本發(fā)明涉及一種電壓調(diào)整裝置及方法，尤其是一種用于多塊太陽能電池板供能設(shè)備的電壓調(diào)整裝置及方法。

背景技術(shù)：
太陽能作為一種綠色、可持續(xù)能源，近年來，隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，也被廣泛的運用于各個領(lǐng)域。太陽能電池板具有結(jié)構(gòu)輕便、安全近便等特點。同時近年來，移動用電設(shè)備逐步增多，像電動游輪、電動汽車等大型設(shè)備及偵察機器人、清理機器人與智能玩具等小型設(shè)備都變得非常普及。對于這一類移動的同時又屬于長時間在戶外工作的用電設(shè)備，采用太陽能電池作為供能源無疑是十分理想的方案。但這其中也存在一些問題：1)太陽能雖然是一種可輕松獲得的能源但能量密度較低，通常人們以大面積的太陽能電池板陣列的方式來獲得足夠的太陽能，然而上述的移動用電設(shè)備往往具有一定的體積限制；2)用電設(shè)備要持續(xù)穩(wěn)定的工作便需要有持續(xù)穩(wěn)定能量來源，太陽能供電設(shè)備往往是采用多塊太陽能電池板組合輸出的方式為系統(tǒng)供能，然而，太陽能電池板的輸出功率與電壓會隨著它所接收到的光照度變化，這便使得供能系統(tǒng)無法在強光與弱光的情況下同時滿足設(shè)備需求了，通常通過增加電池板數(shù)量來改善這一問題，但同時過多的電池板同時輸出往往會導(dǎo)致系統(tǒng)過載，特別是在較小電壓工作的設(shè)備上，接入工作系統(tǒng)的電池板數(shù)量需要嚴格控制；3)在多塊太陽能電池板組合供能的設(shè)備中，太陽能電池板的直接組合，往往要求其裝配的方向及斜度角度都一致，才能避免因輸出失衡而損失能量，太陽能電池板輸出失衡是指由于不同角度的發(fā)電板所接收到的光照度不同，輸出狀態(tài)不同，處于不同輸出狀態(tài)的電池進行組合，可能使得有些接收到光照較少的太陽能電池板成為系統(tǒng)電路中的負載，內(nèi)部電阻耗能發(fā)熱，造成電能浪費，降低了裝置的整體的能量轉(zhuǎn)化效率，嚴重的甚至可能導(dǎo)致電池損壞；4)不同類型的太陽能電池板擁有自己特定的伏安特性，只有在外部負載阻抗匹配的情況下才能使電池板有最大的輸出功率；5)移動式用電設(shè)備最大的特點便是在工作中，自身的位置、形態(tài)都在不斷變化，并且可能進入各種復(fù)雜區(qū)域，遇到某些突發(fā)情況，例如使用太陽能電池板作為供能的移動設(shè)備，可能進入關(guān)照度較弱的區(qū)域，可能在運動過程中向陽面改變，也可能某塊正處于工作狀態(tài)的電池板部分突然被異物遮擋；6)為保證太陽能蓄電設(shè)備盡量高效利用光照，往往采用太陽光向跟蹤方式裝配太陽能電池板，然而太陽光向跟蹤方式會使得設(shè)備受到的風(fēng)阻較大，影響設(shè)備自身運動。因此，需要一種適用于移動式多塊太陽能電池板供能設(shè)備的組合輸出電壓調(diào)整方法及其裝置以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中的多塊太陽能電池板供能設(shè)備存在體積較大、工作狀態(tài)不確定、組合失衡、輸出效率低、電壓不穩(wěn)定且不便于固定在運動設(shè)備上的缺陷。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多塊太陽能電池板供能設(shè)備的電壓調(diào)整裝置，包括太陽能電池板模塊、組合通路選擇輸出電路以及測控電路；太陽能電池板模塊由N+1片太陽能電池板分別安裝在N棱錐臺的錐臺側(cè)面以及錐臺頂面構(gòu)成；組合通路選擇輸出電路包括(N+3)×N÷2個通斷可控二極管電路、N+1個電源輸入端、(N+3)×N÷2個控制信號輸入端以及1個組合電壓輸出端，用于對N+1片太陽能電池板的輸出電壓進行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合；測控電路包括電壓調(diào)理電路和處理器模塊；電壓調(diào)理電路的輸入端與組合電壓輸出端相連，用于將輸出電壓映射至處理器模塊的A/D采集范圍內(nèi)；處理器模塊的采集端與電壓調(diào)理電路的輸出端相連；處理器模塊的各個控制信號輸出端分別與(N+3)×N÷2個控制信號輸入端相連；N+1個電源輸入端分別與N+1塊太陽能電池板的電壓輸出端相連；組合電壓輸出端用于連接至負載的供電端。采用N+1片太陽能電池板分別安裝在N棱錐臺的錐臺側(cè)面以及錐臺頂面，充分利用了設(shè)備可接收太陽光的面積，同時保證裝置的水平覆蓋面積不會因此顯著增加，保證了太陽光能的利用效率，同時使得本裝置體積小、簡便且牢固；采用(N+3)×N÷2個通斷可控二極管電路，能夠?qū)崿F(xiàn)N+1片太陽能電池板串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的組合電路，而不是將裝置中裝配的電池板直接、全部地作為輸出，有效地避免了太陽能電池板裝配數(shù)量的問題，既保證了設(shè)備正常穩(wěn)定地工作又防止了設(shè)備過載；采用處理器模塊實時監(jiān)測并調(diào)整太陽能電池板接入的組合，能有效的剔除工作效率較低的太陽能電池板，避免其成為負載，既提高了電池板的工作效率同時又起到了保護的作用，延長了電池板的使用壽命；采用先檢測后調(diào)整的方式，可保證多塊電池板獲得最佳的輸出功率，即使在設(shè)備移動或轉(zhuǎn)動時也能始終保持有較穩(wěn)定的電壓輸出；采用在工作中實時監(jiān)測并調(diào)整工作電壓的方式，可應(yīng)對移動用電設(shè)備遇到的突發(fā)狀況，能保證設(shè)備持續(xù)的工作；在太陽能電池板的裝配上，采用了錐臺式，即各個方向的電池板都以斜向的方式裝配，可有效的避免設(shè)備因電池板而造成的運動空氣阻力增大的問題；采用綠色、可持續(xù)的太陽能作為主要能量來源作為供能裝置，在清潔能源的使用上，增大了運用范圍，為節(jié)能減排的普及提供了一種新的可能；采用電壓調(diào)理電路能夠?qū)⑤敵鲭妷河成涞腁/D的測量范圍內(nèi)，方便控制器模塊進行電壓值采集。作為本發(fā)明的進一步限定方案，通斷可控二極管電路包括三極管、第一二極管、第二二極管以及P溝道的MOS管；三極管的基極作為通斷可控二極管電路的控制信號輸入端；MOS管的柵極與三極管的集電極相連；三極管的發(fā)射極接地；MOS管的漏極與第二二極管的正極相連；MOS管的源極作為電源輸入端的正極端連接至太陽能電池板的正極以及第一二極管的正極；第二二極管的負極作為電源輸入端的負極端連接至另一太陽能電池板的負極或負載的負極；第一二極管的負極連接至三極管的集電極。采用三極管間接控制MOS管的通斷，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置控制的安全性。作為本發(fā)明的進一步限定方案，通斷可控二極管電路為可控二極管；可控二極管的陽極作為電源輸入端的正極端，可控二極管的陰極作為電源輸入端的負極端，可控二極管的可控極作為通斷可控二極管電路的控制信號輸入端。作為本發(fā)明的進一步限定方案，太陽能電池板模塊由V1、V2、V3、V4和V5共五片太陽能電池板分別安裝在四棱錐臺的錐臺側(cè)面以及錐臺頂面構(gòu)成；組合通路選擇輸出電路由D12、D13、D14、D15、D23、D24、D25、D34、D35、D45、D20、D30、D40和D50共十四個通斷可控二極管電路構(gòu)成；V1的負極與組合電壓輸出端的負極相連；V1的正極分別與D12、D13、D14以及D15的正極端相連；D12的負極端與V2的負極相連；D13的負極端分別與V3的負極以及D23的負極端相連；D14的負極端分別與V4的負極、D24的負極端以及D34的負極端相連；D15的負極端分別與V5的負極、D25的負極端、D35的負極端以及D45的負極端相連；V2的正極分別與D20的正極端、D23的正極端、D24的正極端以及D25的正極端相連；V3的正極分別與D30的正極端、D34的正極端以及D35的正極端相連；V4的正極分別與D45的正極端以及D40的正極端相連；V5的正極與D50的正極端相連；D20的負極端、D30的負極端、D40的負極端以及D50的負極端均連接至組合電壓輸出端的正極，V1的負極連接至組合電壓輸出接口的負極；D12的控制信號輸入端、D13的控制信號輸入端、D14的控制信號輸入端、D15的控制信號輸入端、D23的控制信號輸入端、D24的控制信號輸入端、D25的控制信號輸入端、D34的控制信號輸入端、D35的控制信號輸入端、D45的控制信號輸入端、D20的控制信號輸入端、D30的控制信號輸入端、D40的控制信號輸入端以及D50的控制信號輸入端均與處理器模塊的控制信號輸出端相連。作為本發(fā)明的進一步限定方案，述電壓調(diào)理電路為分壓電路。本發(fā)明還提供了一種多塊太陽能電池板供能設(shè)備的電壓調(diào)整裝置的電壓調(diào)整方法，包括如下步驟：步驟1，處理器模塊設(shè)定循環(huán)查詢周期以及負載的額定電壓值；步驟2，處理器模塊向組合通路選擇輸出電路中的各個通斷可控二極管電路遍歷一遍控制編碼表中的控制編碼信號，同時由控制器模塊對各組控制編碼信號下獲得的實時電壓進行記錄；步驟3，處理器模塊將獲得的全部實時電壓依次與負載的額定電壓值進行比較，獲得與額定電壓值的絕對誤差最小的實時電壓，并查找出該實時電壓所對應(yīng)的控制編碼信號；步驟4，將查找獲得的控制編碼信號作為最佳控制信號，并將最佳控制信號鎖存輸出至各個通斷可控二極管電路；步驟5，處理器模塊每隔一個循環(huán)查詢周期重復(fù)執(zhí)行步驟2～4。本發(fā)明的有益效果在于：(1)采用N+1片太陽能電池板分別安裝在N棱錐臺的錐臺側(cè)面以及錐臺頂面，充分利用了設(shè)備可接收太陽光的面積，同時保證裝置的水平覆蓋面積不會因此顯著增加，保證了太陽光能的利用效率，同時使得本裝置體積小、簡便且牢固；(2)采用(N+3)×N÷2個通斷可控二極管電路，能夠?qū)崿F(xiàn)N+1片太陽能電池板串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的組合電路，而不是將裝置中裝配的電池板直接、全部地作為輸出，有效地避免了太陽能電池板裝配數(shù)量的問題，既保證了設(shè)備正常穩(wěn)定地工作又防止了設(shè)備過載；(3)采用處理器模塊實時監(jiān)測并調(diào)整太陽能電池板接入的組合，能有效的剔除工作效率較低的太陽能電池板，避免其成為負載，既提高了電池板的工作效率同時又起到了保護的作用，延長了電池板的使用壽命；(4)采用先檢測后調(diào)整的方式，可保證多塊電池板獲得最佳的輸出功率，即使在設(shè)備移動或轉(zhuǎn)動時也能始終保持有較穩(wěn)定的電壓輸出；(5)采用在工作中實時監(jiān)測并調(diào)整工作電壓的方式，可應(yīng)對移動用電設(shè)備遇到的突發(fā)狀況，能保證設(shè)備持續(xù)的工作；(6)在太陽能電池板的裝配上，采用了錐臺式，即各個方向的電池板都以斜向的方式裝配，可有效的避免設(shè)備因電池板而造成的運動阻力增大的問題；(7)采用綠色、可持續(xù)的太陽能作為主要能量來源作為供能裝置，在清潔能源的使用上，增大了運用范圍，為節(jié)能減排的普及提供了一種新的可能；(8)采用電壓調(diào)理電路能夠?qū)⑤敵鲭妷河成涞腁/D的測量范圍內(nèi)，方便控制器模塊進行電壓值采集。附圖說明圖1為本發(fā)明的太陽能電池板安裝位置示意圖；圖2為本發(fā)明的裝置電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的組合通路選擇輸出電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的一種通斷可控二極管電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明的實施例是將多塊太陽能電池板供能設(shè)備的電壓調(diào)整裝置運用于水域偵察機器人上，該機器人作業(yè)于各種水域，用于采集信息，因而需要較長時間的持續(xù)工作，并且機體的方位、角度都會隨水流及自身驅(qū)動發(fā)生變化，本發(fā)明的裝置及方法正好適用于其供能要求。在具體實施時本發(fā)明的太陽能電池板模塊由五片太陽能電池板組成，分別安裝在四棱錐臺的錐臺側(cè)面以及錐臺頂面，圖1中標號1～5處均為太陽能電池板，標號6為水域偵察機器人。水域偵察機器人自身的方位變化及轉(zhuǎn)動導(dǎo)致了太陽光入射方向的改變，采用這樣的裝配方式用于保證機器人可在太陽光入射方向變化后正常工作。若太陽光由方向7處側(cè)面入射，此時，1號太陽能電池板、2號太陽能電池板以及3號太陽能電池板均能接收到較充足的太陽光，而4號太陽能電池板和5號太陽能電池板沒有被太陽光直接照射，無法正常工作，因此可選用1號太陽能電池板、2號太陽能電池板和3號太陽能電池板進行組合輸出，為水域偵察機器人6供能；若太陽光由方向8處豎直向下入射，此時，5塊太陽太陽能電池板均能受到太陽光的直接照射，其中1號太陽能電池板接收到的太陽光最多，能有較好的輸出效果，其余四塊太陽能電池板也能獲得較為平均的輸出功率，因此，可以由1號太陽能電池板與其余4塊太陽能電池板的串或并聯(lián)組合電路進行串聯(lián)，為水域偵察機器人6供能，這樣既能滿足水域偵察機器人6的供能需要，又減小了組合電源的內(nèi)阻，提高了輸出效率；同樣的，若太陽光由方向9處側(cè)面入射，此時可將1號太陽能電池板和3號太陽能電池板斷開于組合通路選擇輸出電路，由1號太陽能電池板、4號太陽能電池板以及5號太陽能電池板組合接入為水域偵察機器人6供能。如圖2所示，本發(fā)明的多塊太陽能電池板供能設(shè)備的電壓調(diào)整裝置，包括太陽能電池板模塊、組合通路選擇輸出電路以及測控電路；太陽能電池板模塊由4+1片太陽能電池板分別安裝在4棱錐臺的錐臺側(cè)面以及錐臺頂面構(gòu)成；組合通路選擇輸出電路包括(4+3)×4÷2＝14個通斷可控二極管電路、4+1個電源輸入端、(4+3)×4÷2個控制信號輸入端以及1個組合電壓輸出端，用于對4+1片太陽能電池板的輸出電壓進行串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合。當太陽能電池板模塊由N+1個太陽能電池板構(gòu)成時，共需要(N+3)×N÷2個通斷可控二極管電路，可以實現(xiàn)所有太陽能電池板的組合輸出電路方式，最多有種組合，對應(yīng)每一種組合方式，其中工作狀態(tài)的太陽能電池板通過串或并的連接方式接入供電回路，而非工作狀態(tài)的太陽能電池板從供電回路斷開而不供能。測控電路包括電壓調(diào)理電路和處理器模塊；電壓調(diào)理電路的輸入端與組合電壓輸出端相連，用于將輸出電壓映射至處理器模塊的A/D采集范圍內(nèi)；處理器模塊的采集端與電壓調(diào)理電路的輸出端相連；處理器模塊的各個控制信號輸出端分別與(4+3)×4÷2個控制信號輸入端相連；4+1個電源輸入端分別與4+1塊太陽能電池板的電壓輸出端相連；組合電壓輸出端用于連接至負載的供電端；電壓調(diào)理電路可以設(shè)置為分壓電路；處理器模塊擁有A/D轉(zhuǎn)換功能，且A/D的轉(zhuǎn)換精度決定輸出電壓的調(diào)整精度。本發(fā)明的多塊太陽能電池板供能設(shè)備的電壓調(diào)整裝置的電壓調(diào)整方法，包括如下步驟：步驟1，處理器模塊設(shè)定循環(huán)查詢周期以及負載的額定電壓值；步驟2，處理器模塊向組合通路選擇輸出電路中的各個通斷可控二極管電路遍歷一遍控制編碼表中的控制編碼信號，同時由控制器模塊對各組控制編碼信號下獲得的實時電壓進行記錄；步驟3，處理器模塊將獲得的全部實時電壓依次與負載的額定電壓值進行比較，獲得與額定電壓值的絕對誤差最小的實時電壓，并查找出該實時電壓所對應(yīng)的控制編碼信號；步驟4，將查找獲得的控制編碼信號作為最佳控制信號，并將最佳控制信號鎖存輸出至各個通斷可控二極管電路；步驟5，處理器模塊每隔一個循環(huán)查詢周期重復(fù)執(zhí)行步驟2～4，確保始終處于最佳輸出狀態(tài)。如圖3所示，當N為4時，即太陽能電池板模塊由V1、V2、V3、V4和V5共五片太陽能電池板分別安裝在四棱錐臺的錐臺頂面以及錐臺側(cè)面構(gòu)成；組合通路選擇輸出電路由D12、D13、D14、D15、D23、D24、D25、D34、D35、D45、D20、D30、D40和D50共十四個通斷可控二極管電路構(gòu)成；V1的負極與組合電壓輸出端的負極相連；V1的正極分別與D12、D13、D14以及D15的正極端相連；D12的負極端與V2的負極相連；D13的負極端分別與V3的負極以及D23的負極端相連；D14的負極端分別與V4的負極、D24的負極端以及D34的負極端相連；D15的負極端分別與V5的負極、D25的負極端、D35的負極端以及D45的負極端相連；V2的正極分別與D20的正極端、D23的正極端、D24的正極端以及D25的正極端相連；V3的正極分別與D30的正極端、D34的正極端以及D35的正極端相連；V4的正極分別與D45的正極端以及D40的正極端相連；V5的正極與D50的正極端相連；D20的負極端、D30的負極端、D40的負極端以及D50的負極端均連接至組合電壓輸出端的正極，V1的負極連接至組合電壓輸出接口的負極；D12的控制信號輸入端、D13的控制信號輸入端、D14的控制信號輸入端、D15的控制信號輸入端、D23的控制信號輸入端、D24的控制信號輸入端、D25的控制信號輸入端、D34的控制信號輸入端、D35的控制信號輸入端、D45的控制信號輸入端、D20的控制信號輸入端、D30的控制信號輸入端、D40的控制信號輸入端以及D50的控制信號輸入端均與處理器模塊的控制信號輸出端相連。圖3中R0為負載阻抗，若D12、D20連通，其余通斷可控二極管電路均斷開，則是由V1與V2串聯(lián)作為電路的輸出；若D13、D30與D14、D40連通，其余通斷可控二極管電路均斷開，則是由V3與V4并聯(lián)再與V1串聯(lián)作為電路的輸出。表1為組合通路選擇輸出電路中各個通斷可控二極管電路的控制編碼表，各個通斷可控二極管電路的控制端連接到處理器模塊的通用I/O上；處理器模塊以8位數(shù)據(jù)輸出，表1中為15組控制編碼信號，其中“1”表示通斷可控二極管電路導(dǎo)通，“0”表示通斷可控二極管電路斷開，處理器模塊以連續(xù)兩次控制編碼信號的輸出實現(xiàn)一種電源組合的監(jiān)測和控制。表1各個通斷可控二極管電路的控制編碼表電源組合方式D12D13D14D15D23D24D25D34D35D45D20D30D40D50V1+V210000000001000V1+V301000000000100V1+V400100000000010V1+V500010000000001V1+V2+V310001000000100V1+V2+V410000100000010V1+V2+V510000010000001V1+V3+V401000001000010V1+V3+V501000000100001V1+V4+V500100000010001V1+V2+V3+V410001001000010V1+V2+V3+V510001000100001V1+V2+V4+V510000100010001V1+V3+V4+V501000001010001V1+V2+V3+V4+V510001001010001如圖4所示，本發(fā)明的一種通斷可控二極管電路具體包括三極管T1、第一二極管D1、第二二極管D2以及P溝道的MOS管M1。其中，三極管T1的基極作為通斷可控二極管電路的控制信號輸入端；MOS管M1的柵極與三極管T1的集電極相連；三極管T1的發(fā)射極接地；MOS管M1的漏極與第二二極管D2的正極相連；MOS管M1的源極作為電源輸入端的正極端連接至太陽能電池板的正極以及第一二極管D1的正極；第二二極管D2的負極作為電源輸入端的負極端連接至另一太陽能電池板的負極或負載的負極；第一二極管D1的負極連接至三極管T1的集電極。xy是指電路連接于第x塊電池板與第y塊電池板之間，Cxy為通斷可控二極管電路的控制端，Vx+連接到太陽能電池板正極輸出端，Vy-連接到另一太陽能電池板負極輸入端或負載端。當控制端Cxy輸入高電平時，T1導(dǎo)通，則M1的柵極電壓為低電平，使M1的Vgd達到導(dǎo)通要求，從而使Vx+到Vy-的電路導(dǎo)通。該電路亦可用理想的可控二極管芯片替換，其效果近似，在可控二極管斷開時，其反向漏電流可忽略，導(dǎo)通時，其正向壓降可忽略。