一种独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统，包括光伏供电组件、直流控制器、逆变器，直流控制器与光伏供电组件和逆变器电连接，直流控制器的正、负输出端分别与直流母线连接，直流母线上并联多个充放电单元，每个充放电单元都包括双向DC/DC变换器和蓄电池，双向DC/DC变换器与蓄电池电连接，检测控制组件通过485通讯线分别与直流控制器、逆变器和双向DC/DC变换器通讯连接，检测控制组件包括STM32F0单片机以及与STM32F0单片机相连的外围电路，外围电路包括晶振电路、复位电路、接口电路、外部存储电路、时钟电路和异步通信电路。该管理系统能实现充电效率最大化，无需软件、高效可靠、整体寿命高，并且可灵活变化、易于扩展；同时价格低、易推广应用。
【专利说明】—种独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于太阳能光伏发电领域，涉及一种太阳能光伏发电过程中的管理系统，尤其涉及一种独立光伏发电系统的蓄电池充放电管理系统。
【背景技术】
[0002]在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏电池输出最大功率，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，通常只顾及到一个方面，如只追踪光伏电池最大功率点而放弃蓄电池的最佳充放电，而蓄电池作为光伏系统中最易损坏的环节，将严重影响整个光伏系统的效率和寿命，导致成本和维护费用大大增加。
[0003]目前，免维护铅酸蓄电池作为储能设备，由于维护量小，使用方便等优点，在光伏系统中得到大量应用。蓄电池充放电是根据化学反应进行的，即电池主要组件的结构和化学成分发生连续和深度的变化。所以与一般电子零部件相比，蓄电池对温度变化更为敏感。此外，反应速率，即充电电流或放电电流，影响反应参数并由此影响蓄电池的性能。同时，光伏系统中的蓄电池的工作条件与蓄电池在其他场合的工作条件不同，其充电率和放电率都非常小，且充电时间受到限制，即只有在日照时才能充电，所以不能按一固定的充电规律对其进行充电。由于蓄电池应用在这个特殊的环境下，也因此成为整个光伏系统中最易损坏的部分，日常的合理维护措施是必不可少的。目前，研究发现，问题在于蓄电池用于光伏时，充电时间受限制且充放电倍率小。蓄电池长期处于欠充状态；从而加快硫酸盐化及酸液分层。同时，小电流放电下所形成的PbS04结晶颗粒粗大，这种结晶溶解困难，最终影响了蓄电池的寿命。
[0004]目前，在设计光伏系统时，将光伏电池和负载及蓄电池进行固定匹配，同时，存在上面空运行和欠充两个问题，其基本电路结构如图1所示。直流控制器2的输出端直接与蓄电池7和逆变器3相连，这样做可以避免过充，但却无法解决可能出现的欠充，蓄电池缺乏有效保护，得不到最佳充电，长此下去将导致蓄电池寿命降低，增加了系统维护费用。另夕卜，当光伏电池输出功率较大时，由于逆变器负载一般不随意变化，在一定时间段内就可能出现充电功率过大现象，需要启动保护电路限制充电强度，这样势必会造成能源浪费，间接地增加了系统发电成本。同样，由于负载的不确定性，在蓄电池单独供电时就会出现所有电池单元部分放电现象，即蓄电池不能完全放电，这样对蓄电池也是有害的。
[0005]为了解决上述问题，最近出现了一种新的蓄电池充电管理系统。如图2所示，所述蓄电池充放电管理系统包括光伏供电组件1、直流控制器2和逆变器3。所述直流控制器2与所述光伏供电组件I和所述逆变器3电连接。所述直流控制器2的正、负输出端分别与直流母线8连接。所述直流母线8上并联多个充放电单元。每个所述充放电单元都包括双向DC/DC变换器6和蓄电池7。所述双向DC/DC变换器7与所述蓄电池7电连接。主控计算机4通过485通讯线5分别与所述直流控制器2、逆变器3和双向DC/DC变换器6通讯连接。该蓄电池充放电管理系统一定程度了解决了上述问题，但是其也具有如下缺点:首先，其需要购买价值昂贵的主控计算机，成本比较高，使得其推广和普及应用受到很大限制；其次，采用主控计算机进行控制，需要使用控制软件，使得其对操作人员的技术要求较高，进一步限制了其推广应用；最后，整个管理系统要依赖控制软件，因此可靠性差、整体寿命较短。
[0006]因此，目前迫切需要一种价格低、对技术要求低从而便于推广应用，且可靠性高、整体寿命长的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种新的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统，其能实现充电效率最大化，而且仅仅依靠芯片等硬件而不需要软件，因此高效可靠、整体寿命高，并且可灵活变化、易于扩展；同时价格低、易于推广应用。
[0008]为此，本实用新型提供如下技术方案:一种独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统，包括光伏供电组件、直流控制器、逆变器，所述直流控制器与所述光伏供电组件和所述逆变器电连接，所述直流控制器的正、负输出端分别与直流母线连接，所述直流母线上并联多个充放电单元，每个所述充放电单元都包括双向DC/DC变换器和蓄电池，所述双向DC/DC变换器与所述蓄电池电连接，其特征在于，检测控制组件通过485通讯线分别与所述直流控制器、逆变器和双向DC/DC变换器通讯连接，所述检测控制组件包括STM32R)单片机和与所述STM32R)单片机相连的外围电路，所述外围电路包括晶振电路、复位电路、接口电路、外部存储电路、时钟电路和异步通信电路。
[0009]进一步地，其中，所述STM32F0单片机内置可编程看门狗定时器、片内模拟比较器、SPI串口、UART串口及8位A/D转换器。
[0010]本实用新型所述的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统一方面能够实现充电效率最大化；另一方面，其仅仅依靠芯片等硬件就能实现蓄电池充放电的管理，而不需要软件，因此高效可靠、整体寿命高；再一方面，其可灵活变化、易于扩展；最后，价格低、技术要求简单，从而易于推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是现有技术的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统的示意图。
[0012]图2是另一现有技术的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统的示意图。
[0013]图3是本实用新型的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统的示意图。
[0014]图4是本实用新型中的STM32R)单片机与部分外围电路的详细连接示意图。
[0015]图5是本实用新型中的异步通信电路的示意图。
[0016]图6是本实用新型中的接口电路的示意图。
[0017]图7是本实用新型中的R8485通信接口的示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图详细描述本实用新型的【具体实施方式】，【具体实施方式】的内容不作为对本实用新型的保护内容的限制。
[0019]本实用新型涉及一种独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统，其能实现充电效率最大化，而且仅仅依靠芯片等硬件而不需要软件，因此高效可靠、整体寿命高，并且可灵活变化、易于扩展；同时价格低、易于推广应用。
[0020]图3示出了本实用新型的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统的示意图。如图3所示，所述独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统包括光伏供电组件1、直流控制器2和逆变器3。所述直流控制器2与所述光伏供电组件I和所述逆变器3电连接。所述直流控制器2的正、负输出端分别与直流母线8连接。所述直流母线8上并联多个充放电单元。每个所述充放电单元都包括双向DC/DC变换器6和蓄电池7。所述双向DC/DC变换器6与所述蓄电池7电连。其中，所述光伏供电组件I用于将太阳能转换为直流电。所述直流控制器2是含有MPPT算法的DC/DC变换器。通过所述直流控制器2可以将所述光伏供电组件I转化的直流电进行MPPT算法后的直流电流入所述直流母线8。所述逆变器3则用于将所述直流母线8内的直流电转化为交流电。所述双向DC/DC变换器6则用于实现蓄电池7的充放电动作。所述蓄电池7用于实现存储所述光伏供电组件I产生的电能。
[0021]在本实用新型中，所述独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统进一步包括检测控制组件。所述检测控制组件通过485通讯线5分别与所述直流控制器2、逆变器3和双向DC/DC变换器6通讯连接。通过所述检测控制组件来监测所述光伏供电组件I的输出功率和各组蓄电池7的容量状况，从而通过控制MPPT算法实现蓄电池7的充电或放电状态。
[0022]在本实用新型中，如图3所示的那样，所述检测控制组件包括STM32R)单片机和与所述STM32R)单片机相连的外围电路。所述外围电路包括晶振电路、复位电路、接口电路、外部存储电路、时钟电路和异步通信电路。所述STM32R)单片机内置可编程看门狗定时器、片内模拟比较器、SPI串口、UART串口及8位A/D转换器。其中，所述晶振电路为所述STM32F0单片机提供时钟周期。所述复位电路可使所述STM32R)单片机系统随时进行复位操作。所述接口电路是所述STM32R)单片机的异步通信电路与所述双向DC/DC变换器连接的接口。所述外部存储电路负责存贮系统运行数据。所述时钟电路可实时显示时间。所述异步通信电路负责所述STM32R)单片机与所述双向DC-DC变换器之间的信号传递以及驱动所述双向DC-DC变换器按照所述STM32R)单片机发出的PWM信号进行调整。
[0023]由于图幅大小的限制，图4示出了本实用新型中的STM32R)单片机与部分外围电路(晶振电路、复位电路、外部存储电路和时钟电路)的详细连接示意图，其中异步通信电路和接口电路以及单片机与485通讯线连接的RS485通信接口单独示出。图5示出了本实用新型中的异步通信电路的示意图。图6示出了本实用新型中的接口电路的示意图。图7示出了本实用新型中的RS485通信接口的示意图。其中，所述异步通信电路通过所述接口电路与所述双向DC/DC变换器进行连接。所述RS485通信接口用于实现所述485通讯线5与所述STM32R)单片机的连接。如图4-7所示，所述STM32R)单片机读取通过RS485总线发来的当前蓄电池状态、光伏输出功率、负载功率等信息并产生对应的PWM信号。其中，PWM的载波周期由片内定时器TO完成，定义T/C1控制寄存器TCCRlA和T/C2控制寄存器TCCR2，使T/C1工作在8位P丽模式。再由PA、PB端口输出P丽控制信号，PA0-PA7、PB5-PB15 口分别与两块74HC245芯片的B0-B7 口相连，从而将PWM信号发送到异步通信芯片74HC245，74HC245是三态8位总线收发器，可进行2路异步数据总线之间的通信。在所述STM32R)单片机的并行接口与外部受控设备的并行接口间使用74HC245可起到缓冲及驱动作用。设置74HC245芯片DIR = O、DE = 0，定义B0-B7为输入端口 A0-A7为输出端口。74HC245芯片A0-A7输出端口与接口电路相连，并通过接口电路连接到DC/DC变换器，通过PWM信号同时同方向调整DC/DC变换器和充电器的占空比来实现对蓄电池的充电控制。
[0024]充电时，所述STM32R)单片机通过计算光伏组件功率以及输出功率，智能地调节光伏工作点跟踪直流控制器和双向DC/DC变换器，由其动态地确定需充电蓄电池数；放电时，同样要判断光伏输出功率和负载功率的最大差，以此来确定参加放电的蓄电池数；充放电都要维持蓄电池的最佳充放电模式。具体地，充放电之前，检测控制组件将满荷电和已被开启充放电的蓄电池从荷电量序列中去掉。然后按照各个蓄电池荷电多少对其余电池进行排列，将荷电量不满且缺量最多的蓄电池作为第一个充电的电池，然后依次确定充电次序。检测控制组件先从第一个蓄电池开始充电，即先将第一个蓄电池与双向DC/DC变换器一起进行协调控制。控制过程分两种情况来实现:第一，蓄电池在恒流或恒压充电方式下，蓄电池能够接受这个最大功率时，对蓄电池的充电方式保持原方式，这时对蓄电池的充电可以采用常规的控制方法:先恒流、再恒压2阶段控制方式；第二，蓄电池在恒流或恒压充电方式下，蓄电池不能接受阵列输出的最大功率时，采用高效充电技术来提高蓄电池的充电接受能力，使蓄电池得到快速充电，提高蓄电池的荷电水平。然后按照上述所说方法开启第二个双向DC/DC变换器，将其添加到被控制队列中，依次类推。检测控制组件协调各个双向DC/DC变换器，使其都尽可能处于快速充电模式下，并尽可能将先充电的蓄电池充满。放电时与充电相似，实时计算输入输出功率之差，并以此计算出需放电的蓄电池数，计算时以单个蓄电池的最佳放电电流为条件。放电顺序与充电相同，先从荷电量最大的蓄电池开始放电，以防荷电量小的个体电池完全放电后得不到及时再充。当输入输出功率之差减小时，以相反的顺序断开充放电单元。当所有蓄电池端电压到达设置的放电终止电压后，立刻停止放电,避免发生过放电。
[0025]在本实用新型中，检测控制组件由STM32R)单片机和各种电路组成，而各种电路则有相应的廉价芯片制成，因此整个检查控制组件的价格比较低廉，从而有助于其推广应用。另外，各个电路由相应的芯片制成，无需控制软件，因此，其可靠性比较高，从而使得整个管理系统的使用寿命比较长。再次，由于整个检测控制组件都有单片机和芯片组成，而不需要计算机软件等，从而使得其对技术人员的要求比较低，不需要技术人员懂得编程等相关技术，因此，更有利于其推广应用。
[0026]【具体实施方式】的内容是为了便于本领域技术人员理解和使用本实用新型而描述的，并不构成对本实用新型保护内容的限定。本领域技术人员在阅读了本实用新型的内容之后，可以对本实用新型进行合适的修改。本实用新型的保护内容以权利要求的内容为准。在不脱离权利要求的实质内容和保护范围的情况下，对本实用新型进行的各种修改、变更和替换等都在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统，包括光伏供电组件(I)、直流控制器(2)、逆变器(3)，所述直流控制器(2)与所述光伏供电组件(I)和所述逆变器(3)电连接，所述直流控制器(2)的正、负输出端分别与直流母线(8)连接，所述直流母线(8)上并联多个充放电单元，每个所述充放电单元都包括双向DC/DC变换器(6)和蓄电池(7)，所述双向DC/DC变换器(6)与所述蓄电池(7)电连接，其特征在于，检测控制组件通过485通讯线(5)分别与所述直流控制器(2)、逆变器(3)和双向DC/DC变换器(6)通讯连接，所述检测控制组件包括STM32R)单片机和与所述STM32R)单片机相连的外围电路，所述外围电路包括晶振电路、复位电路、接口电路、外部存储电路、时钟电路和异步通信电路。
2.如权利要求1所述的独立光伏系统的蓄电池充放电管理系统,其中，所述STM32R)单片机内置可编程看门狗定时器、片内模拟比较器、SPI串口、UART串口及8位A/D转换器。
【文档编号】H02J7/00GK204118818SQ201420607325
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】冯士芬, 郑周, 高红波 申请人:合肥聚能新能源科技有限公司