專利名稱：高效率的太陽能充電裝置及其充電方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能充電技術領域，涉及一種充電裝置，尤其涉及一種高效率的太陽能充電裝置；同時，本發(fā)明還涉及一種高效率的太陽能充電裝置的充電方法。
背景技術：
隨著全球經濟的飛速發(fā)展，能源短缺的問題已經日益嚴重，如何提高能源的利用率的問題已經逐漸成為各個領域研究和發(fā)展的方向。高效的能源利用率設備為節(jié)約能源，緩解能源短缺起到了重大作用?，F(xiàn)有的電能收集充電裝置自身結構已經固定，只能對于特定的輸入電壓做出最出·特定的電壓輸出，且自身的充電效率不高，無法適用于輸入電壓不固定的場合。光電轉換器件自身的輸出電壓隨光照強度變化而波動較大，無法直接作為充電使用。有鑒于此，為了適應于充電和提高充電效率，就有必要利用單片機等智能芯片技術對充電裝置進行改造。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種高效率的太陽能充電裝置，可根據充電電壓自動調整DC-DC變換電路使充電效率達到最高，能較好地適用于光照不穩(wěn)定導致的光電轉換模塊輸入電壓波動較大情況下的高效率電能收集充電。此外，本發(fā)明還提供一種高效率的太陽能充電裝置的充電方法，可根據充電電壓自動調整DC-DC變換電路使充電效率達到最高，能較好地適用于光照不穩(wěn)定導致的光電轉換模塊輸入電壓波動較大情況下的高效率電能收集充電。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案一種高效率的太陽能充電裝置，所述充電裝置包括控制器、啟動電路、DC-DC變換電路、充電終端電池、和光電轉換輸入模塊；所述控制器分別連接啟動電路、DC-DC變換電路，光電轉換輸入分別連接啟動電路、DC-DC變換電路；所述DC-DC變換電路包括降壓拓撲單元和升壓拓撲單元；所述控制器獲取光電轉換輸入模塊的電壓值，根據光電轉換輸入模塊電壓值的不同，控制DC-DC變換電路使用降壓拓撲單元或升壓拓撲單元對所述充電終端電池進行充電；所述控制器的PWM功能引腳輸出不同占空比的PWM波，來控制DC-DC變換電路中場效應管的導通時間與夾斷時間，從而控制DC-DC變換電路中電感蓄能的大小，最終改變DC-DC變換電路的輸出電壓值。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述充電裝置還包括電壓放大采集模塊，充電終端電池分別連接DC-DC變換電路、電壓放大采集模塊；所述控制器的ADC弓丨腳通過電壓采集放大模塊對充電電壓進行采樣，由控制器控制DC-DC變換電路升壓或是降壓的幅度，調整充電效率。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述充電裝置需要低電壓啟動和高電壓運行，使用不同的DC-DC電路作為啟動電路，進行低電壓啟動和高壓運行，DC-DC電路輸出直流電給控制器供電。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述升壓拓撲單元為Boost升壓拓撲單元，降壓拓撲單元為Buck降壓拓撲單元；所述Boost升壓拓撲單元中開關管導通時，電源經由電感、開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端一負一正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管、負載形成回路，完成升壓功能；所述Buck降壓電路中電源通過一個電感給負載供電，同時電感儲存部分能量，然后將電源斷開，只由電感給負載供電；如此周期性的工作，通過調節(jié)電源接通的相對時間，來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。一種上述高效率的太陽能充電裝置的充電方法，所述方法包括如下步驟·步驟SI、控制器獲取光電轉換輸入模塊的電壓值；步驟S2、根據光電轉換輸入模塊電壓值的不同，控制DC-DC變換電路使用降壓拓撲單元或升壓拓撲單元對充電終端電池進行充電；控制方法為控制器的PWM功能引腳輸出不同占空比的PWM波，來控制DC-DC變換電路中場效應管的導通時間與夾斷時間，從而控制DC-DC變換電路中電感蓄能的大小，最終改變DC-DC變換電路的輸出電壓值。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟SI中，控制器的ADC引腳通過電壓采集放大模塊對充電電壓進行采樣，由控制器控制DC-DC變換電路升壓或是降壓的幅度。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述充電裝置需要低電壓啟動和高電壓運行，使用不同的DC-DC電路作為啟動電路，進行低電壓啟動和高壓運行，DC-DC電路輸出直流電給控制器供電。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟S2包括所述Boost升壓拓撲單元中開關管導通時，電源經由電感、開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端一負一正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管、負載形成回路，完成升壓功能。所述Buck降壓電路中電源通過一個電感給負載供電，同時電感儲存部分能量，然后將電源斷開，只由電感給負載供電；如此周期性的工作，通過調節(jié)電源接通的相對時間，來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述方法還包括步驟S3、控制器對充電終端電池部分的一個采樣電阻進行實時采樣，獲得實時的充電效率以反饋給控制器，通過算法控制、計算調節(jié)控制器輸出PWM波的占空比，決定升壓或是降壓的幅度，從而調整DC-DC變化電路，進而實時調整充電效率。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出的高效率的太陽能充電裝置及其充電方法，不必擔心光電轉換輸入的電壓值變化的問題，整套裝置會自動調整使充電效率達到最大。本發(fā)明充電裝置自身具有充電效率高，穩(wěn)定性好等特點，可對光電轉換器件輸出的電能進行高效率地收集利用。
圖I是本發(fā)明充電裝置的組成示意圖。
圖2是本發(fā)明充電裝置中啟動電路的電路圖。圖3是本發(fā)明充電裝置中Boost升壓電路的電路圖。圖4是本發(fā)明充電裝置中Buck降壓電路的電路圖。圖5是本發(fā)明充電裝置中電壓放大采集模塊的電路圖。圖6是本發(fā)明充電裝置中的程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
實施例一請參閱圖1，本發(fā)明揭示了一種高效率的太陽能充電裝置，包括單片機I、光電轉換輸入模塊2、啟動電路3、DC-DC變換電路4、電池5、電壓采集放大模塊6。所述DC-DC變換電路4包括降Buck降壓電路和Boost升壓電路。由光電轉換輸入模塊2的直流電壓對整個充電裝置供電。單片機I獲取光電轉換輸入模塊2的電壓值，單片機I經過分析電壓后，根據光電轉換輸入模塊2電壓值的不同，控制DC-DC變換電路4使用Buck降壓電路和Boost升壓電路對輸入電壓進行DC-DC變換。具體地，單片機I的ADC引腳通過電壓采集放大模塊對充電電壓進行采樣，由控制器控制DC-DC變換電路升壓或是降壓的幅度，調整充電效率。同時，單片機I使用AD對電池5部分的一個采樣電阻進行實時采樣，獲得實時的充電效率以反饋給單片機1，通過算法控制、計算調節(jié)單片機輸出PWM波的占空比，決定升壓或是降壓的幅度，從而調整DC-DC變化電路，進而實時調整充電效率。單片機I的PWM功能引腳輸出不同占空比的PWM波，來控制DC-DC變換電路中場效應管的導通時間與夾斷時間，從而控制DC-DC變換電路中電感蓄能的大小，最終改變DC-DC變換電路的輸出電壓值。請參閱圖2，圖2是本發(fā)明啟動電路的電路圖。光電轉換輸入模塊2的電壓范圍為(T20V，控制電路部分為5V，故要進行對輸入電壓進行降壓或升壓，2108AG的工作電壓比較低,0. 7V就可以工作,故適合作為低電壓的啟動電路。而光電轉換輸入模塊的電壓可以達到20V，所以在高電壓的時候，用LM2596來為系統(tǒng)提供工作電壓。由于通過控制電路自動控制輸入電壓范圍比較困難，故通過檢測輸入電壓來提醒是否要進行切換啟動電路。圖中的兩個開關為繼電器，默認和下方2108AG電路相連，系統(tǒng)在輸入電壓0. 7V左右即可啟動工作，然后由主芯片檢測輸入電壓，當輸入電壓大于電池充電電壓時，主芯片控制繼電器動作，切換至上方LM2596芯片的電路為整個系統(tǒng)供電。請參閱圖3、圖4，圖3是本發(fā)明的Boost升壓電路的電路圖，圖4為Buck降壓電路的電路圖。Boost升壓電路中開關管導通時，電源經由電感-開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管-負載形成回路，完成升壓功能。Buck降壓電路中電源通過一個電感給負載供電，同時電感儲存一部分能量，然后將電源斷開，只由電感給負載供電。如此周期性的工作，通過調節(jié)電源接通的相對時間，來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。請參閱圖5，圖5是本發(fā)明的電壓放大采集模塊的電路圖。單片機通過采集系統(tǒng)回路上采樣電阻的電壓值，由歐姆定律得出充電電流，從而計算出此時的充電功率。為了減少采樣電阻對整體系統(tǒng)的影響，所以采樣電阻上獲得的功率必須遠小于充電功率，經計算此時采樣電阻上分得電壓為毫伏級，需經過放大后通過AD采樣，再送與單片機控制。系統(tǒng)由MSP430單片機通過AD采樣值和對PWM占空比調制來監(jiān)測和控制系統(tǒng)運行。DC-DC變換電路的輸出電壓值由單片機的PWM控制，根據PWM的占空比不同，則對應直流變換電路中場效應管的導通時間與夾斷時間不同，從而控制變換器電路中電感蓄能的大小,最終改變輸出電壓值，從而改變充電電流的大小，即充電的功率，而充電的功率滿足等式PE=PKs+Pt+P。(PE為電源輸出功率，Pks為電源內阻消耗功率，Pt為直流變換器上的損耗功率，P。為充電功率)則可知P。有最大值，所以必須通過單片機對采樣電阻上電壓進行實時采集，根據采樣電阻的阻值換算出充電功率，再通過單片機反饋調節(jié)PWM的占空比，從而使充電功率保持在最大值，即最大限度提高光電轉換輸出功率的利用率。參閱圖6，圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)程序流程圖。為了提高系統(tǒng)的工作效率，降低功耗，就需要以盡可能的大的功率充電。所以采用光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的方法——最大功率點跟蹤(MPPT)。每次單片機在輸出一個PWM信號就采樣充電電流，將其和前一次比較，以此決定PWM的占空比是增加還是減小，最終找到系統(tǒng)工作的最大功率點。當光電轉換輸入模塊的電壓在一段時間內變化很微弱時，單片機實時地對電路進行控制就沒有必要了，而且那 樣只會使系統(tǒng)的功耗增加。所以當系統(tǒng)工作在最大充電電流以后就讓單片機進入低功耗模式。每隔IS中斷喚醒，判斷系統(tǒng)的電壓是否安全，以及是否工作在最大充電電流；如果不是則進行PWM調整。以上介紹了本發(fā)明高效率的太陽能充電裝置的組成，本發(fā)明在揭示上述充電裝置的同時，還揭示上述高效率的太陽能充電裝置的充電方法，所述方法包括如下步驟步驟SI控制器獲取光電轉換輸入模塊的電壓值?？刂破鞯腁DC引腳通過電壓采集放大模塊對充電電壓進行采樣，以此來控制DC-DC變換電路升壓或是降壓的幅度。步驟S2根據光電轉換輸入模塊電壓值的不同，控制DC-DC變換電路使用降壓拓撲單元或升壓拓撲單元對充電終端電池進行充電?？刂品椒槭紫让讟庸怆娹D換輸入的電壓，若小于電池充電電壓，直接切換至升壓電路，若大于電池充電電壓則根據情況使用升壓或者降壓電路?？刂破鞯腜WM功能引腳輸出不同占空比的PWM波，來控制DC-DC變換電路中場效應管的導通時間與夾斷時間，從而控制DC-DC變換電路中電感蓄能的大小，最終改變DC-DC變換電路的輸出電壓值。此外，所述充電裝置需要低電壓啟動和高電壓運行，使用兩套不同的DC-DC啟動電路，進行低電壓啟動和高壓運行，DC-DC啟動電路輸出直流電給控制器供電。具體地，所述Boost升壓拓撲單元中開關管導通時，電源經由電感、開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端一負一正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管、負載形成回路，完成升壓功能。所述Buck降壓電路中電源通過一個電感給負載供電，同時電感儲存部分能量，然后將電源斷開，只由電感給負載供電；如此周期性的工作，通過調節(jié)電源接通的相對時間，來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。步驟S3調節(jié)DC變化模塊的算法邏輯為控制器對充電終端電池部分的一個采樣電阻進行實時采樣，若電阻兩端獲得的電壓最大，也就是其通過的電流最大時，則認為充電效率最高。當光電輸入電壓小于電池充電電壓時，啟動DC-DC變換電路內的升壓電路，PWM波的占空比依次從0%變換100%逐次控制升壓幅度，比較每個變換點的采樣電阻的電壓，尋找使采樣電阻的電壓最大的PWM的占空比點，即為最大功率點。當光電輸入電壓大于電池充電電壓2倍時，啟動DC-DC變換電路內的降壓電路，PWM波的占空比依次從50%變換100%逐次控制降壓幅度，比較每個變換點的采樣電阻的電壓，尋找使采樣電阻的電壓最大的PWM的占空比點，即為最大功率點。當光電輸入電壓大于電池充電電壓且小于電池充電電壓2倍時，首先啟動DC-DC變換電路內的降壓電路，PWM波的占空比依次從50%變換100%逐次控制降壓幅度，首先啟動DC-DC變換電路內的升壓電路，PWM波的占空比依次從0%變換50%逐次控制降壓幅度比較每個變換點的采樣電阻的電壓，尋找使采樣電阻的電壓最大的升壓或者降壓的PWM的占空比點，即為最大功率點。至實時的充電效率以反饋給控制器，通過如上算法控制、計算調節(jié)控制器輸出PWM波的占空比，決定升壓或是降壓的幅度，從而調整DC-DC變化電路，進而實時調整充電效率。綜上所述，本發(fā)明提出的高效率的太陽能充電裝置及其充電方法，不必擔心光電轉換輸入的電壓值變化的問題，整套裝置會自動調整使充電效率達到最大。本發(fā)明充電裝置自身具有充電效率高，穩(wěn)定性好等特點，可對光電轉換器件輸出的電能進行高效率地收集利用。
這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。
權利要求
1.一種高效率的太陽能充電裝置，其特征在于，所述充電裝置包括控制器、啟動電路、DC-DC變換電路、充電終端電池、和光電轉換輸入模塊； 所述控制器分別連接啟動電路、DC-DC變換電路，光電轉換輸入分別連接啟動電路、DC-DC變換電路； 所述DC-DC變換電路包括降壓拓撲單元和升壓拓撲單元；所述控制器獲取光電轉換輸入模塊的電壓值，根據光電轉換輸入模塊電壓值的不同，控制DC-DC變換電路使用降壓拓撲單元或升壓拓撲單元對所述充電終端電池進行充電； 所述控制器的PWM功能引腳輸出不同占空比的PWM波，來控制DC-DC變換電路中場效應管的導通時間與夾斷時間，從而控制DC-DC變換電路中電感蓄能的大小，最終改變DC-DC變換電路的輸出電壓值。
2.根據權利要求I所述的高效率的太陽能充電裝置，其特征在于 所述充電裝置還包括電壓放大采集模塊，充電終端電池分別連接DC-DC變換電路、電壓放大采集模塊； 所述控制器的ADC引腳通過電壓采集放大模塊對充電電壓進行采樣，由控制器控制DC-DC變換電路升壓或是降壓的幅度，調整充電效率。
3.根據權利要求2所述的高效率的太陽能充電裝置，其特征在于 所述控制器還用以對充電終端電池部分的一個采樣電阻進行實時采樣，獲得實時的充電效率以反饋給控制器，通過算法控制、計算調節(jié)控制器輸出PWM波的占空比，決定升壓或是降壓的幅度，從而調整DC-DC變換電路，進而實時調整充電效率。
4.根據權利要求I所述的高效率的太陽能充電裝置，其特征在于 所述充電裝置需要低電壓啟動和高電壓運行，使用兩套不同的DC-DC啟動電路，進行低電壓啟動和高壓運行，DC-DC啟動電路輸出直流電給控制器供電。
5.根據權利要求I所述的高效率的太陽能充電裝置，其特征在于 所述升壓拓撲單元為Boost升壓拓撲單元，降壓拓撲單元為Buck降壓拓撲單元； 所述Boost升壓拓撲單元中開關管導通時，電源經由電感、開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端一負一正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管、負載形成回路，完成升壓功能； 所述Buck降壓電路中電源通過一個電感給負載供電，同時電感儲存部分能量，然后將電源斷開，只由電感給負載供電；如此周期性的工作，通過調節(jié)電源接通的相對時間，來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。
6.一種權利要求I所述高效率的太陽能充電裝置的充電方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 步驟SI、控制器獲取光電轉換輸入模塊的電壓值； 步驟S2、根據光電轉換輸入模塊電壓值的不同，控制DC-DC變換電路使用降壓拓撲單元或升壓拓撲單元對充電終端電池進行充電；控制方法為控制器的PWM功能引腳輸出不同占空比的PWM波，來控制DC-DC變換電路中場效應管的導通時間與夾斷時間，從而控制DC-DC變換電路中電感蓄能的大小，最終改變DC-DC變換電路的輸出電壓值。
7.根據權利要求6所述的充電方法，其特征在于 所述步驟SI中，控制器的ADC引腳通過電壓采集放大模塊對充電電壓進行采樣，由控制器控制DC-DC變換電路升壓或是降壓的幅度。
8.根據權利要求6所述的充電方法，其特征在于 所述步驟S2包括 所述Boost升壓拓撲單元中開關管導通時，電源經由電感、開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端一負一正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管、負載形成回路，完成升壓功能； 所述Buck降壓電路中電源通過一個電感給負載供電，同時電感儲存部分能量，然后將電源斷開，只由電感給負載供電；如此周期性的工作，通過調節(jié)電源接通的相對時間，來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)。
9.根據權利要求6所述的充電方法，其特征在于 所述方法還包括步驟S3、控制器對充電終端電池部分的一個采樣電阻進行實時采樣，獲得實時的充電效率以反饋給控制器，同時采樣光電轉換的輸入電壓和電池所需的充電電壓做比較，確定切換至升壓電路還是降壓電路，通過算法控制、計算調節(jié)控制器輸出PWM波的占空比，決定升壓或是降壓的幅度，從而調整DC-DC變化電路，進而實時調整充電效率。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種高效率的太陽能充電裝置及其充電方法，充電裝置包括控制器、啟動電路、DC-DC變換電路、充電終端電池和光電轉換輸入模塊；控制器分別連接啟動電路、DC-DC變換電路，光電轉換輸入分別連接啟動電路、DC-DC變換電路；控制器獲取光電轉換輸入模塊的電壓值，根據光電轉換輸入模塊電壓值的不同，控制DC-DC變換電路使用降壓拓撲單元或升壓拓撲單元對充電終端電池進行充電。本發(fā)明提出的高效率的太陽能充電裝置及其充電方法，不必擔心光電轉換輸入的電壓值變化的問題，整套裝置會自動調整使充電效率達到最大。本發(fā)明充電裝置自身具有充電效率高、穩(wěn)定性好等特點，可對光電轉換器件輸出的電能進行高效率地收集利用。
文檔編號H01M10/44GK102904302SQ20121037642
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2012年9月28日
發(fā)明者楊光, 祖軍, 魯湛, 崔以田 申請人:上海理工大學