專利名稱：一種高效率的太陽能充電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種充電裝置，特別涉及一種效率的太陽能充電裝置。
背景技術：
隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源短缺的問題已經(jīng)日益嚴重，如何提高能源的利用率的問題已經(jīng)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(jīng)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，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)明內容本實用新型是針對現(xiàn)在太陽能充電裝置受輸入電壓影響大，充電效率不高的不足問題，提出了一種高效率的太陽能充電裝置，以DC-DC變換電路為整個裝置的核心，可根據(jù)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。本實用新型的技術方案為一種高效率的太陽能充電裝置，包括單片機、光電轉換輸入、啟動電路、DC-DC變換電路、電池、電壓采集放大模塊，太陽能光電轉換后的直流電壓對整個裝置供電，光電轉換輸入一部分進入啟動電路，啟動電路輸出給單片機提供工作電源；另一部分輸入到DC-DC變換模塊；和電池相連的采樣電阻經(jīng)過電壓采集放大電路放大后送單片機AD模塊轉換，單片機根據(jù)采樣電阻的電壓值得出電池充電電流，通過算法控制、計算調節(jié)單片機輸出PWM波的占空比，單片機輸出PWM波的占空比控制信號到DC-DC變換模塊，DC-DC變換模塊輸出給電池充電，進而實時調整充電效率。所述啟動電路包括檢測電路和兩路DC-DC模塊電路，光電轉換輸入的0 20V直流電，經(jīng)過檢測電路檢測電壓選擇導通DC-DC模塊電路，低電壓通過基于2108AG芯片的DC-DC模塊電路升壓輸出5V的穩(wěn)定電壓；高電壓通過基于LM2596的DC-DC模塊輸出5V的穩(wěn)定電壓。所述DC-DC變換模塊包括Boost升壓電路和Buck降壓電路，單片機根據(jù)所需電壓值切換升降壓電路，并輸出的PWM的占空比輸出到DC-DC變換模塊中的場效應管控制端，控制場效應管的導通時間與夾斷時間。所述電壓采集放大模塊包括采樣電阻和電壓采集放大電路，單片機通過AD采集經(jīng)過放大電路的采樣電阻的電壓值，采樣電阻采集的電壓為毫伏級。本實用新型的有益效果在于本實用新型高效率的太陽能充電裝置，與現(xiàn)有技術相比，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。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是本實用新型高效率的太陽能充電裝置結構示意圖；圖2是本實用新型高效率的太陽能充電裝置中啟動電路圖；圖3是本實用新型高效率的太陽能充電裝置中Boost升壓電路圖；圖4是本實用新型高效率的太陽能充電裝置中Buck降壓電路圖；圖5是本實用新型高效率的太陽能充電裝置中電壓放大采集模塊的電路圖；圖6是本實用新型高效率的太陽能充電裝置中程序流程圖。
具體實施方式
如圖I所示高效率的太陽能充電裝置結構示意圖，高效率的太陽能充電裝置包括單片機I、光電轉換輸入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。太陽能光電轉換后的直流電壓對整個裝置供電。光電轉換輸入一部分進入啟動電路，另一部分輸入到DC-DC變換模塊，同時對電池部分的ー個米樣電阻進行實時米樣,經(jīng)過電壓米集放大電路放大后送計算機AD模塊轉換，單片機根據(jù)采樣的數(shù)值，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，從而輸出控制信號調整DC-DC變換電路4輸出，DC-DC變換電路4輸出給電池充電，進而實時調整充電效率。如圖2所示啟動電路圖，其作用是為基于單片機的控制電路模塊供電。光電轉換輸入的電壓范圍為0 20V,控制電路部分需要的輸入電壓為5V,故要進行對光電轉換輸入的電壓進行降壓或升壓，當光電轉換輸入電壓低于5V時，使用2108AG芯片給控制系統(tǒng)供電，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。而光電轉換輸入電壓可以達到20V，所以在電壓大于5V時，用基于LM2596的DC-DC模塊來為系統(tǒng)提供工作電壓。檢測電路采用低電壓啟動MOSFET來自動檢測(類似于繼電器)光電轉換輸入電壓并選擇自動選擇相應的2108AG升壓通道或者LM2596降壓通道來給控制系統(tǒng)供電。既此模塊可以保證無論光電轉換輸入的電壓是高是低，都可以輸出5V的穩(wěn)定電壓給控制系統(tǒng)供電，控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作以后，可以控制后級的BUCK、BOOST大功率升級壓電路給負載提供最大功率電能。根據(jù)負載獲取最大功率定律，當信號源的內阻與負載內阻相等時，負載可以從信號源獲取最大功率。所以對于同樣的負載時，信號源不同，獲取最大功率的電壓也不同，光伏太陽能電池就是ー個內阻在不斷變化、電壓不斷變化的信號源，所以需要實時調節(jié)負載的電壓來滿足最大功率定律，當光伏電池電壓較低時，而輸出給負載電壓要大于光伏電池電壓時，采用升壓，當光伏電池壓高時，而輸出給負載的電壓要小于光伏電池電壓，要使用降壓電路?？刂葡到y(tǒng)自動根據(jù)轉換點切換升降壓電路，并在輸出不同的PWM波來控制升壓、降壓電路的幅度，使輸出功率最大。如圖3和圖4所示Boost升壓電路和Buck降壓電路圖，兩者共同構成DC-DC變換模塊。Boost升壓電路中開關管導通時，電源經(jīng)由電感ー開關管形成回路，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(jīng)由ニ極管-負載形成回路，完成升壓功能。Buck降壓電路中電源通過ー個電感給負載供電，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)。如圖5所示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(jīng)計算此時采樣電阻上分得電壓為毫伏級，需經(jīng)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(jù)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 Ps= Pss + Pt + Pe ( Pj■為電源
輸出功率為電源內阻消耗功本，P，為直流變換器上的損耗功率，p(-為充電功率)則可知A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(jù)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。如圖6所示程序流程圖。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)中常用的方法一一最大功率點跟蹤(MPPT)。每次單片機在輸出ー個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。
權利要求1.一種高效率的太陽能充電裝置，其特征在于，包括單片機、光電轉換輸入、啟動電路、DC-DC變換電路、電池、電壓采集放大模塊，太陽能光電轉換后的直流電壓對整個裝置供電，光電轉換輸入一部分進入啟動電路，啟動電路輸出給單片機提供工作電源；另一部分輸入到DC-DC變換模塊；和電池相連的采樣電阻經(jīng)過電壓采集放大電路放大后送單片機AD模塊轉換，單片機根據(jù)采樣電阻的電壓值得出電池充電電流，通過算法控制、計算調節(jié)單片機輸出PWM波的占空比，單片機輸出PWM波的占空比控制信號到DC-DC變換模塊，DC-DC變換模塊輸出給電池充電，進而實時調整充電效率。
2.根據(jù)權利要求I所述高效率的太陽能充電裝置，其特征在于，所述啟動電路包括檢測電路和兩路DC-DC模塊電路，光電轉換輸入的O 20V直流電，經(jīng)過檢測電路檢測電壓選擇導通DC-DC模塊電路，低電壓通過基于2108AG芯片的DC-DC模塊電路升壓輸出5V的穩(wěn)定電壓；高電壓通過基于LM2596的DC-DC模塊輸出5V的穩(wěn)定電壓。
3.根據(jù)權利要求I所述高效率的太陽能充電裝置，其特征在于，所述DC-DC變換模塊包括Boost升壓電路和Buck降壓電路，單片機根據(jù)所需電壓值切換升降壓電路，并輸出的PWM的占空比輸出到DC-DC變換模塊中的場效應管控制端，控制場效應管的導通時間與夾斷時間。
4.根據(jù)權利要求I所述高效率的太陽能充電裝置，其特征在于，所述電壓采集放大模塊包括采樣電阻和電壓采集放大電路，單片機通過AD采集經(jīng)過放大電路的采樣電阻的電壓值，采樣電阻采集的電壓為毫伏級。
專利摘要本實用新型涉及一種高效率的太陽能充電裝置，光電轉換后的直流電壓對整個裝置供電，光電轉換輸入一部分進入啟動電路，啟動電路輸出給單片機提供工作電源；另一部分輸入到DC-DC變換模塊；電池的一個采樣電阻實時采樣電池電壓，經(jīng)過電壓采集放大電路放大后送單片機AD模塊轉換，單片機根據(jù)采樣的數(shù)值，通過算法控制、計算調節(jié)單片機輸出PWM波的占空比，單片機輸出可控占空比的PWM波作為DC-DC變換模塊的控制信號，DC-DC變換模塊輸出為電池充電，進而實時調整充電效率。裝置會自動調整使充電效率達到最大，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。
文檔編號H02J7/00GK202524145SQ20122019871
公開日2012年11月7日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權日2012年5月7日
發(fā)明者崔以田, 楊光, 祖軍, 魯湛 申請人:上海理工大學