一种太阳能充放电控制器的制作方法

本实用新型属于太阳能控制技术领域，特别是涉及一种太阳能充放电控制器。

背景技术：

太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个光伏供电系统的核心控制部分。

太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。

组成太阳能供电系统主要有太阳能电池组件，可充电蓄电池以及两者之间的充放电控制器。充放电控制器作为连接太阳能电池组件和蓄电池之间的纽带，其控制方式的合理性决定了太阳能电池组件的成本和蓄电池的寿命。特别是现在作为太阳能电池的主要材料高纯度硅的价格日益高涨，而且制造蓄电池的铅，其价格也在不断上涨。如何提高太阳能电池组件的利用率，提高蓄电池的使用寿命就显得特别重要了。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种太阳能充放电控制器，通过采用光敏开关电路连接到太阳能电池板，通过光敏开关电路作为蓄电池充电的一次开关，通过防反充电电路作为第二次蓄电池充电的二次开关，通过定时控制电路设定控制时间段，解决了现有的太阳能充放电控制器的蓄电池使用寿命低，电转换效率慢，控制繁琐等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型为一种太阳能充放电控制器，包括光敏开关电路、防反充电电路、BUCK充电电路、MCU控制电路；所述光敏开关电路、防反充电电路、BUCK充电电路依次连接；所述MCU控制电路分别连接有ADC采样电路、定时控制电路、显示单元和放电电路；其中，所述ADC采样电路分别采集光敏开关电路、防反充电电路、BUCK充电电路和放电电路的电信号；所述ADC采样电路采集的电信号输送到MCU控制电路所述放电电路与一电压检测单元串联到负载，所述电压检测单元检测放电电路与负载工作的电压信号。

进一步地，所述光敏开关电路连接到太阳能电池板，通过光敏开关电路作为第一步判定白天和黑夜，进而作为蓄电池充电的一次开关，通过防反充电电路判定蓄电池充电是否充满，作为第二次蓄电池充电的二次开关。

进一步地，所述BUCK充电电路与蓄电池连接，对蓄电池的充电，BUCK充电电路为同步续流BUCK拓扑电路。

进一步地，所述显示单元采用LCD显示器。

进一步地，所述ADC采样电路还连接到太阳能电池板，采集太阳能电池板的电信号。

进一步地，所述电信号包括电压信号、电流信号和温度信号。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型通过采用低功耗的元器件，减小功率损耗降低发热量，缩减控制器体积，节约产品成本。

2、本实用新型通过采用MCU控制电路，利用DC-DC变换器使得充电电路阻抗和太阳能电池内部阻抗匹配，从而获取太阳能电池最大功率输出，峰值功率利用率提高30％，提高了太阳能组件的利用率。

3、本实用新型通过采用光敏开关电路连接到太阳能电池板，通过光敏开关电路作为第一步判定白天和黑夜，进而作为蓄电池充电的一次开关，通过防反充电电路判定蓄电池充电是否充满，作为第二次蓄电池充电的二次开关，通过定时控制电路设定控制时间段，具有控制灵活性高，应用范围广泛；有效地提高了太阳能电池板与蓄电池之间的充放电关系，提高蓄电池的使用寿命。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本实用新型的一种太阳能充放电控制器的系统图；

图2为负载电流采样电路图；

图3为太阳能板电压电路图；

图4为蓄电池电压采样电路图；

图5为为太阳能输入电流采样电路图；

图6为MCU控制电路图；

图7-9为BUCK拓扑的驱动原理图和防反部分驱动原理图；

图10为BUCK充电部分电路原理图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1所示，本实用新型为一种太阳能充放电控制器，包括光敏开关电路、防反充电电路、BUCK充电电路、MCU控制电路；光敏开关电路、防反充电电路、BUCK充电电路依次连接；MCU控制电路分别连接有ADC采样电路、定时控制电路、显示单元和放电电路。

其中，ADC采样电路分别采集光敏开关电路、防反充电电路、BUCK充电电路和放电电路的电信号；ADC采样电路采集的电信号输送到MCU控制电路；放电电路与一电压检测单元串联到负载，所述电压检测单元检测放电电路与负载工作的电压信号。

其中，光敏开关电路连接到太阳能电池板，通过光敏开关电路作为第一步判定白天和黑夜，进而作为蓄电池充电的一次开关，通过防反充电电路判定蓄电池充电是否充满，作为第二次蓄电池充电的二次开关。

其中，BUCK充电电路与蓄电池连接，对蓄电池的充电。BUCK充电电路为同步续流BUCK拓扑电路。BUCK充电电路采用MOS低导通内阻的MOS管代替二极管，减小功率损耗降低发热量，缩减控制器体积，节约产品成本。

其中，显示单元采用LCD显示器。

其中，ADC采样电路还连接到太阳能电池板，采集太阳能电池板的电信号。

其中，电信号包括电压信号、电流信号和温度信号。

通过恒压恒流充电以及MCU控制电路的充电控制方式减少了铅酸蓄电池充电时所发生的极化反应，提高充电效率，通过敏开关电路连接到太阳能电池板，通过光敏开关电路作为第一步判定白天和黑夜，进而作为蓄电池充电的一次开关，通过防反充电电路判定蓄电池充电是否充满，作为第二次蓄电池充电的二次开关，达到了保护蓄电池的效果，提高了蓄电池的使用寿命。

基于同步续流BUCK拓扑电路的太阳能充放电控制器，它包括太阳能组件和BUCK电路的输入端相连，BUCK电路的输出端和蓄电池相连，MCU根据采样电路的反馈结果和恒压恒流的不同阶段控制BUCK电路的工作状态。

LCD显示单元时时接收来自MCU的信息，直观的展示控制器所有采样数据和工作状态，并支持按键操作，用来设置产品的工作参数。放电电路通过MCU提供的驱动信号来控制负载的运行与关闭。

如图2所示为负载电流采样，如图5所示为太阳能输入电流采样，如图3所示为太阳能板电压和如图4所示蓄电池电压采样。电流采样部分对低压的输入信号放大47倍，再经过保护电路R14、D1和R23、D3接入MCU的AD采样口，提高的弱信号的采样能力。电压采样部分采用1％精度的电阻对太阳能板和蓄电池的输入电压进行分压再经过保护电路R38、D5和R39、D6接入MCU的AD采样口。

如图6所示，本实用新型的系统MCU采用STM32F103C8T6，采用外部8MHZ高精度晶振经过9倍频后产生72MHZ的系统频率。使用外部3.3V做为系统的参考电压，即MCU的第9脚，参考点标记为VDDA，以此来做为运算放大器的基准点。配置为同时采样6组数据，输出2组共计5路频率和占空比都不相同的PWM信号做为整个系统的驱动信号，同时启用两组USART口，其中一组给控制器的LCD提供显示内容，另一组用来做为控制器与PC的连接端口。

如图7-9所示，本控制器的驱动芯片U6采用美国IR公司生产的IR2110驱动器。它兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，同时具有高端悬浮自举功能，可以减少驱动电源的数目。MCU输出的PWM控制信号为3.3V脉冲，经过U6的电平匹配和转换后分别驱动BUCK电路的降压管和续流管。使用光耦隔离驱动信号的输入和输出，杜绝高压端串入低压端产生危险。

如图10所示，本控制器的BUCK拓扑电路相对于常规的BUCK电路，采用低导通内阻的MOS管代替续流管。

图中S+与S-分别为太阳能的输入正极和负极，BAT+和BAT-为蓄电池的正负极

图中的左上角的Q2只有在太阳能充电电流达到一定值时才由程序控制导通，不仅能降低损耗，而且Q2还起到太阳能防反接和蓄电池防回流的作用。

因为太阳能板的特性太阳能板在低电压时基本不会输出电流，所以对于太阳能不需要Boost充电电路，而且太阳能的最大功率点电压至都较高所以需要Buck电路来给蓄电池充电，防止蓄电池钳位太阳能板电压，降低功率。

Buck工作原理：

当输入电压高于蓄电池电压时。Q3、Q4、Q6、Q7、L3共同组成BUCK电路。

其中Q3、Q4同时导通同时断开，Q6、Q7同时导通同时断开。

Q3、Q4导通时，电流流过L3且线性增加，电感L3储存电能，L3上的电压与蓄电池上的电压Vbt串联，接近于输入电压Vsolar。所以降压充电不会钳位太阳能板电压

Q3、Q4断开时，L3上的电流会保持缓慢减小，L3两端电压极性产生翻转形成高于蓄电池电压的VL，电流经过Q6、Q7给蓄电池充电。在电流逐渐减小的过程中VL逐渐减小至小于Vbt时，C21向电池充电

Buck充电过程中Q3、Q4断开期间叫做降压的续流时间，一般的Buck电路中Q6、Q7的位置采用的是二极管，但是这款控制器采用MOS管和二极管共同续流的方式，在一个续流周期内流进续流管的电流是逐渐减小的，在续流的初始阶段电流比较大，所以采用MOS管续流，因为MOS管导通后压降是由内阻决定的，而且MOS管导通内阻非常小。所以相对于二极管来说发热量很小。在续流的后期电流会很小，程序自动计算在合适的时候断开续流MOS管，使用二极管续流，防止产生反向BOOST现象。

二极管在流过20A电流时压降在1.2V左右，如果流过二极管的电流达到20A，那么损耗功率P＝U*I，1.2V*20A＝24W

也就说24W全部产生热量，不仅浪费能源而且电路将产生高温，但是新型电路采用MOS管续流，在续流期间的前段时间电流足够大时MOS管导通减小损耗，在后期电流减小时MOS管断开使用外置二极管续流防止蓄电池回流。MOS导通内阻一般在0.03Ω。通过相同的20A电流，MOS管上的损耗功率P＝I*I*R，20A*20A*0.03Ω＝12W

由此可见使用MOS管续流能够减小损耗，提高充电效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。