一种光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路。

背景技术：

太阳能作为清洁能源，已经得到广泛的应用。其中使用比较多的一种光伏离网系统方案是以蓄电池作为中介来实现能量转换的方案。太阳光照在光伏组件上，光伏组件实现光能到电能的转换；MPPT充电电路把光伏组件能量存储到蓄电池中；负载通过各种变换装置连接到蓄电池上，这样负载就可以间接使用了太阳光能量。

当前的蓄电池充电方式包括直充和MPPT充电两种。图1为现有技术中常见的MPPT充电电路。其中，Q1为光伏组件防反MOS管，Q4为蓄电池防反MOS管，RS1为光伏组件电流检测电阻，RS2为蓄电池电流检测电阻，Q2、Q3、L1、E1为BUCK转换电路，用于实现MPPT功能，E2为光伏组件的支撑电容。

图1所示的方案中，光伏组件防反MOS管Q1与光伏组件正端相连，而光伏组件防反MOS管Q1的驱动电源和CPU控制负端不共地，因此需要加一个悬浮电源给检测及驱动电路供电，同时从CPU发出的控制通断的信号到MOS管栅极之间还需要加光耦隔离；从而增加了电路的复杂性。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，以解决现有技术中由于光伏组件防反MOS管的驱动电源和CPU控制负端不共地而导致的电路结构复杂的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，包括：光伏组件防反MOS管、检测及驱动电路、支撑电容、BUCK转换电路、蓄电池防反MOS管、蓄电池充电电流检测电阻及不隔离降压芯片；其中：

所述光伏组件防反MOS管的漏极与光伏组件的负端及所述检测及驱动电路的输入端正极相连；

所述光伏组件防反MOS管的源级与所述检测及驱动电路的输入端负极相连，连接点通过所述蓄电池充电电流检测电阻，与蓄电池的负端及CPU的负端共地；

所述光伏组件防反MOS管的栅极与所述检测及驱动电路的输出端相连；

所述检测及驱动电路的通信端与所述CPU相连；

所述不隔离降压芯片的输入端与所述蓄电池相连；

所述不隔离降压芯片的输出端与所述检测及驱动电路的供电端相连；

所述支撑电容的两端分别与所述光伏组件的正端及所述光伏组件防反MOS管的源级相连；

所述BUCK转换电路的输入端分别与所述支撑电容的两端相连；

所述BUCK转换电路的输出端正极通过所述蓄电池防反MOS管与所述蓄电池的正端相连；

所述BUCK转换电路的输出端负极通过所述蓄电池充电电流检测电阻与蓄电池的负端共地；

所述蓄电池充电电流检测电阻为毫欧级电阻。

优选的，还包括：光伏组件防反二极管；所述光伏组件防反二极管的阳极与所述光伏组件防反MOS管的源级相连，所述光伏组件防反二极管的阴极与所述光伏组件的正端相连。

优选的，所述检测及驱动电路包括：差分电流检测电路和短路保护电路；其中：

所述差分电流检测电路的输入端分别与所述光伏组件防反MOS管的源级和漏极相连；

所述差分电流检测电路的供电端和所述短路保护电路的供电端均与所述不隔离降压芯片的输出端相连；

所述差分电流检测电路的输出端与所述短路保护电路的输入端相连；

所述短路保护电路的输出端与所述光伏组件防反MOS管的栅极相连；

所述短路保护电路的通信端与所述CPU相连。

优选的，所述差分电流检测电路包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻；其中：

所述第一电阻的一端与所述光伏组件防反MOS管的漏极相连；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端及所述第一运算放大器的同相输入端相连；

所述第二电阻的另一端接收所述不隔离降压芯片输出的第一电源电压；

所述第三电阻的一端与所述光伏组件防反MOS管的源极相连；

所述第三电阻的另一端与所述第一运算放大器的反相输入端相连；

所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第四电阻与所述第一运算放大器的输出端及所述第二运算放大器的同相输入端相连；

所述第一运算放大器的电源端接收所述不隔离降压芯片输出的第二电源电压；

所述第一运算放大器的地端接地；

所述第二运算放大器的反相输入端与输出端相连，连接点为所述差分电流检测电路的输出端。

优选的，所述短路保护电路包括：电压比较保护电路、锁死电路、解锁电路、非门、与门及驱动信号放大芯片；其中：

所述电压比较保护电路的正端为所述短路保护电路的输入端；

所述电压比较保护电路的负端接收所述不隔离降压芯片输出的第一电源电压的电阻分压；

所述锁死电路分别与所述电压比较保护电路的输出端和锁死端相连，所述锁死电路接收所述不隔离降压芯片输出的第一电源电压；

所述解锁电路分别与所述电压比较保护电路的锁死端和地相连，所述解锁电路接收所述CPU的解除锁死信号；

所述电压比较保护电路的输出端通过所述非门输出整形后的锁死信号至所述CPU，并与所述与门的一端相连；

所述与门的另一端接收所述CPU输出的开关控制信号；

所述与门的输出端与所述驱动信号放大芯片的输入端相连；

所述驱动信号放大芯片的电源端接收所述不隔离降压芯片输出的第二电源电压；

所述驱动信号放大芯片的地端接地；

所述驱动信号放大芯片的输出端与所述光伏组件防反MOS管的栅极相连。

优选的，所述电压比较保护电路包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻及第一比较器；其中：

所述第七电阻的一端为所述短路保护电路的输入端；

所述第七电阻的另一端与所述第一比较器的同相输入端相连；

所述第五电阻的一端接收所述不隔离降压芯片输出的第一电源电压；

所述第五电阻的另一端与所述第六电阻的一端及所述第一比较器的反相输入端相连；

所述第六电阻的另一端接地。

优选的，所述锁死电路包括：第八电阻、第九电阻及第二二极管；其中：

所述第八电阻的一端与所述第九电阻的一端均与所述电压比较保护电路的输出端相连；

所述第九电阻的另一端接收所述不隔离降压芯片输出的第一电源电压；

所述第八电阻的另一端与所述第二二极管的阳极相连；

所述第二二极管的阴极为所述锁死电路的输出端。

优选的，所述解锁电路包括：第十电阻及三极管；其中：

所述三极管的基极通过所述第十电阻接收所述CPU的解除锁死信号；

所述三极管的发射极接地；

所述三极管的集电极为所述解锁电路的输出端。

由上述方案可知，本实用新型提供的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，蓄电池通过不隔离降压芯片为检测及驱动电路供电，无需现有技术中的悬浮电源；检测及驱动电路与CPU相连，且CPU的负端和蓄电池的负端共地；另外，光伏组件防反MOS管设置在光伏组件负端，由于蓄电池充电电流检测电阻为毫欧级电阻，因此，等效于光伏组件防反MOS管的源级与蓄电池负端共地；而光伏组件防反MOS管的源级又与检测及驱动电路的输入端负极相连，从而使得光伏组件防反MOS管的驱动信号负端和CPU的负端共地，使得CPU输出的控制信号能够直接用于驱动，不需要通过光耦隔离，减少响应时间、降低电路复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路的另一结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的差分电流检测电路的电路图；

图5为本实用新型实施例提供的短路保护电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，以解决现有技术中由于光伏组件防反MOS管的驱动电源和CPU控制负端不共地而导致的电路结构复杂的问题。

具体的，该光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，参见图2，包括：光伏组件防反MOS管Q1、检测及驱动电路100、支撑电容E2、BUCK转换电路200、蓄电池防反MOS管Q4、蓄电池充电电流检测电阻RS1及不隔离降压芯片300；其中：

光伏组件防反MOS管Q1的漏极与光伏组件的负端及检测及驱动电路100的输入端正极相连；

光伏组件防反MOS管Q1的源级与检测及驱动电路100的输入端负极相连，连接点通过蓄电池充电电流检测电阻RS1，与蓄电池的负端及CPU的负端共地；

光伏组件防反MOS管Q1的栅极与检测及驱动电路100的输出端相连；

检测及驱动电路100的通信端与CPU相连；

不隔离降压芯片300的输入端与蓄电池相连；

不隔离降压芯片300的输出端与检测及驱动电路100的供电端相连；

支撑电容E2的两端分别与光伏组件的正端及光伏组件防反MOS管Q1的源级相连；

BUCK转换电路200的输入端分别与支撑电容E2的两端相连；

BUCK转换电路200的输出端正极通过蓄电池防反MOS管Q4与蓄电池的正端相连；

BUCK转换电路200的输出端负极通过蓄电池充电电流检测电阻RS1与蓄电池的负端共地；

蓄电池充电电流检测电阻RS1为毫欧级电阻。

具体的工作原理为：

光伏组件用于接收太阳能并转换为电能装置；光伏组件防反MOS管Q1的主要功能为：当光伏组件正接时，能正常工作，并且损耗较小；当光伏组件反接时，使电路断开，保护内部电路；检测及驱动电路100用于控制及驱动光伏组件防反MOS管Q1，当光伏组件短路时，能够及时断开光伏组件防反MOS管Q1，防止更大的破坏。

BUCK转换电路200可以实现MPPT充电控制功能。蓄电池为系统的储能装置。

蓄电池防反MOS管Q4的主要功能为：当蓄电池正接时，能正常工作，且损耗较小；当蓄电池反接时，使电路断开，保护内部电路。

系统内供电采用线性电源，蓄电池通过不隔离降压芯片300(比如降到12V和5V)为检测及驱动电路100供电，无需现有技术中的悬浮电源；检测及驱动电路100与CPU相连，且CPU的负端和蓄电池的负端共地。

光伏组件防反MOS管Q1设置在光伏组件负端，由于蓄电池充电电流检测电阻RS1为毫欧级电阻，可以忽略不计，因此，等效于光伏组件防反MOS管Q1的源级与蓄电池负端共地，而光伏组件防反MOS管Q1的源级又与检测及驱动电路100的输入端负极相连，从而使得光伏组件防反MOS管Q1的驱动信号负端和CPU的负端共地。因此CPU输出的控制信号直接驱动，不需要通过光耦隔离，这样就会减少响应时间、降低电路复杂性。

本实施例提供的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，电路拓扑简单、易实现，且成本低。

值得说明的是，如图1所示的现有技术中，在开关管Q1、Q3损坏的情况下，如果光伏组件接反，支撑电容E2(电解电容)承受反压，容易导致电解电容爆裂，有起火的风险。

因此，本实施例提供了另外一种光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，在上述实施例的基础之上，参见图2，还包括：光伏组件防反二极管D1；光伏组件防反二极管D1的阳极与光伏组件防反MOS管Q1的源级相连，光伏组件防反二极管D1的阴极与光伏组件的正端相连。

在开关管Q1、Q3损坏的情况下，如果光伏组件接反，电流从支撑电容E2(电解电容)两端并联的光伏组件防反二极管D1中流过，因此电解电容不承受反压，电解电容就不会爆炸起火，可以起到最终保护作用；当光伏组件正接时，光伏组件防反二极管D1承受反压，对电路运行是无影响的。

另外，光伏组件短路时，电路中瞬间电流很大，需要及时保护，现有技术中的通常做法是加采样电阻，如图1所示的光伏组件电流检测电阻RS1，检测电路中瞬间电流值达到阈值后，检测及驱动电路控制光伏组件防反MOS管Q1关断。然而，加入采样电阻，不仅带来损耗，降低整机效率，而且CPU发出的关断信号和光伏组件防反MOS管Q1的实际关断信号之间无形中增加了信号传输时间，使得光伏组件防反MOS管Q1关断时间较长，通过大电流时间也比较长，从而容易造成光伏组件防反MOS管Q1的损坏。

因此，本实施例提供了另外一种光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，在上述实施例及图2的基础之上，参见图3，检测及驱动电路100包括：差分电流检测电路101和短路保护电路102；其中：

差分电流检测电路101的输入端分别与光伏组件防反MOS管Q1的源级和漏极相连；

差分电流检测电路101的供电端和短路保护电路102的供电端均与不隔离降压芯片300的输出端相连；

差分电流检测电路101的输出端与短路保护电路102的输入端相连；

短路保护电路102的输出端与光伏组件防反MOS管Q1的栅极相连；

短路保护电路102的通信端与CPU相连。

本实施例提供的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，不需要加采样电阻，利用光伏组件防反MOS管Q1本身的导通电阻来实现短路电流检测。一旦光伏组件短路，瞬间电流从光伏组件防反MOS管Q1的漏级流进源级，因此在漏极源级之间有电压产生，电路根据此电压值可以进行保护。

也即，本实施例提供的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，不使用采样电阻，一样可以对光伏组件进行防反保护。并且检测快，减少响应时间，能够快速使得光伏组件防反MOS管Q1工作在降额区间内，短路保护电路中的器件。同时，使用光伏组件防反MOS管Q1的导通电阻代替电流采样电阻，还能够降低损耗。

本实施例提供了一种具体的光伏离网系统的蓄电池MPPT充电电路，在上述实施例及图2和图3的基础之上，参见图4，差分电流检测电路101包括：第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4；其中：

第一电阻R1的一端与光伏组件防反MOS管Q1的漏极相连；

第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端及第一运算放大器U2A的同相输入端相连；

第二电阻R2的另一端接收不隔离降压芯片300输出的第一电源电压，比如+5V；

第三电阻R3的一端与光伏组件防反MOS管的源极相连；

第三电阻R3的另一端与第一运算放大器U2A的反相输入端相连；

第一运算放大器U2A的反相输入端通过第四电阻R4与第一运算放大器U2A的输出端及第二运算放大器U2B的同相输入端相连；

第一运算放大器U2A的电源端接收不隔离降压芯片300输出的第二电源电压，比如+12V；

第一运算放大器U2A的地端接地；

第二运算放大器U2B的反相输入端与输出端相连，连接点为差分电流检测电路101的输出端。

差分电流检测电路101负责检测光伏组件电流。电流方向是正负两方向，所以转变成电压信号为正负电压，但是系统没有负电源，因此第二电阻R2接不隔离降压芯片300输出的第一电源电压+5V，把电压上拉到0V以上。

在具体的实际应用中，第一运算放大器U2A可以采用LM258芯片，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。且，不隔离降压芯片300输出的第一电源电压可以为+5V，不隔离降压芯片300输出的第二电源电压可以为+12V，此处也不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

另外，参见图5，短路保护电路102包括：电压比较保护电路121、锁死电路122、解锁电路123、非门U3、与门U4及驱动信号放大芯片U5；其中：

电压比较保护电路121的正端为短路保护电路102的输入端；

电压比较保护电路121的负端接收不隔离降压芯片300输出的第一电源电压的电阻分压；

锁死电路122分别与电压比较保护电路121的输出端和锁死端相连，锁死电路122接收不隔离降压芯片300输出的第一电源电压；

解锁电路122分别与电压比较保护电路121的锁死端和地相连，解锁电路123接收CPU的解除锁死信号；

电压比较保护电路121的输出端通过非门U3输出整形后的锁死信号至CPU，并与与门U4的一端相连；

与门U4的另一端接收CPU输出的开关控制信号；

与门U4的输出端与驱动信号放大芯片U5的输入端INPUT相连；

驱动信号放大芯片U5的电源端VDD接收不隔离降压芯片300输出的第二电源电压；

驱动信号放大芯片U5的地端GND接地；

驱动信号放大芯片U5的输出端OUTPUT与光伏组件防反MOS管Q1的栅极相连。

驱动信号放大芯片U5的NC管脚悬空。

优选的，参见图5，电压比较保护电路121包括：第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7及第一比较器U1B；其中：

第七电阻R7的一端为短路保护电路102的输入端；

第七电阻R7的另一端与第一比较器U1B的同相输入端相连；

第五电阻R5的一端接收不隔离降压芯片300输出的第一电源电压；

第五电阻R5的另一端与第六电阻R6的一端及第一比较器U1B的反相输入端相连；

第六电阻R6的另一端接地。

在具体的实际应用中，第一比较器U1B可以采用LM2903芯片，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

优选的，参见图5，锁死电路122包括：第八电阻R8、第九电阻R9及第二二极管D2；其中：

第八电阻R8的一端与第九电阻R9的一端均与电压比较保护电路121的输出端相连；

第九电阻R9的另一端接收不隔离降压芯片300输出的第一电源电压；

第八电阻R8的另一端与第二二极管D2的阳极相连；

第二二极管D2的阴极为锁死电路122的输出端。

优选的，参见图5，解锁电路123包括：第十电阻R10及三极管V1；其中：

三极管V1的基极通过第十电阻R10接收CPU的解除锁死信号；

三极管V1的发射极接地；

三极管V1的集电极为解锁电路123的输出端。

具体的工作原理为：

不隔离降压芯片300输出的第一电源电压+5V经过第五电阻R5和第六电阻R6分压送到第一比较器U1B的反相输入端，差分电流检测电路101输出的光伏短路电流检测信号送到第一比较器U1B的同相输入端。

第八电阻R8、第九电阻R9和第二二极管D2可使第一比较器U1B输出的有效信号锁死，第十电阻R10、三极管V1可以解除锁死信号。

锁死信号经过非门U3整形，输出整形后的锁死信号送到控制CPU的RB2管脚，另外一路送到与门U4的另一端，这样一旦有大电流信号，就可以使光伏组件防反MOS管Q1的驱动信号迅速关掉。

CPU的RB1管脚为发出控制光伏组件防反MOS管Q1开关的信号；CPU的RB3管脚发出解除锁死信号。

驱动信号放大电路芯片U5，其输出直接接到光伏组件防反MOS管Q1的栅极。

在CPU上电自检阶段，RB3管脚输出有效，复位锁死电路，RB1管脚输出无效，光伏组件防反MOS管Q1处于关断状态。一旦自检结束，RB3管脚输出无效，电压比较电路121和锁死电路122可以正常工作。CPU根据自身逻辑来决定是否开启光伏组件防反MOS管Q1：RB1管脚输出有效，则开启光伏组件防反MOS管Q1，RB1管脚输出无效，则关断光伏组件防反MOS管Q1。

光伏组件一旦短路，会有大电流产生，此时电压比较保护电路121和锁死电路122动作，RB2管脚接收有效电平。CPU一旦检测到RB2管脚接收有效电平，判断此时光伏组件短路，立刻使RB1管脚输出无效。接着延时100毫秒后，RB3管脚输出有效，复位锁死电路122，最后延时500毫秒后，RB3管脚输出无效，锁死电路122正常工作。

本实施例给出了一种检测及驱动电路的具体实现形式，但是并不限定于此，在具体的实际应用中，可以根据应用环境进行设定，均在本申请的保护范围内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。