具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池及其控制方法与流程

本发明涉及电力测量设备技术领域，特别是指一种具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池及其控制方法。

背景技术：

近几年随着我国经济的快速发展和对环境保护的重视，尤其是在提出建设节约型社会的方针后，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的新型环保能源，在制热(太阳能集热器)、制冷(太阳能半导体制冷)和发电等领域得到了广泛地运用。在太阳能发电领域，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。

在研究太阳能发电技术过程中，发明人发现在温度过低时，蓄电池中反应液体浓度减低，参与反应的化学物质减少，使得蓄电池持续放电时间缩短，甚至根本无电流输出；而且在温度过低时即使太阳能板能够获取电能，也无法为蓄电池充电，使蓄电池无法正常工作；另外，冬季太阳能获取效率低，并且由于低温情况下蓄电池本身的原因，长期对负载供电时，蓄电池会过度放电从而使得电压过低，蓄电池在设计时，为了防止充电电流太大，往往设置了充电保护电路，因此，蓄电池在冬季使用时，往往会出现电压过低并且无法充电的情况，从而使得蓄电池所供负载无法正常工作。综上，在冬季温度过低和蓄电池自身原因的影响下，会引起蓄电池持续放电时间缩短、所供负载无法正常工作或者蓄电池自身无法正常工作等问题。因此，有必要提供一种电池辅助加热装置以避免温度过低造成太阳能发电设备无法正常工作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种既具有检测蓄电池温度、电压、充放电电流功能，又可以实现蓄电池的充电/外辅加热状态切换功能，从而保证蓄电池正常工作的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池，包括保温箱、太阳能板和与所述太阳能板连接的太阳能控制器，所述保温箱内设置有蓄电池和电池低温辅助加热装置，所述太阳能控制器和蓄电池分别与所述电池低温辅助加热装置连接，其中：

所述电池低温辅助加热装置包括电源模块、MCU控制模块、测量模块、显示模块、无线数据传输模块、加热模块和用于控制负载输出的电路切换模块，所述测量模块包括用于分别测量所述蓄电池电流、温度、电压的电流测量模块、测温模块和电压测量模块；

所述电流测量模块、测温模块和电压测量模块的输出端分别连接所述MCU控制模块的输入端，所述MCU控制模块的输出端分别连接所述显示模块、无线数据传输模块、加热模块和电路切换模块。

进一步的，所述电源模块采用以LM1085-3.3V芯片为核心的3.3V电压转换电路，所述蓄电池为所述电压转换电路提供电源，所述电压转换电路包括LM1085-3.3V芯片、第一电容C2、第二电容C4、第一极性电容E1和第二极性电容E3，其中：

所述LM1085-3.3V芯片的in脚与第一极性电容E1的正极、第一电容C2的一端连接并接所述蓄电池的供电端Vbat脚，out脚与第二极性电容E3的正极、第二电容C4的一端连接并作为+3.3V电压输出端，adj/gnd脚与所述第一极性电容E1的负极、第一电容C2的另一端、第二极性电容E3的负极、第二电容C4的另一端连接并接地。

进一步的，所述电压测量模块包括电压测量电路，所述电压测量电路包括第一电阻R9和第二电阻R10，所述第二电阻R10与第一电阻R9的比值为1/5，其中：

所述蓄电池的供电端Vbat脚依次经所述第一电阻R9和第二电阻R10后接地，所述第一电阻R9和第二电阻R10之间为电压采样AD1点。

进一步的，所述蓄电池的TP2脚与电流测量模块之间设置有一阻值固定不变的锰铜电阻，所述锰铜电阻的一端与所述蓄电池连接，所述锰铜电阻的另一端接地并与第一平行电阻R13连接，所述电流测量模块采用LM358放大器，其中：所述LM358放大器的正向输入端通过上位电阻R15接参考电压VV，并通过接地第二平行电阻R14接地，所述LM358放大器的反向输入端通过反馈电阻R12、反馈电容C11并接后经电阻R18连接至所述LM358放大器的输出端，所述LM358放大器的输出端为采样AD2点；

所述LM358放大器的正电源端与所述电源模块的+3.3V电压输出端连接，负电源端接地。

进一步的，所述MCU控制模块采用STC15W408AS单片机，其中：

所述STC15W408AS单片机芯片的P1.0/RSTOUT LOW脚连接所述电压采样AD1点，所述STC15W408AS单片机的P1.1脚连接所述采样AD2点；

所述STC15W408AS单片机芯片的VCC脚连接所述电源模块的+3.3V电压输出端，GND脚接地。

进一步的，所述显示模块包括NPN型三极管Q4 8050和LCD12864显示器，其中：

所述NPN型三极管Q4 8050的基极通过电阻R20与所述STC15W408AS单片机芯片的P1.3脚连接，集电极与所述LCD12864显示器的BLK脚连接，发射极接地；

所述LCD12864显示器的VCC脚和BLA脚均与所述电源模块的+3.3V电压输出端连接，PSB脚接地。

进一步的，所述电池低温辅助加热装置设置在电路板上，所述加热模块包括加热丝，所述电路板上设置有4P太阳能控制器连接端子、2P蓄电池输入端子、2P负载端子和2P加热丝端子，其中：

用于为所述电池低温辅助装置提供电源的所述蓄电池的正极连接所述电路板的电池输入端的正极端，所述蓄电池的负极与所述电路板连接后串联所述锰铜电阻；

所述加热丝的一端通过继电器与所述蓄电池的正极连接，另一端接地；

所述太阳能控制器上的电池输出端与所述电路板的电池接口连接，负载输出端与所述电路板的负载接口连接。

另一方面，提供一种上述的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的充电控制方法，运用所述电压测量模块分别测量所述太阳能板和蓄电池的电压数据，运用所述电流测量模块测量所述蓄电池充电端的电流数据，将测量的数据传输到所述MCU控制模块进行分析处理，其中：

当所述太阳能板的输出电压低于所述蓄电池的电压，此时表示所述太阳能板获取电量不足，停止为所述蓄电池充电；

当所述太阳能板的输出电压高于所述蓄电池的电压，并且所述蓄电池的电流为负时，表示所述太阳能板获取电量充足，则开启所述蓄电池的充电端，为所述蓄电池充电；

当所述太阳能板输出电压高于所述蓄电池的电压，并且所述蓄电池的电流为正，表示由于温度原因所述蓄电池无法充电，但可向负载供电，此时通过开启所述加热模块为所述蓄电池加热，并再次检测电流正负，直至电流为负，关闭所述加热模块，然后为所述蓄电池充电。

再一方面，提供一种上述的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的输出控制方法，运用所述电压测量模块和测温模块分别测量所述蓄电池的电压和温度，并将测量数据传输至所述MCU控制模块进行分析处理，预设置四个电压值：a>b>c>d，两个温度值：x>y，所述MCU控制模块判断电压和温度数值的大小，其中：

当电压高于a时，并且温度低于y时，开启所述加热模块为所述蓄电池加热，直到温度高于x时，关闭所述加热模块，此时通过控制所述电路切换模块为负载供电；

当电压高于b时，表示所述蓄电池的电量充足，通过控制所述电路切换模块为负载供电；

当电压位于b与d之间时，所述蓄电池的输出状态保持之前的工作状态不变，当电压低于c时，关闭加热模块，当电压低于d时，此时通过控制所述电路切换模块切断为负载供电。

进一步的，预设置的四个电压值a、b、c、d分别为11.8V、11.2V、11.0V和10.8V，两个温度值x、y分别为5℃和0℃，其中：

当电压高于11.8V时，并且温度低于0℃时，开启所述加热模块为所述蓄电池加热，直到温度高于5℃时，关闭所述加热模块，此时通过控制所述电路切换模块为负载供电；

当电压高于11.2V时，表示所述蓄电池的电量充足，此时如果温度高于5℃时，关闭所述加热模块，通过控制所述电路切换模块为负载供电；

当电压低于11.0V时，关闭加热模块，当电压低于10.8V时，此时停止加热并且通过控制所述电路切换模块切断为负载供电。

本发明具有以下有益效果：

本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池及其控制方法包括太阳能板、与太阳能板连接的太阳能控制器和保温箱，保温箱内设置有蓄电池和电池低温辅助加热装置，电池低温辅助加热装置的电源模块为其提供电源，电流测量模块、电压测量模块和测温模块分别实时检测蓄电池的电压、电流和温度，MCU控制模块采集所测量的数据并进行分析处理，同时控制显示模块显示数据，并通过无线数据传输模块发送和接收服务器的数据和指令，MCU控制模块根据测量的温度数值适时控制加热模块为蓄电池加热从而保证蓄电池正常工作，同时可以根据蓄电池当前的电压状态适时切断输出，保证蓄电池不会过度放电，延长使用寿命。综上，与现有技术相比，本发明具有适时检测蓄电池温度、电压、充放电电流的功能，实现蓄电池充电/外辅加热状态切换，从而保证其正常工作、不会过度放电延长使用寿命，并能够通过无线数据传输模块实现无线通信。

附图说明

图1为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的整体结构示意图；

图2为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的电源模块的结构示意图；

图3为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的电压测量模块的结构示意图；

图4为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的电流测量模块的结构示意图；

图5为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的MCU控制模块的结构示意图；

图6为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的显示模块的结构示意图；

图7为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的连接关系的结构示意图；

图8为本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的输出控制方法的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池，如图1至图8所示，包括保温箱1、太阳能板2和与太阳能板2连接的太阳能控制器3，保温箱1内设置有蓄电池4和电池低温辅助加热装置5，太阳能控制器3和蓄电池4分别与电池低温辅助加热装置5连接，其中：

电池低温辅助加热装置5包括电源模块6、MCU控制模块7、测量模块、显示模块8、无线数据传输模块9、加热模块10和用于控制负载输出的电路切换模块11，测量模块包括用于分别测量蓄电池电流、温度、电压的电流测量模块12、测温模块13和电压测量模块14；

电流测量模块12、测温模块13和电压测量模块14的输出端分别连接MCU控制模块7的输入端，MCU控制模块7的输出端分别连接显示模块8、无线数据传输模块9、加热模块10和电路切换模块11。

本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池，电池低温辅助加热装置的电源模块为其提供电源，电流测量模块、电压测量模块和测温模块分别实时检测蓄电池的电压、电流和温度，MCU控制模块采集所测量的数据并进行分析处理，同时控制显示模块显示数据，并通过无线数据传输模块发送和接收服务器的数据和指令，MCU控制模块根据测量的温度、电流数值适时控制加热模块为蓄电池加热从而保证蓄电池正常工作，同时可以根据蓄电池当前的电压状态适时切断输出，保证蓄电池不会过度放电，从而延长使用寿命。综上，与现有技术相比，本发明具有适时检测蓄电池温度、电压、电流的功能，实现蓄电池充电、电源输出和外辅加热状态切换，从而保证其正常工作、不会过度放电延长使用寿命，并能够通过无线数据传输模块实现无线通信。

具体的，本发明可以采用如下电路结构形式：

首先，如图2所示，电源模块6采用以LM1085-3.3V芯片为核心的3.3V电压转换电路，蓄电池4为电压转换电路提供电源，电压转换电路包括LM1085-3.3V芯片、第一电容C2、第二电容C4、第一极性电容E1和第二极性电容E3，其中：

LM1085-3.3V芯片的in脚与第一极性电容E1的正极、第一电容C2的一端连接并接蓄电池4的供电端Vbat脚，out脚与第二极性电容E3的正极、第二电容C4的一端连接并作为+3.3V电压输出端，adj/gnd脚与第一极性电容E1的负极、第一电容C2的另一端、第二极性电容E3的负极、第二电容C4的另一端连接并接地。

蓄电池经过电压转换电路得到稳定的电压为MCU控制模块、电流测量模块和测温模块供电，保证其正常工作，LM1085-3.3V芯片的输入电压范围比较宽且输出电压为固定值3.3V，输出电流可以达到3A，另外，该芯片的工作环境温度在-55℃～150℃之间，受环境影响小，该电压转换电路结构简单、操作方便。

接着，如图3所示，通过电压测量模块14检测蓄电池4的电压，电压测量模块14包括电压测量电路，电压测量电路包括第一电阻R9和第二电阻R10，第二电阻R10与第一电阻R9的比值为1/5，其中：

蓄电池4的供电端Vbat脚依次经第一电阻R9和第二电阻R10后接地，第一电阻R9和第二电阻R10之间为电压采样AD1点。

电压测量电路采用分压采样的方式将被测电压转变为原来的1/6后，通过采样AD1点传输至MCU控制模块进行分析处理。

如图4所示，通过电流测量模块12检测蓄电池4的电流，蓄电池4的TP2脚与电流测量模块12之间设置有一阻值固定不变的锰铜电阻15，锰铜电阻15的一端与蓄电池4连接，锰铜电阻15的另一端接地并与第一平行电阻R13连接，电流测量模块12采用LM358放大器，其中：

LM358放大器的正向输入端通过输出电阻R15接参考电压VV，并通过第二平行电阻R14接地，LM358放大器的反向输入端通过反馈电阻R12、反馈电容C11并接后经电阻R18连接至LM358放大器的输出端，LM358放大器的输出端为采样AD2点；

LM358放大器的正电源端与电源模块6的+3.3V电压输出端连接，负电源端接地。

负载电流流经锰铜电阻，因为锰铜电阻的电阻值固定不变，所以不同的负载电流锰铜电阻两端产生的压降不一样，通过采集锰铜电阻两端的压降值实现电流信号的采样。同时，输出电阻R15的阻值分别是第一平行电阻R13、第二平行电阻R14的100倍，实现采集信号的放大，从而提高测量精度。

然后，如图5所示，MCU控制模块7采用STC15W408AS单片机，STC15W408AS单片机芯片的P1.0/RSTOUT LOW脚连接电压采样AD1点，STC15W408AS单片机的P1.1脚连接采样AD2点。STC15W408AS单片机芯片的P1.1脚、P1.0/RSTOUT LOW脚接收采样AD2点、采样AD1点采集的电流和电压数据并进行分析处理。另外，STC15W408AS单片机芯片的VCC脚连接电源模块6的+3.3V电压输出端，GND脚接地。STC15W408AS单片机除了可以作为普通的IO口之外，还可以作为AD输入端，而且具有两个串口对数据传输比较方便。另外，STC15W408AS单片机通过P5.4/RST/MCLKO/CMP-脚设置有复位电路，复位电路包括继电器S4、电容C9和复位电阻R6，其中继电器S4常开按钮的一端与电容C9的一端并接连接电源模块6的+3.3V电压输出端，继电器S4常开按钮的另一端与电容C9的另一端并接通过复位电阻R6接地，同时连接STC15W408AS单片机芯片的P5.4/RST/MCLKO/CMP-脚；STC15W408AS单片机的P3.7/INT3/TXD-2脚、P3.6/INT2/RXD-2脚分别通过上拉电阻R7、R8连接电源模块6的+3.3V电压输出端，从而提高MCU控制模块的驱动能力。

紧接着，MCU控制模块7通过STC15W408AS单片机芯片定的P1.3脚控制显示模块8显示数据，通过无线数据传输模块9发送和接收服务器的数据和指令，无线数据传输模块9优选是Zigbee模块，Zigbee模块所采用的芯片可以是CC2530，可实现一对多，多对多的快速及时通信。如图6所示，显示模块8包括NPN型三极管Q4 8050和LCD12864显示器，其中：

NPN型三极管Q4 8050的基极通过电阻R20与STC15W408AS单片机芯片的P1.3脚连接，集电极与LCD12864显示器的BLK脚连接，发射极接地；

LCD12864显示器的VCC脚和BLA脚均与电源模块6的+3.3V电压输出端连接，PSB脚接地。

LCD12864显示器不仅具有体积小、功耗低、质量轻和可编程驱动等其他显示方式无法比拟的优点，而且可以显示数字、字符、图片等，能够很好的满足该电池低温辅助加热装置的显示功能。

此外，电池低温辅助加热装置5设置在电路板上，加热模块10包括加热丝，电路板上设置有4P太阳能控制器3连接端子、2P蓄电池4输入端子、2P负载端子和2P加热丝端子，如图7所示，其中：

用于为电池低温辅助装置5提供电源的蓄电池4的正极连接电路板的电池输入端的正极端，蓄电池4的负极与电路板连接后串联锰铜电阻15；

加热丝的一端通过继电器与蓄电池4的正极连接，另一端接地；

太阳能控制器3上的电池输出端与电路板的电池接口连接，负载输出端与电路板的负载接口连接。

另一方面，本发明还提供一种上述具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的充电控制方法，运用电压测量模块14分别测量太阳能板2和蓄电池4的电压数据，运用电流测量模块12测量蓄电池4充电端的电流数据，将测量的数据传输到MCU控制模块7进行分析处理，其中：

当太阳能板2的输出电压低于蓄电池4的电压，此时表示太阳能板2获取电量不足，停止为蓄电池4充电；

当太阳能板2的输出电压高于蓄电池4的电压，并且蓄电池4的电流为负时，表示太阳能板2获取电量充足，则开启蓄电池4的充电端，为蓄电池4充电；

当太阳能板2输出电压高于蓄电池4电压，并且蓄电池4的电流为正，表示由于温度原因蓄电池4无法充电，但可向负载供电，此时通过加热模块10为蓄电池4加热，并再次检测电流正负，直至电流为负，关闭加热模块10，然后为蓄电池4充电。

本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的充电控制方法，通过电压测量模块分别测量太阳能板和蓄电池的电压，电流测量模块测量蓄电池充电端的电流，并通过MCU控制模块对测量的数据分析处理，适时控制为蓄电池充电或加热模块为蓄电池加热，从而保证蓄电池正常工作，提高蓄电池持续放电时间，延长使用寿命。

再一方面，本发明还提供一种上述具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的输出控制方法，运用电压测量模块14和测温模块13分别测量蓄电池4的电压和温度，并将测量数据传输至MCU控制模块7进行分析处理，预设置四个电压值：a>b>c>d，两个温度值：x>y，MCU控制模块7判断电压和温度数值的大小，其中：

当电压高于a时，并且温度低于y时，开启加热模块10为蓄电池4加热，直到温度高于x时，关闭加热模块10，此时通过控制电路切换模块11为负载供电；

当电压高于b时，表示蓄电池4的电量充足，通过控制电路切换模块11为负载供电；

当电压位于b与d之间时，蓄电池4的输出状态保持之前的工作状态不变，当电压低于c时，关闭加热模块10，当电压低于d时，此时通过控制电路切换模块11切断为负载供电。

本发明的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的电源输出控制方法，MCU控制模块根据测量的温度数值适时控制加热模块为蓄电池加热从而保证蓄电池正常工作，同时可以根据蓄电池当前的电压状态适时切断输出，保证蓄电池不会过度放电，延长使用寿命。综上，与现有技术相比，本发明具有适时检测蓄电池温度、电压的功能，实现蓄电池外辅加热状态切换，从而保证其正常工作、不会过度放电延长使用寿命，并能够通过无线数据传输模块实现无线通信。

进一步的，提供一种上述的具有电池低温辅助加热功能的太阳能电池的电源输出控制方法实施例：如图8所示，预设置的四个电压值a、b、c、d分别为11.8V、11.2V、11.0V和10.8V，两个温度值x、y分别为5℃和0℃，其中：

当电压高于11.8V时，并且温度低于0℃时，开启加热模块10为蓄电池4加热，直到温度高于5℃时，关闭加热模块10，此时通过控制电路切换模块11为负载供电；

当电压高于11.2V时，表示蓄电池4的电量充足，此时如果温度高于5℃，关闭加热模块10，通过控制电路切换模块11为负载供电；

当电压低于11.0V时，关闭加热模块10，当电压低于10.8V时，此时停止加热并且通过控制电路切换模块11切断为负载供电。

为了防止电池的容量的随着温度的下降而减小，当电池温度小于0℃(数据可远程设定)的时候，MCU控制模块控制加热模块为蓄电池加热，蓄电池环境温度达到5℃(数据可远程设定)时，停止为蓄电池加热。当阳光不充足且检测到蓄电池电压为11.8V(数据可远程设定)时停止为蓄电池供电，当检测到蓄电池的电压为11.2V(数据可远程设定)时停止为蓄电池加热，当检测到蓄电池的电压为10.8V(数据可远程设定)时，整个系统进入休眠模式，每过一段时间检测蓄电池的电压、温度，当检测到蓄电池的电压达到11.2(数据可远程设定)时唤醒系统。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。