系統(tǒng)始終維持蓄電池在小電流脈沖充電狀態(tài)。負載工作后隨著蓄電池電壓的降低，PWM脈沖的占空比不斷變大，充電電流也逐漸變大。當占空比達到90％以上時，充電電流達到最大。由于充電回路中不存在控制充電元件及限流電阻，所以提高了充電效率。脈沖占空比的大小決定了充電速度，如果采用正向的PWM控制，則占空比越大，充電電流越大。本控制系統(tǒng)PWM脈沖的頻率為10HZ。
由于光伏系統(tǒng)中輸入能量的不穩(wěn)定，充放電控制器除了應(yīng)對蓄電池的充、放電條件加以控制外，還包括負載控制和系統(tǒng)保護電路控制。
負載控制在本控制器的輸出回路串接一支大功率MOS開關(guān)管，當蓄電池實際電壓低于過放設(shè)定值時，開關(guān)管斷開負載，高于蓄電池工作預(yù)設(shè)值時自動接通負載，避免了蓄電池過放電，延長了蓄電池的使用壽命。開關(guān)管通斷的調(diào)整及各種保護電路的控制是單片機通過將檢測信號和預(yù)設(shè)值比較，通過計算后輸出的數(shù)字信號來控制的。
本實用新型的有益效果是1、采用了直充式設(shè)計，即太陽電池和蓄電池直接連接，使控制系統(tǒng)發(fā)揮出最大的充電效率。
2、通過調(diào)整PWM脈沖的占空比改變MOS管的導(dǎo)通和截止時間實現(xiàn)充電電流的調(diào)整，使充電電流穩(wěn)定，省去了穩(wěn)壓和電流調(diào)整模塊。
3、使用MOS管而不是繼電器控制負載通斷，驅(qū)動電路簡單，在通態(tài)下MOS管源漏極電壓只有0.3v左右，功耗極低。MOS管的截止電阻在兆歐級，從而可實現(xiàn)可靠關(guān)斷。
4、采用了內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換的單片機控制，軟件實現(xiàn)了電壓比較，報警控制，省去了基準電壓和電壓比較電路，電壓控制精確，硬件電路簡單，節(jié)省成本。


圖1本控制器總體結(jié)構(gòu)示意圖圖2本控制器結(jié)構(gòu)原理框圖圖3本控制器電路圖圖中1.太陽電池 2.充電控制 3.單片機系統(tǒng) 4.蓄電池及檢測控制5.負載控制及保護 6.負載 21、PWM放大及驅(qū)動 22、充電單元 23、充電保護 24、充電狀態(tài)指示 25 防反充 31、穩(wěn)壓電源 32 單片機 41、蓄電池 42、溫度檢測 43、聲光報警 51、保護電路 52、驅(qū)動電路 53、負載控制具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明如圖1所示，這種智能型太陽能充電控制器，它包括充電控制2、單片機系統(tǒng)3、蓄電池及檢測控制4、負載控制及保護5；充電控制由MOS大功率管組成，其中源極、漏極并聯(lián)在太陽電池的輸出端，柵極與單片機系統(tǒng)連接，檢測控制一端與蓄電池連接，另一端連接單片機系統(tǒng)；負載控制及保護連接單片機系統(tǒng)同時將電能輸送到負載6；其特征在于由單片機系統(tǒng)中產(chǎn)生的PWM脈沖控制并接在太陽電池輸出端的大功率MOS管控制、調(diào)整充電電流，同時由單片機輸出的數(shù)字信號控制串接在輸出回路的大功率MOS管控制負載的通斷，即將太陽電池和蓄電池直接連接，使用MOS管代替繼電器控制負載通斷。
充電控制包括充電單元22、PWM放大及驅(qū)動21、充電保護23、充電狀態(tài)指示24、防反充25，其中PWM放大及驅(qū)動分4路分別連接充電單元、充電狀態(tài)指示、充電保護和單片機系統(tǒng)3，防反充分別連接到太陽電池1、充電單元、蓄電池及檢測保護4，充電單元同時并聯(lián)在太陽電池1兩端。
單片機系統(tǒng)包括穩(wěn)壓電源31、單片機32；穩(wěn)壓電源直接和單片機連接，為單片機提供電源，由單片機產(chǎn)生的PWM脈沖連接到充電控制；單片機同時和蓄電池及檢測控制、負載控制及保護連接。
蓄電池及檢測控制包括蓄電池41、溫度檢測42、聲光報警43；蓄電池和充電控制連接，同時和溫度檢測及負載控制及保護連接；溫度檢測和聲光報警同時連接到單片機系統(tǒng)。
負載控制及保護包括保護電路51、驅(qū)動電路52、負載控制53；保護電路由二極管和繼電器組成，串連在蓄電池41和負載6之間；當蓄電池反接時保護控制器；驅(qū)動電路52由三極管組成，輸入端連接到單片機，輸出連接到由大功率MOS管組成的負載控制53控制負載的通斷，負載控制53的輸出端連接負載6。
圖2是控制器原理框圖，在充電控制2中由單片機輸出正向的初始為低電平、最大幅度為5V的PWM波，經(jīng)過PWM放大及驅(qū)動21后，PWM脈沖占空比的改變使Q2(見圖3)開關(guān)時間比例發(fā)生變化。由于由于充電控制22中Q2的源、漏極直接接在太陽電池的兩端，當蓄電池實際電壓充到單片機的預(yù)設(shè)過充值14V時，單片機控制頻率為10HZ的PWM脈沖的占空比變小，使Q2內(nèi)阻變小，導(dǎo)通程度變大，充電電流減小，使蓄電池處于維持充電狀態(tài)。因此，PWM脈沖的占空比在單片機的控制下，根據(jù)蓄電池的實際電位在不斷調(diào)整，始終保持在最佳的充電狀態(tài)。若Q2用位控信號驅(qū)動，高電平時完全導(dǎo)通，太陽電池被短路，將會沒有充電電流。低電平時完全截止，充電電流最大。但本控制器實際工作中由于Q2受PWM脈沖占空比控制始終處于導(dǎo)通、截止的不斷轉(zhuǎn)換中以及Q2本身存在內(nèi)阻，所以太陽電池不會被短路，但充電電流將變小，即處于維持充電狀態(tài)。在Q2截止時，太陽電池直接通過防反充25接在蓄電池的正極，以最大的充電電流對蓄電池充電。隨著Q2的導(dǎo)通情況，充電指示燈閃爍指示充電正在進行。防反充25中MBR二極管(見圖3)的作用是將蓄電池和太陽電池隔離，防止在Q2導(dǎo)通時蓄電池短路以及防止反充電的作用。
負載工作后當蓄電池電壓下降達到單片機預(yù)設(shè)過放點10.5V時，單片機將檢測到的蓄電池41電壓信號和預(yù)設(shè)電壓比較后，經(jīng)計算后輸出的控制信號首先控制報警電路43發(fā)出報警信號，延時1分鐘后停止同時控制驅(qū)動電路52中MOS管Q3截止(見圖3)，從而使負載斷電。以防止蓄電池發(fā)生過放電，延長蓄電池的使用壽命。負載斷電后太陽電池繼續(xù)向蓄電池充電，當蓄電池電壓上升到蓄電池工作電壓12.5V時單片機控制MOS管Q3導(dǎo)通，負載接通，系統(tǒng)處于浮充狀態(tài)。二極管D2和D3(見圖3)在蓄電池反接時，使蓄電池瞬間短路，熔斷保險絲，起到反接保護的作用。單片機是由太陽電池或蓄電池通過7805穩(wěn)壓塊31供電，只要有蓄電池或者太陽電池控制器即可工作。保護電路51中的繼電器(見圖3)起到了反接保護的作用，在蓄電池反接時，常閉開關(guān)斷開，電路不工作，保護蓄電池。溫度檢測42中溫度傳感器RT將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到單片機，單片機根據(jù)該信號判斷蓄電池表面溫度是否超出設(shè)定范圍，決定繼續(xù)充電與否。在開始充電之前，單片機根據(jù)檢測到的電壓信號，自動計算出蓄電池電壓值。
實施例實際實驗時，用了3塊64W的非晶硅柔性襯底太陽電池并聯(lián)作充電電源，分別給12V7AH、12AH和34AH的鉛酸蓄電池充電。最大充電電流可達到10A。在蓄電池的電壓達到14V時，進入小電流(200mA)維護充電模式，降到10.5V時蜂鳴器報警，延時大約1分鐘后報警結(jié)束，自動切斷負載。蓄電池電壓在12.5V以上時負載開始工作。
權(quán)利要求1.一種智能型太陽能充電控制器，它包括充電控制(2)、單片機系統(tǒng)(3)、蓄電池及檢測控制(4)、負載控制及保護(5)；充電控制由MOS大功率管組成，其中源極、漏極并聯(lián)在太陽電池的輸出端，柵極與單片機系統(tǒng)連接，檢測控制一端與蓄電池連接，另一端連接單片機系統(tǒng)；負載控制及保護連接單片機系統(tǒng)同時將電能輸送到負載(6)；其特征在于由單片機系統(tǒng)中產(chǎn)生的PWM脈沖控制并接在太陽電池輸出端的大功率MOS管控制、調(diào)整充電電流，同時由單片機輸出的數(shù)字信號控制串接在輸出回路的大功率MOS管控制負載的通斷，即將太陽電池和蓄電池直接連接，使用MOS管代替繼電器控制負載通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能型太陽能充電控制器，其特征在于充電控制包括充電單元(22)、PWM放大及驅(qū)動(21)、充電保護(23)、充電狀態(tài)指示(24)、防反充(25)，其中PWM放大及驅(qū)動分4路分別連接充電單元、充電狀態(tài)指示、充電保護和單片機系統(tǒng)3，防反充分別連接到太陽電池1、充電單元、蓄電池及檢測保護4，充電單元同時并聯(lián)在太陽電池1兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能型太陽能充電控制器，其特征在于單片機系統(tǒng)包括穩(wěn)壓電源(31)、單片機(32)；穩(wěn)壓電源直接和單片機連接，為單片機提供電源，由單片機產(chǎn)生的PWM脈沖連接到充電控制；單片機同時和蓄電池及檢測控制、負載控制及保護連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能型太陽能充電控制器，其特征在于蓄電池及檢測控制包括蓄電池(41)、溫度檢測(42)、聲光報警(43)；蓄電池和充電控制連接，同時和溫度檢測及負載控制及保護連接；溫度檢測和聲光報警同時連接到單片機系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能型太陽能充電控制器，其特征在于負載控制及保護包括保護電路(51)、驅(qū)動電路(52)、負載控制(53)；保護電路由二極管和繼電器組成，串連在蓄電池(41)和負載6之間；當蓄電池反接時保護控制器；驅(qū)動電路(52)由三極管組成，輸入端連接到單片機，輸出連接到由大功率MOS管組成的負載控制(53)控制負載的通斷，負載控制(53)的輸出端連接負載6。
專利摘要本實用新型涉及一種太陽能充電控制器，是一種太陽電池向蓄電池充電的方法及全自動多功能蓄電池保護電路，主要應(yīng)用在無電地區(qū)。它由充電控制、單片機系統(tǒng)、蓄電池及檢測控制、負載控制及保護幾個部分構(gòu)成。它根據(jù)鉛酸蓄電池的充放電特性；利用太陽電池內(nèi)阻大的特點，采用獨特的太陽電池輸出和蓄電池直接相連的方法，由單片機根據(jù)檢測的蓄電池實際電壓值和預(yù)設(shè)值比較后；改變PWM脈沖的占空比控制并接在太陽電池輸出端的大功率MOS管的導(dǎo)通和截止的時間比例來控制充電電流，充分利用了電能，最大限度的提高了充電效率?？刂破骶哂星穳簣缶妥詣忧袛嘭撦d的功能，延長了蓄電池的使用壽命。同時控制器還可監(jiān)測控制蓄電池的溫度以進行精確的電壓控制。
文檔編號H02J7/00GK2706939SQ20042002825
公開日2005年6月29日 申請日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月14日
發(fā)明者趙庚申, 王慶章, 許盛之, 周祥, 劉軍亮 申請人:南開大學(xué)