光伏脉冲电荷转移充电控制器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了光伏脉冲电荷转移充电控制器及其控制方法，其包括电荷存储器、开关管K、控制器模块以及电荷存储器和蓄电池荷电端电压检测装置；其中电荷存储器与光伏电池并联，电力电子开关K与蓄电池串联后与电荷存储器并联，控制器通过检测电力电子开关K两端的电压给开关K发出控制信号，以解决现有光伏发电蓄电池充电技术的效率和蓄电池保护问题。本发明的电路拓扑只有一个开关管，不含有电感类器件，因此本技术具有结构简单，充电效率高，能够充分利用光伏能量，有效限制蓄电池的充电温升，延长蓄电池的使用寿命。本发明基于电荷转移的脉冲充电技术，能够解决上述问题，以实现各种状况下对铅酸蓄电池的高效和无损充电。
【专利说明】光伏脉冲电荷转移充电控制器及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及光伏充电【技术领域】，具体为一种光伏脉冲电荷转移充电控制器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]蓄电池充电主要有三种极化，欧姆极化，浓差极化，电化学极化。根据电化学基本原理知道，铅酸电池充电时，在发生析气前，其极化主要是电化学极化和离子的浓差极化，电化学极化导致不能析H2和析02，浓差极化的结果，导致电池开路电压升高、电池温升高(更恰切地讲电极的温升)、充电效率低以及过早地进入析气反应。一般来说，电流密度加大，电池的三种极化都加大，但电化学极化对铅酸电池金属电极来讲，影响不大，而对抑制析4，析O2的析气反应是有利的。一个合理的蓄电池充电器应当具备:1)适当大的电流充电密度；2)有效的消除和降低浓差极化；3)有效地扩散聚集在电极上因极化而产生的热量。
[0003]光伏电源具有随机不可控性，传统的一些充电技术包括浮充技术、恒流充电、恒压充电、恒压限流充电技术、限压恒流充电技术、分阶段充电技术都是建立在电源恒可控的基础上，如果将传统的技术直接运用于光伏充电技术，当光照强度不足时，蓄电池的充电电流就会很小。若此状态持续比较久，会使得蓄电池内部反应的微粒过细，会降低蓄电池的使用寿命。
[0004]现有光伏发电的蓄电池充电技术中，存在的问题有:1)常规充电时间长；2)大电流充电时，电池浓差极化大，电池温度高，对蓄电池有损伤；3)光照强度比较弱时，光伏充电器难以对蓄电池进行有效充电。
[0005]总而言之，传统的充电技术难以适应光伏电源的特性，无法简单有效的去除蓄电池充电时的浓差极化，保证电池充电温升小。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有充电技术中存在的问题，在充分考虑光伏电源的特点的基础上，提出光伏脉冲电荷转移充电控制器及其控制方法，可以有效的去除浓差极化，保证电池温升小，在光照不足的情况下也能有大的电流密度充电，提高太阳能的利用效率。
[0007]本发明通过以下的技术方案实现的:
[0008]—种光伏脉冲电荷转移充电控制器，其包括电荷存储器、开关管、控制器以及电荷存储器端电压检测装置和蓄电池端电压检测装置，电荷存储器端电压检测装置和蓄电池端电压检测装置分别与控制器连接；其中电荷存储器与太阳能光伏电池并联，电力电子开关与蓄电池串联后再与电荷存储器并联，控制器通过检测电力电子开关两端的电压即电荷存储器和蓄电池荷电端电压，控制电力电子开关的通断，实现对蓄电池充电的控制。
[0009]进一步地,所述电力电子开关米用MOS管。
[0010]进一步地，所述电荷存储器采用电容器。
[0011 ] 进一步地，所述电荷存储器端电压检测装置和蓄电池端电压检测装置均采用电压检测电路和A/D转换电路。
[0012]上述光伏脉冲电荷转移充电控制器的控制方法，其具体是:太阳能光伏电池受太阳辐射产生的直流电能存储在电荷存储器中，控制器根据电荷存储器上的荷电状态和蓄电池端电压控制电力电子开关的导通时间Λ T和开关频率及充电电流密度，以控制蓄电池中的恢复粒子流中的粒子直径在10_2mm?10_3mm之间，产生粒子附着效应，并且在充电间歇期内消除于Λ T充电时间内产生的活性极化和浓差极化。
[0013]上述的控制方法中，当电荷存储器中的电压u (t)达到设定值Uopen,控制器产生一个高电平控制电力电子开关开通，直到检测到电荷存储装置中的电压u (t)不再降低，控制器则产生一个低电平控制电力电子开关关断，直到电荷存储器的电压u (t)再一次达到设定值Uopen，控制器产生一个高电平控制电力电子开关开通，控制器周期性控制电力电子开关的通断。
[0014]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:
[0015]1、将光伏电池产生的电荷暂时存储到一个电荷存储装置，其电荷量反应为电荷存储器两端的电压，通过检测其两端的电压来判定开关开通的条件，从而来实现充电的控制。
[0016]2、本发明的电路拓扑只有一个开关管，不含有电感类器件，因此本技术具有结构简单，充电效率高，能够充分利用光伏能量，有效限制蓄电池的充电温升，延长蓄电池的使用寿命。
[0017]3、本发明主要采用控制充电器充停时间的占空比来控制电池去极化的效果，从而抑制温升。
[0018]下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1本发明的光伏脉冲电荷转移充电控制器的拓扑装置图。
[0020]图2本发明的光伏脉冲电荷转移充电控制器工作原理波形不意图。
[0021]图3本发明的光伏脉冲电荷转移充电控制器的一种电路实例不意图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
[0023]图1给出了本发明的光伏脉冲电荷转移充电控制器的拓扑装置示意图，太阳光伏电池产生的直流电能首先存储在电荷存储器I中，控制器2通过电荷存储器I的端电压检测装置3和蓄电池E端电压检测装置4，获得电荷存储器I和蓄电池的端电压信息，并通过控制开关通断，以控制蓄电池中的恢复粒子流中的粒子直径在10_2mm?10_3mm之间。图2给出了工作原理波形图，从图中可以看出来当电荷存储器I中的电压u(t)达到设定值U_n，控制器2便会产生一个高电平控制电力电子开关开通，直到检测到电荷存储装置中的电压u (t)不再降低，此时电压为Uclose,控制器2便会产生一个低电平控制电力电子开关关断，直到u(t)再一次达到U_n。由于整个充电过程中电荷存储装置I给予蓄电池的充电电压都比较大，而且蓄电池内阻小，所以能够得到较大充电电流密度。一个周期内电荷存储器I充电时间记作Λ τ，电荷存储器I放电时间为Λ Τ，这样即可在一个Λ T时间上对蓄电池充入Δ Q的电量，可实现蓄电池在充电过程中有一组直径控制在10_2?10_3mm的粒子恢复在对应电极板上，并且通过设定合理的Utjpm、及电荷存储器I的电容大小,设定一个合理的Λ τ、AT，通过大量的实验表明当光照最强时铅酸蓄电池最佳Λ τ、ΛΤ匹配为(Λ τ + ΔΤ)=2?3ms，占空比约为50%的时候效果最为明显。将光伏电池近似看作一个电流为I的电流源。这样当开关断开时候，有光伏电池的电荷存储于电荷存储器，此时电荷存储器上的电压从Ueltjse上升至Utjpen则:
[0024]I.Δ τ =C (Uopen-Uclose) ( I)
[0025]当开关闭合时电荷存储器与光伏电池的电荷都同时充入蓄电池中，此时电荷存储器上的电压从Uopen下降致Uclose,则:
[0026]I.ΔΤ+C(Uopen-Uclose) = IavAT (2)
[0027]其中Iav:充电期间平均电流，能够反应充电电流密度
[0028]C:电荷存储器容值
[0029]因此为了达到最佳匹配时间，及其期望的充电电流密度便可以通过上述公式(I)、
(2)来选择电荷存储器容值C，及Utjpm的合理值。
[0030]这样便可在一定时间Λ T的间歇期内消除由Λ T充电时间产生的微小活性极化和浓差极化。加之所有的开通条件都是当电荷存储器I的电压达到设定值U_n，即可保证光照不足的时候也能在充电期间有较大的电流密度，使得阴天充电也得以进行，充分的利用太阳能。
[0031]图3给出了本发明的电路实例示原理框图，采用电容C作为电荷存储器1，MOS管Q作为电力电子开关K，电荷存储器端电压检测装置和蓄电池端电压检测装置均采用电压检测电路和A/D转换电路，电压检测电路通过电阻分压的方式采样电容C两端的电压和电池两端的电压，再经A/D转换后输入控制器；控制器可以采用现有控制芯片实现(例如采用常用AT89系列、MCS — 51系列单片机实现)，控制器控制信号通过驱动电路便可驱动MOS管Q,电路实例中还包括辅助电源和过放保护电路等。辅助电源用于对控制器进行供电，过放保护电路通过检测蓄电池电压判定蓄电池是否过放，如果是将其与外接负载中断开，起到保护蓄电池的作用。
【权利要求】
1.一种光伏脉冲电荷转移充电控制器，其特征在于包括电荷存储器、开关管、控制器以及电荷存储器端电压检测装置和蓄电池端电压检测装置，电荷存储器端电压检测装置和蓄电池端电压检测装置分别与控制器连接；其中电荷存储器与太阳能光伏电池并联，电力电子开关与蓄电池串联后再与电荷存储器并联，控制器通过检测电力电子开关两端的电压即电荷存储器和蓄电池荷电端电压，控制电力电子开关的通断，实现对蓄电池充电的控制。
2.根据权利要求1所述的一种光伏脉冲电荷转移充电控制器，其特征是所述电力电子开关采用MOS管。
3.根据权利要求1所述的一种光伏脉冲电荷转移充电控制器，其特征是所述电荷存储器米用电容器。
4.根据权利要求1所述的一种光伏脉冲电荷转移充电控制器，其特征是所述电荷存储器端电压检测装置和蓄电池端电压检测装置均采用电压检测电路和A/D转换电路。
5.用于权利要求1?4任一项所述一种光伏脉冲电荷转移充电控制器的控制方法,其特征是:太阳能光伏电池受太阳辐射产生的直流电能存储在电荷存储器中，控制器根据电荷存储器上的荷电状态和蓄电池端电压控制电力电子开关的导通时间ΛT和开关频率及充电电流密度，以控制蓄电池中的恢复粒子流中的粒子直径在10_2mm?10_3mm之间，产生粒子附着效应，并且在充电间歇期内消除于Λ T充电时间内产生的活性极化和浓差极化。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征是:当电荷存储器中的电压u(t)达到设定值Uopen,控制器产生一个高电平控制电力电子开关开通，直到检测到电荷存储装置中的电压u (t)不再降低，控制器则产生一个低电平控制电力电子开关关断，直到电荷存储器的电压u (t)再一次达到设定值Uopen,控制器产生一个高电平控制电力电子开关开通，控制器周期性控制电力电子开关的通断。
【文档编号】H02J7/00GK103762633SQ201410005993
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】杨金明, 姚国兴, 曾君, 许厚鹏 申请人:华南理工大学