本實用新型涉及一種廣泛應(yīng)用于薄膜太陽能電池，單晶或者多晶光伏電池組件等方面的基于CIGS薄膜組件充電控制電路。

背景技術(shù)：

光伏電池作為新能源電池一直是研究的熱點，目前轉(zhuǎn)換效率較高的薄膜太陽電池多是基于多晶Cu(In,Ga)Se₂和CdTe吸收層的。其中，作為高轉(zhuǎn)換效率的CIGS薄膜太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率也只有20%左右，而通過改變材料和研發(fā)工藝提高效率研發(fā)周期過長，而現(xiàn)如今的純硬件電路控制器不能通過程序控制找到最大功率點（MPPT）進行充電，只能保證將光伏組件升壓后直沖和過充保護。然而光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的內(nèi)阻在日照強度改變時變化，而且也隨著環(huán)境溫度以及負載的改變而變化影響。所以，簡單純硬件電路控制器不能獲得太陽能電池輸出的最大功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于市場實際需求，本實用新型提供了一種基于CIGS薄膜組件充電控制電路。它利用智能單片機控制太陽電池板對蓄電池的充電，通過pwm脈沖調(diào)制電路，既能達到快速充電的效果，延長蓄電池使用壽命，又能夠提高光伏電池電能的利用率。

本實用新型為實現(xiàn)上述目的，所采取的技術(shù)方案是：一種基于CIGS薄膜組件充電控制電路，包括輔助供電電路、單片機最小系統(tǒng)電路、AD轉(zhuǎn)換電路，其特征在于：還包括充電電壓檢測電路、PWM充電電路，所述單片機最小系統(tǒng)電路分別與AD轉(zhuǎn)換電路、輔助供電電路、PWM充電電路連接，所述輔助供電電路分別與AD轉(zhuǎn)換電路、PWM充電電路連接，所述充電電壓檢測電路與AD轉(zhuǎn)換電路連接；

具體電路連接為：所述充電電壓檢測電路中，電位器RW6的一固定端2腳與可調(diào)端3腳相連后分別接電阻R10的一端、放大器U12A同相輸入端3腳，電阻R10的另一端接隔離地G，放大器U12A的反相輸入端2腳與輸出端1腳相連后接電阻R9的一端，放大器U12A的供電端8腳接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，放大器U12A的接地端4腳接隔離地G，電阻R9的另一端分別接放大器U7的同相輸入端3腳、二極管D1的負極、二極管D2的正極，放大器U7的一個調(diào)零端1腳接電位器RW5的一個固定端2腳，放大器U7的另一個調(diào)零端8腳接電位器RW5的另一個固定端1腳，電位器RW5的調(diào)節(jié)端3腳分別與放大器U7的供電正端7腳、二極管D2的負極相連后接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，放大器U7的供電負端4腳與二極管D1的正極相連后接輔助供電電路中隔離側(cè)的內(nèi)部供電負端-12V1，放大器U7的反相輸入端2腳與輸出端6腳相連后接電阻R15的一端， 放大器U6的一個調(diào)零端1腳接電位器RW4的一個固定端2腳，放大器U6的另一個調(diào)零端8腳接電位器RW4的另一個固定端1腳，電位器RW4的調(diào)節(jié)端3腳與放大器U6的供電正端7腳相連后接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，放大器U6的供電負端4腳接輔助供電電路中隔離側(cè)的內(nèi)部供電負端-12V1，放大器U6的同相輸入端3腳接隔離地G，放大器U6的反相輸入端2腳分別接電容C20的一端、電阻R15的另一端、線性光電耦合器U8中光電管1的陰極3腳，放大器U6的輸出端6腳分別接電阻R14的一端、電容C20的另一端，電阻R14的另一端接線性光電耦合器U8中發(fā)光管的陰極1腳，線性光電耦合器U8中發(fā)光管的陽極2腳接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，線性光電耦合器U8中光電管1的陽極4腳接隔離地G，線性光電耦合器U8中光電管2的陽極5腳接控制地，線性光電耦合器U8中光電管2的陰極6腳分別接電阻R12和電容C19的一端、放大器U5的反相輸入端2腳，電位器RW3的一個固定端1腳與調(diào)節(jié)端3腳相連，電阻R12的另一端接電位器RW3的另一個固定端2腳，放大器U5的同相輸入端3腳接控制地，放大器U5的輸出端6腳分別接電阻R8的一端、電容C19的另一端、電位器RW3的一個固定端1腳，放大器U5的一個調(diào)零端1腳接電位器RW2的一個固定端2腳，放大器U5的另一個調(diào)零端8腳接電位器RW2的另一個固定端1腳，電位器RW2的調(diào)節(jié)端3腳與放大器U5的供電正端7腳相連后接輔助供電電路中控制側(cè)內(nèi)部供電正端+12V2，放大器U5的供電負端4腳接輔助供電電路中控制側(cè)內(nèi)部供電負端-12V2，電阻R8的另一端接AD轉(zhuǎn)換電路中AD芯片U3的模擬量輸入端2腳；

所述PWM充電電路中，光電耦合器U11的輸入二極管陽極1腳通過電阻R17接輔助供電電路中控制側(cè)內(nèi)部供電端VCC，光電耦合器U11的輸入二極管陰極2腳接單片機最小系統(tǒng)電路中單片機U10的P1.7口59腳，光電耦合器U11輸出三極管的發(fā)射極3腳接隔離地G，光電耦合器U11輸出三極管的集電極4腳分別接電阻R18的一端、MOS三極管T1的柵極，電阻R18的另一端接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，MOS三極管T1的源極接隔離地G，電感L7的一端接輔助供電電路中光伏組件輸出電壓+Vin，電感L7的另一端分別接二極管D3的正極、MOS三極管T1的漏極，二極管D3的負極分別接電容C24的正極、充電電壓檢測電路中電位器RW6的另一固定端1腳，并作為充電電壓Vbat端，電容C24的另一端接隔離地G。

本實用新型的有益效果是：通過簡單的模擬量和PWM脈沖調(diào)寬尋找最大功率點（MPPT）給升壓電路；充電電壓的檢測信號傳給單片機形成閉環(huán)反饋，提高了光伏組件發(fā)電的利用率30%以上；通過單片機對蓄電池的端電壓控制，利用高效PWM蓄電池的充電模式，符合蓄電池本身在不同電壓下的充電特性，保證蓄電池工作在合理的狀態(tài)，延長蓄電池的使用壽命50%以上。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路連接框圖；

圖2為本實用新型的電路原理圖；

圖3為本實用新型的控制流程圖。

具體實施方式

如圖1、2所示，一種基于CIGS薄膜組件充電控制電路，包括輔助供電電路、單片機最小系統(tǒng)電路、AD轉(zhuǎn)換電路，還包括充電電壓檢測電路、PWM充電電路。

單片機最小系統(tǒng)電路分別與AD轉(zhuǎn)換電路、輔助供電電路、PWM充電電路連接，輔助供電電路分別與AD轉(zhuǎn)換電路、PWM充電電路連接，充電電壓檢測電路與AD轉(zhuǎn)換電路連接。單片機最小系統(tǒng)電路中安裝有控制程序。

上述充電電壓檢測電路中，電位器RW6的一固定端2腳與可調(diào)端3腳相連后分別接電阻R10的一端、放大器U12A同相輸入端3腳，電阻R10的另一端接隔離地G，放大器U12A的反相輸入端2腳與輸出端1腳相連后接電阻R9的一端，放大器U12A的供電端8腳接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，放大器U12A的接地端4腳接隔離地G，電阻R9的另一端分別接放大器U7的同相輸入端3腳、二極管D1的負極、二極管D2的正極，放大器U7的一個調(diào)零端1腳接電位器RW5的一個固定端2腳，放大器U7的另一個調(diào)零端8腳接電位器RW5的另一個固定端1腳，電位器RW5的調(diào)節(jié)端3腳分別與放大器U7的供電正端7腳、二極管D2的負極相連后接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，放大器U7的供電負端4腳與二極管D1的正極相連后接輔助供電電路中隔離側(cè)的內(nèi)部供電負端-12V1，放大器U7的反相輸入端2腳與輸出端6腳相連后接電阻R15的一端， 放大器U6的一個調(diào)零端1腳接電位器RW4的一個固定端2腳，放大器U6的另一個調(diào)零端8腳接電位器RW4的另一個固定端1腳，電位器RW4的調(diào)節(jié)端3腳與放大器U6的供電正端7腳相連后接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，放大器U6的供電負端4腳接輔助供電電路中隔離側(cè)的內(nèi)部供電負端-12V1，放大器U6的同相輸入端3腳接隔離地G，放大器U6的反相輸入端2腳分別接電容C20的一端、電阻R15的另一端、線性光電耦合器U8中光電管1的陰極3腳，放大器U6的輸出端6腳分別接電阻R14的一端、電容C20的另一端，電阻R14的另一端接線性光電耦合器U8中發(fā)光管的陰極1腳，線性光電耦合器U8中發(fā)光管的陽極2腳接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，線性光電耦合器U8中光電管1的陽極4腳接隔離地G，線性光電耦合器U8中光電管2的陽極5腳接控制地，線性光電耦合器U8中光電管2的陰極6腳分別接電阻R12和電容C19的一端、放大器U5的反相輸入端2腳，電位器RW3的一個固定端1腳與調(diào)節(jié)端3腳相連，電阻R12的另一端接電位器RW3的另一個固定端2腳，放大器U5的同相輸入端3腳接控制地，放大器U5的輸出端6腳分別接電阻R8的一端、電容C19的另一端、電位器RW3的一個固定端1腳，放大器U5的一個調(diào)零端1腳接電位器RW2的一個固定端2腳，放大器U5的另一個調(diào)零端8腳接電位器RW2的另一個固定端1腳，電位器RW2的調(diào)節(jié)端3腳與放大器U5的供電正端7腳相連后接輔助供電電路中控制側(cè)內(nèi)部供電正端+12V2，放大器U5的供電負端4腳接輔助供電電路中控制側(cè)內(nèi)部供電負端-12V2，電阻R8的另一端接AD轉(zhuǎn)換電路中AD芯片U3的模擬量輸入端2腳。

上述PWM充電電路中，光電耦合器U11的輸入二極管陽極1腳通過電阻R17接輔助供電電路中控制側(cè)內(nèi)部供電端VCC，光電耦合器U11的輸入二極管陰極2腳接單片機最小系統(tǒng)電路中單片機U10的P1.7口59腳，光電耦合器U11輸出三極管的發(fā)射極3腳接隔離地G，光電耦合器U11輸出三極管的集電極4腳分別接電阻R18的一端、MOS三極管T1的柵極，電阻R18的另一端接輔助供電電路中隔離側(cè)內(nèi)部供電正端+12V1，MOS三極管T1的源極接隔離地G，電感L7的一端接輔助供電電路中光伏組件輸出電壓+Vin，電感L7的另一端分別接二極管D3的正極、MOS三極管T1的漏極，二極管D3的負極分別接電容C24的正極、充電電壓檢測電路中電位器RW6的另一固定端1腳，并作為充電電壓Vbat端，電容C24的另一端接隔離地G。

光電耦合器U8的型號為：HCNR201；

MOS三極管T1的型號為：6N15；

集成運算放大器U5、U6、U7型號為：OP07A；

集成運算放大器U12A的型號為：LM358

AD芯片U3的型號為：ADC1864；

DA芯片U4的型號為：DAC7614。

如圖3所示，一種基于CIGS薄膜組件充電控制電路的控制方法，步驟如下：

第一步、PWM充電電路的輸出端Vbat連接外部的蓄電池，檢測當前蓄電池電壓Vbat。

第二歩、分析蓄電池現(xiàn)在所處的狀態(tài)，欠壓時需要較大電壓充電，充電中間過沖需要較小電壓充電，單片機最小系統(tǒng)電路中單片機U10計算出充電電壓V1和升壓步長Vs，使用充電電壓和時間的公式為：，

其中Vu是充電滿的終止電壓，步長Vs=(Vu-Vbat)/t，假設(shè)蓄電池充電滿的終止電壓為27V，當前蓄電池的電壓為23V，充電時間為1小時，帶入到上述公式中計算出充電電壓V1約為25.7V。

第三步、計算出電壓V1所需要的脈沖寬度和輸出頻率，使用boost電路占空比計算公式，

其中占空比即為脈沖寬度D=（V1-Vbat）/V1,Ton為開啟時間，Toff為截止時間，輸出頻率f=1/(Ton+Toff)。

第四歩、輸出脈沖信號給PWM充電電路。

第五步、加入微擾脈沖信號給PWM充電電路。

第六步、加上微擾脈沖信號之后，檢測PWM充電電路輸出電壓Ｖ2。

第七步、判斷V2是否大于V1且V2－V1的絕對值大于步長Vs，若條件成立，則繼續(xù)增加微擾脈沖。

第八步、當上述條件不成立時，PWM充電電壓Ｖ2作為蓄電池的充電電壓。

程序設(shè)計中，需要將蓄電池充電的微擾電壓與脈沖頻率相匹配。當該微擾電壓值變大時，脈沖頻率要降低，這樣才能保證所找到的最大功率點與理想值最接近；反之，當微擾電壓值變小時，脈沖頻率需增高，這樣才能縮短尋找最大功率點的時間。

工作原理：

輔助供電電路中，使用太陽能電池發(fā)電通過模塊電源M1得到+12V1電壓，通過模塊電源M2得到-12V1電壓，給集成運放U6，U7，U12A等供電。太陽能電池發(fā)電后經(jīng)過電源模塊M3隔離降壓到VCC（+5V），之后通過三端穩(wěn)壓控制器U1得到VCC3V3（+3.3V）給單片機U10供電。太陽能電池發(fā)電通過模塊電源M4得到隔離+12V2電壓，通過模塊電源M5得到隔離-12V2電壓，給集成運放U5等供電。

在充電電壓檢測電路中，對蓄電池的電壓Vbat采樣，經(jīng)過電位器RW6和電阻R10分壓后，通過集成運放U12A電壓跟隨后，經(jīng)集成運放U5、U6、U7將跟隨的電壓進行隔離比例運算得到模擬信號ADin，該模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換電路中的AD芯片U4，作為單片機最小系統(tǒng)電路中單片機U10的模擬量輸入信號。

太陽能電池對蓄電池的充電模式一共可分為4種，強輻射強電量模式，強輻射電量模式，弱輻射強電量模式，弱輻射弱電量模式。當蓄電池的電量充足時，若太陽能電池繼續(xù)充電，將會造成電池的過充，對蓄電池的壽命將有影響，所以需要關(guān)斷蓄電池的充電通路；當蓄電池電量不足，而太陽能電池處在強輻射模式時，太陽能電池對蓄電池的充電電壓過高，將會引起蓄電池的損壞；當蓄電池電量不足，而太陽能電池的也處在弱輻射模式時，太陽能電池就可以直接對他進行充電，所以，針對不同的充電模式，單片機內(nèi)部需用軟件對其整個過程進行調(diào)節(jié)，即PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)節(jié)，使太陽能電池對蓄電池的充電達到恒壓充電的目的。PWM充電電路中Ｖbat端為蓄電池電量檢測端，通過調(diào)整單片機 P1.7的通斷時間，控制輸出給蓄電池供電，反饋回來的充電電壓通過單片機計算出所需要的實際電壓值，而為了尋找最大功率點則需要加一個微擾電壓，此時的輸出電壓為，當加入微擾之后的輸出電壓和上一次檢測到的電壓進行比較，比較之后的值如果比之前大且超過設(shè)定的電壓差值則朝著正值增大，相反則將微擾值設(shè)為負值，設(shè)定電壓通過單片機P1.7的導(dǎo)通時間改變光耦U11的導(dǎo)通時間，太陽能電池提供的電壓+Vin通過電感L7、MOS三極管T1、二極管D3以及電容C24等構(gòu)成boost升壓電路，充電電壓隨著光耦U11的導(dǎo)通時間而改變，可以保證在不同電壓模式下進行充電。