专利名称：一种太阳能最大功率跟踪充电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种太阳能最大功率跟踪充电装置。
背景技术：
在太阳能独立系统中，目前常用的充电电路采用将太阳能电池与蓄电池直接耦合的方式，大部分情况下，蓄电池电压远低于太阳能电池的最大功率点电压，这就导致了太阳能电池的工作点远离最大功率点，造成输出功率减小，浪费了宝贵的太阳能资源。为了实现节能降耗，针对太阳能独立系统中传统充电方式的缺陷而采取的 MPPT (Maximum Power Point !"racking，最大功率点跟踪)技术逐渐兴起。目前MPPT技术在太阳能系统中主要有CVT(The conventional Constant Voltage Tracking，恒定电压跟踪)方式，扰动观察法和增量电导法。下面以扰动观察法和增量电导法为例，分析他们的优缺点。对于扰动观察法扰动观察法就是在光伏阵列正常工作时，不断地对它的工作电压进行很小的扰动，在电压变化的同时，检测功率也发生变化，根据功率的变化方向，决定下一步的电压改变方向。扰动观察法的优点是简单可靠，容易实现。它的存在问题在于1、 系统必须引入扰动，寻优的最后结果是系统在最大功率点附近很小的范围内来回震荡。2、 难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，光伏陈列可能长时间工作于低功率区，步长过大，在最大功率点附近的震荡又加大了。对于增量电导法增量电导法的原理就是计算太阳能陈列功率对电压的导数，在最大功率点，其导数为零。针对太阳能P-V特性，只要在导数大于零的区域增加电压，在导数小于零的区域减小电压，在导数等于或者非常接近零时，电压保持不变即为最大功率点。 增量电导法的优点是通常找到的最大功率点比较稳定，不会来回摆动。它存在的最大问题在于太阳能陈列可能由于某种干扰存在一个局部最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最优点工作。下面介绍以扰动观察法和增量电导法为代表的MPPT技术共同的缺点当现有的MPPT系统工作后，一直不断的寻找最大功率点，使得在寻找过程中，有很大一部分时间工作在非最大功率区间，特别是在光照和温度有细微变化时，都会激发控制器去重新寻找，最终导致在最大功率点工作的时间减少，而全天大部分时间都处在寻找的过程中。另外，目前的大部分MPPT算法只是一个理论推导，没有真正应用到实际产品，有的虽然可以实现寻找最大功率点，但实现的硬件电路复杂，没有考虑MPPT控制器本身的效率问题，最终导致提升的功率大部分又被自身损耗掉了。没有达到最大限度的提升光伏系统充电效率的目的
实用新型内容
[0009]本实用新型的目的就是要提供一种能提高太阳能电池对蓄电池充电效率的太阳能最大功率跟踪充电装置。为实现上述目的，本实用新型所设计的一种太阳能最大功率跟踪充电装置，其特征在于它包括降压式变换模块和所述MPPT核心控制模块，其中，降压式变换模块的控制端连接MPPT核心控制模块，降压式变换模块的信号输入端连接太阳能电池，降压式变换模块的信号输出端连接蓄电池。优选的，它还包括防反向放电控制模块和防电池反接控制模块，其中，降压式变换模块的信号输入端通过防反向放电控制模块连接太阳能电池，降压式变换模块的信号输出端通过防电池反接控制模块连接蓄电池。优选的，所述降压式变换模块包括电感L、电解电容C、场效应管M0S2和场效应管 M0S3，所述防反向放电控制模块包括场效应管M0S1，所述防电池反接控制模块包括场效应管M0S4，其中，MPPT核心控制模块的同步整流控制端连接场效应管M0S3的栅极，场效应管 M0S3的漏极D连接电感L的一端，电感L的另一端连接蓄电池正极BATTERY+，场效应管M0S3 的源级S连接场效应管M0S4的源级S，场效应管M0S4的漏极D连接蓄电池负极BATTERY-， 场效应管M0S4的栅极连接MPPT核心控制模块的防电池反接控制端，场效应管M0S4的源级 S连接场效应管M0S2的漏极D，场效应管M0S2的栅极连接MPPT核心控制模块的MPPT控制端，场效应管M0S2的源级S连接场效应管MOSl的源级S，场效应管MOSl的漏极D连接太阳能电池的负极S0L-，场效应管MOSl的栅极连接MPPT核心控制模块的防反向放电控制端， 所述电感L的一端连接太阳能电池的正极S0L+，电解电容C的正极连接太阳能电池的正极 SOL+,电解电容C的负极连接场效应管MOSl的源级S。优选的，所述降压式变换模块包括电感L、电解电容C、场效应管M0S2和场效应管 M0S3，所述防反向放电控制模块包括场效应管M0S1，所述防电池反接控制模块包括场效应管M0S4，其中，MPPT核心控制模块的同步整流控制端连接场效应管M0S3的栅极，场效应管 M0S3的漏极D连接电感L的一端，电感L的另一端连接蓄电池正极BATTERY+，场效应管M0S3 的源级S连接场效应管M0S4的源级S，场效应管M0S4的漏极D连接蓄电池负极BATTERY-， 场效应管M0S4的栅极连接MPPT核心控制模块的防电池反接控制端，场效应管M0S4的源级 S连接太阳能电池的负极S0L-，场效应管M0S2的源级S连接电感L的一端，场效应管M0S2 的漏极D连接场效应管MOSl的漏极D，场效应管M0S2的栅极连接MPPT核心控制模块的 MPPT控制端，场效应管MOSl的源级S连接太阳能电池的正极S0L+，场效应管MOSl的栅极连接MPPT核心控制模块的防反向放电控制端，所述电解电容C的正极连接场效应管MOSl 的漏极D，电解电容C的负极连接太阳能电池的负极SOL-。本实用新型在太阳能电池和蓄电池之间设置MPPT核心控制模块，在MPPT核心控制模块中将扰动观察法和增量电导法有机的结合到了一起，首先采用相对较大步长的扰动法全局寻优，在找出全局最大功率点后，再采用增量电导法跟踪最大功率点，摄取两种方法的优点以确保当前最大功率点的准确性。然后，找到最大功率点后就会锁定8 10分钟， 8 10分钟以后再第2次寻找最大功率点。而寻找最大功率点的时间只要10 15秒，这样就确保了系统在最大功率点的工作时间。由于本实用新型的充电装置采用了上述太阳能最大功率跟踪方法，使得实用新型的装置具有如下优点1)能最大限度的使本装置工作在太阳能阵列的最大功率点，提高太阳能电池组件发电利用率10% 50% ；2)装置自身的电转换效率提高，发热量减小；幻设计的同步整流功能，提高了降压式变换模块的电能转换效率；4)设置的防反向放电控制模块和防电池反接控制模块能很好的保证本装置的可靠性。
图1为本实用新型的原理框图；图2为本实用新型的太阳能最大功率跟踪充电装置的共正极电路图；图3为本实用新型的太阳能最大功率跟踪充电装置的共正极电路图。其中，图2和图3中MPPT核心控制模块的太阳能采样接1和太阳能采样接口 2， 分别连接太阳能阵列的采样端；MPPT核心控制模块的电池采样接口 1和电池采样接口 1分别连接蓄电池的采样端；MPPT核心控制模块的供电电源+接口和供电电源-接口连接MPPT 的供电电源；MPPT核心控制模块的负载放电控制接口连接负载控制端。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明如图1所示的一种太阳能最大功率跟踪充电装置，它包括降压式变换模块和所述 MPPT核心控制模块，其中，降压式变换模块的控制端连接MPPT核心控制模块，降压式变换模块的信号输入端连接太阳能电池，降压式变换模块的信号输出端连接蓄电池。上述技术方案中，优选的它还可以包括防反向放电控制模块和防电池反接控制模块，其中，降压式变换模块的信号输入端通过防反向放电控制模块连接太阳能电池，降压式变换模块的信号输出端通过连接防电池反接控制模块连接蓄电池。如图2所示，根据上述技术方案设计出的共正极MPPT充电装置，降压式变换模块包括电感L、电解电容C、场效应管M0S2和场效应管M0S3，所述防反向放电控制模块包括场效应管M0S1，所述防电池反接控制模块包括场效应管M0S4，其中，MPPT核心控制模块的同步整流控制端连接场效应管M0S3的栅极，场效应管M0S3的漏极D连接电感L的一端，电感 L的另一端连接蓄电池正极BATTERY+，场效应管M0S3的源级S连接场效应管M0S4的源级 S，场效应管M0S4的漏极D连接蓄电池负极BATTERY-，场效应管M0S4的栅极连接MPPT核心控制模块的防电池反接控制端，场效应管M0S4的源级S连接场效应管M0S2的漏极D，场效应管M0S2的栅极连接MPPT核心控制模块的MPPT控制端，场效应管M0S2的源级S连接场效应管MOSl的源级S，场效应管MOSl的漏极D连接太阳能电池的负极S0L-，场效应管MOSl 的栅极连接MPPT核心控制模块的防反向放电控制端，所述电感L的一端连接太阳能电池的正极S0L+，电解电容C的正极连接太阳能电池的正极S0L+，电解电容C的负极连接场效应管MOSl的源级S。上述共正极MPPT充电装置的工作原理为MPPT核心控制模块通过对太阳能电池的电压和电流采样后，经过内部MCU分析计算，采用上述的太阳能最大功率跟踪方法(MPPT 技术策略)，快速跟踪太阳能电池的最大功率点，其电路外部表现为对场效应管M0S2输出最优PWM波形，在蓄电池需要充电的情况下，始终保持太阳能电池以最大功率输出。每隔 8 10分钟重新寻找一次最大功率点。图中电感L和电解电容C在电路中起畜能作用。场效应管M0S3代替了常规降压式变换模块中的续流二极管，采用同步整流技术进一步增加转化效率。场效应管MOSl在电路中的作用是防止夜间电池反向向太阳能放电以及防止太阳能电池反接。场效应管M0S4在电路中的作用是防电池反接。如图3所示，根据上述技术方案设计出的共负极MPPT充电装置，降压式变换模块包括电感L、电解电容C、场效应管M0S2和场效应管M0S3，所述防反向放电控制模块包括场效应管M0S1，所述防电池反接控制模块包括场效应管M0S4，其中，MPPT核心控制模块的同步整流控制端连接场效应管M0S3的栅极，场效应管M0S3的漏极D连接电感L的一端，电感 L的另一端连接蓄电池正极BATTERY+，场效应管M0S3的源级S连接场效应管M0S4的源级 S，场效应管M0S4的漏极D连接蓄电池负极BATTERY-，场效应管M0S4的栅极连接MPPT核心控制模块的防电池反接控制端，场效应管M0S4的源级S连接太阳能电池的负极S0L-，场效应管M0S2的源级S连接电感L的一端，场效应管M0S2的漏极D连接场效应管MOSl的漏极D，场效应管M0S2的栅极连接MPPT核心控制模块的MPPT控制端，场效应管MOSl的源级 S连接太阳能电池的正极S0L+，场效应管MOSl的栅极连接MPPT核心控制模块的防反向放电控制端，所述电解电容C的正极连接场效应管MOSl的漏极D，电解电容C的负极连接太阳能电池的负极SOL-。上述共负极MPPT充电装置的工作原理为MPPT核心控制模块通过对太阳能、电池的电压电流等采样后，经过内部MCU分析计算，采用上述的太阳能最大功率跟踪方法(MPPT 技术策略)，快速跟踪太阳能电池的最大功率点，其电路外部表现为对场效应管M0S2输出最优PWM波形，在电池需要充电的情况下，始终保持太阳能电池以最大功率输出。每隔8 10分钟重新寻找一次最大功率点。图中电感L和电容C在电路中起畜能作用。场效应管 M0S3代替了常规降压式变换模块中的续流二极管，采用同步整流技术进一步增加转化效率。场效应管MOSl在电路中的作用是防止夜间电池反向向太阳能放电以及防止太阳能电池反接。场效应管M0S4在电路中的作用是防蓄电池反接。共负极MPPT充电装置相比上述共正极MPPT充电装置驱动上更为复杂，各场效应管栅极驱动需要彼此隔离。上述MPPT核心控制模块中的太阳能最大功率跟踪方法，它包括如下步骤步骤101 启动，并初始化MPPT核心控制模块；步骤102 检测太阳能阵列的电流和电压，并通过扰动全局寻优法找到被检测太阳能阵列的最大功率区间；步骤201 确定太阳能阵列的最大功率区间，在该区间内检测太阳能阵列的电流和电压，并在该区间内随机确定一个功率点，然后对太阳能阵列的电压以i/K*m步长扰动 (其中，m为全局步长系数，κ为局部步长比例系数)；步骤202 得出所述1/K*m步长扰动前后太阳能阵列的电压差值、电流差值、以及当前负载电导和太阳能微变电导的和；实际控制中电导法对太阳能功率变换如下P = ；dp/vdv = i/u+di/dv ；G = i/u ； AG = di/dv ；P:太阳能功率U:太阳能电压 i:太阳能电流G 负载电导 AG:太阳能微变电导步骤203 当所述步长扰动前后太阳能阵列的电压差值小于给定电压变化阈值时，检查太阳能阵列的电流差值是否小于给定电流变化阈值；当所述步长扰动前后太阳能阵列的电压差值大于给定电压变化阈值时，检测太阳能阵列的当前负载电导和太阳能微变电导的和的绝对值是否小于给定变化阈值；[0036]实际操作中，对于给定电压变化阈值，比如步长改变前电压是17V，电压变化阀值设为0. IV，步长改变后电压(U)为U <16. 9V或U> 17. IV，就是电压差值大于给定变化阀值，如果步长改变后电压(U)为16. 9V < U < 17. IV，就是电压差值小于给定变化阀值；对于给定电流变化阈值，比如步长改变前电流是10A，电流变化阀值设为0. 1A，步长改变后电流(I)为I < 9. 9A或I > 10. IA就是电流差值大于给定变化阀值，如果步长改变后电流(I)为9. 9A彡I彡10. IA就是电流差值小于给定变化阀值；对于当前负载电导和太阳能微变电导的和的绝对值，比如它的变化阀值设为 0. 05，当前负载电导和太阳能微变电导的和的绝对值(D)D > 0. 05，就是电导差值大于给定变化阀值，如果当前负载电导和太阳能微变电导的和的绝对值⑶为05，就是电导差值小于给定变化阀值。步骤204 当所述步长扰动前后太阳能阵列的电流差值小于给定电流变化阈值时即找到当前最大功率点；步骤205 当所述步长扰动前后太阳能阵列的电流差值大于给定电流变化阈值时，检测电流差值是否大于零，当电流差值大于零时通过改变步长来增加太阳能的电压，再回到步骤202重新寻找太阳能阵列的当前最大功率点；当电流差值小于零时通过改变步长来减小太阳能阵列的电压，再回到步骤202重新寻找太阳能阵列的当前最大功率点；步骤206 当所述检测的太阳能阵列的当前负载电导和太阳能微变电导的和的绝对值小于给定变化阈值时，即找到当前最大功率点；步骤207 当所述检测的太阳能阵列的当前负载电导和太阳能微变电导的和的绝对值大于给定变化阈值时，检测太阳能阵列的当前负载电导和太阳能微变电导的和的实际值是否大于零，当太阳能阵列的当前负载电导和太阳能微变电导的和的实际值大于零时， 通过改变步长来增加太阳能阵列的电压，再回到步骤202重新寻找太阳能阵列的当前最大功率点；当太阳能阵列的当前负载电导和太阳能微变电导的和的实际值小于零时，通过改变步长来减小太阳能阵列的电压，再回到步骤202重新寻找太阳能阵列的当前最大功率点。步骤301 对步骤204、步骤206中找到的当前最大功率点通过在单片机中设置延时来(即固定了当前占空比的方式)锁定8 10分钟，以确保处于所述当前最大功率点的工作时间；找到最大功率点后锁定8 10分钟，8 10分钟以后再第2次寻找最大功率点。 而每次寻找最大功率点的时间只要只要10 15秒，这样就确保了系统在最大功率点的工作时间。因为在一天当中，每8 10分钟之间，其最大功率点几乎是相同的。步骤302 检查锁定的时间是否达到8 10分钟，当锁定的时间少于8 10分钟时，回到步骤301重新锁定；当锁定的时间达到8 10分钟时，回到步骤101。上述技术方案中所述步骤102的扰动全局寻优法包括如下步骤步骤1021 得出太阳能阵列当前的功率；步骤1022 检查当前的太阳能阵列功率是否高于上次检查时的功率；步骤1023 当前的太阳能阵列功率高于上次检查的功率时，检查此次的太阳能阵列电压是否高于上次检查时的电压；步骤10 当此次的太阳能阵列电压高于上次检查的电压时，通过改变步长来增加太阳能的电压；[0050]步骤1025 当此次的太阳能阵列电压低于上次检查的电压时，通过改变步长来减小太阳能阵列的电压；步骤10 当前的太阳能阵列功率低于上次检查的功率时，检查此次的太阳能阵列电压是否高于上次检查时的电压；步骤1027 当此次的太阳能阵列电压高于上次检查的电压时，通过改变步长来减小太阳能阵列的电压；步骤10 当此次的太阳能阵列电压低于上次检查的电压时，通过改变步长来增加太阳能阵列的电压。上述技术方案中，在步骤201和步骤202中K为10 20，附为10 16 ；在步骤 205和步骤207中的步长改变量为1/Κ_1，其中，K为10 20，m为10 16 ；所述步骤205 中，通过1/K*m步长改变量的不断调节，直至当步骤203中的电流差值小于给定变化阀值时，即找到当前最大功率点，在步骤207中，通过1/K*m步长改变量的不断调节，直至当步骤203中太阳能阵列的当前负载电导和太阳能微变电导的和的绝对值小于给定变化阀值时，即找到当前最大功率点。在步骤1024、步骤1025、步骤1027和步骤10 中的步长改变量为1/N1，其中，m为10 16。上述K和m会根据电压变化幅度的大小而调整，比如，步长改变前后电压变化太大就会增加Nl和或K，增加了 Nl和或K步长1/KN1就小了。上述技术方案中，步骤205和步骤207中的步长改变是通过改变MPPT核心控制模块的控制波形PWM的占空比来实现；步骤1024、步骤1025、步骤1027和步骤10 中的步长改变也是通过改变MPPT核心控制模块的控制波形PWM的占空比来实现。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求1.一种太阳能最大功率跟踪充电装置，其特征在于它包括降压式变换模块和所述 MPPT核心控制模块，其中，降压式变换模块的控制端连接MPPT核心控制模块，降压式变换模块的信号输入端连接太阳能电池，降压式变换模块的信号输出端连接蓄电池。
2.根据权利要求1所述的太阳能最大功率跟踪充电装置，其特征在于它还包括防反向放电控制模块和防电池反接控制模块，其中，降压式变换模块的信号输入端通过防反向放电控制模块连接太阳能电池，降压式变换模块的信号输出端通过防电池反接控制模块连接蓄电池。
3.根据权利要求2所述的太阳能最大功率跟踪充电装置，其特征在于所述降压式变换模块包括电感L、电解电容C、场效应管M0S2和场效应管M0S3，所述防反向放电控制模块包括场效应管M0S1，所述防电池反接控制模块包括场效应管M0S4，其中，MPPT核心控制模块的同步整流控制端连接场效应管M0S3的栅极，场效应管M0S3的漏极D连接电感L的一端，电感L的另一端连接蓄电池正极BATTERY+，场效应管M0S3的源级S连接场效应管M0S4 的源级S，场效应管M0S4的漏极D连接蓄电池负极BATTERY-，场效应管M0S4的栅极连接 MPPT核心控制模块的防电池反接控制端，场效应管M0S4的源级S连接场效应管M0S2的漏极D，场效应管M0S2的栅极连接MPPT核心控制模块的MPPT控制端，场效应管M0S2的源级 S连接场效应管MOSl的源级S，场效应管MOSl的漏极D连接太阳能电池的负极S0L-，场效应管MOSl的栅极连接MPPT核心控制模块的防反向放电控制端，所述电感L的一端连接太阳能电池的正极S0L+，电解电容C的正极连接太阳能电池的正极S0L+，电解电容C的负极连接场效应管MOSl的源级S。
4.根据权利要求2所述的太阳能最大功率跟踪充电装置，其特征在于所述降压式变换模块包括电感L、电解电容C、场效应管M0S2和场效应管M0S3，所述防反向放电控制模块包括场效应管MOSl，所述防电池反接控制模块包括场效应管M0S4，其中，MPPT核心控制模块的同步整流控制端连接场效应管M0S3的栅极，场效应管M0S3的漏极D连接电感L的一端，电感L的另一端连接蓄电池正极BATTERY+，场效应管M0S3的源级S连接场效应管M0S4 的源级S，场效应管M0S4的漏极D连接蓄电池负极BATTERY-，场效应管M0S4的栅极连接 MPPT核心控制模块的防电池反接控制端，场效应管M0S4的源级S连接太阳能电池的负极 SOL-,场效应管M0S2的源级S连接电感L的一端，场效应管M0S2的漏极D连接场效应管 MOSl的漏极D，场效应管M0S2的栅极连接MPPT核心控制模块的MPPT控制端，场效应管MOSl 的源级S连接太阳能电池的正极S0L+，场效应管MOSl的栅极连接MPPT核心控制模块的防反向放电控制端，所述电解电容C的正极连接场效应管MOSl的漏极D，电解电容C的负极连接太阳能电池的负极SOL-。
专利摘要一种太阳能最大功率跟踪充电装置，它包括降压式变换模块和所述MPPT核心控制模块，其中，降压式变换模块的控制端连接MPPT核心控制模块，降压式变换模块的信号输入端连接太阳能电池，降压式变换模块的信号输出端连接蓄电池。实用新型的装置具有如下优点1)能最大限度的使本装置工作在太阳能阵列的最大功率点，提高太阳能电池组件发电利用率10％～50％；2)装置自身的电转换效率提高，发热量减小；3)设计的同步整流功能，提高了降压式变换模块的电能转换效率。
文档编号G05F1/67GK202004494SQ201120103300
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者赵金友, 郭万寿 申请人:武汉万鹏科技有限公司