一种多块太阳能电池板供能设备的电压调整装置及方法与流程

本发明涉及一种电压调整装置及方法，尤其是一种用于多块太阳能电池板供能设备的电压调整装置及方法。

背景技术：
太阳能作为一种绿色、可持续能源，近年来，随着太阳能发电技术的逐步成熟，也被广泛的运用于各个领域。太阳能电池板具有结构轻便、安全近便等特点。同时近年来，移动用电设备逐步增多，像电动游轮、电动汽车等大型设备及侦察机器人、清理机器人与智能玩具等小型设备都变得非常普及。对于这一类移动的同时又属于长时间在户外工作的用电设备，采用太阳能电池作为供能源无疑是十分理想的方案。但这其中也存在一些问题：1)太阳能虽然是一种可轻松获得的能源但能量密度较低，通常人们以大面积的太阳能电池板阵列的方式来获得足够的太阳能，然而上述的移动用电设备往往具有一定的体积限制；2)用电设备要持续稳定的工作便需要有持续稳定能量来源，太阳能供电设备往往是采用多块太阳能电池板组合输出的方式为系统供能，然而，太阳能电池板的输出功率与电压会随着它所接收到的光照度变化，这便使得供能系统无法在强光与弱光的情况下同时满足设备需求了，通常通过增加电池板数量来改善这一问题，但同时过多的电池板同时输出往往会导致系统过载，特别是在较小电压工作的设备上，接入工作系统的电池板数量需要严格控制；3)在多块太阳能电池板组合供能的设备中，太阳能电池板的直接组合，往往要求其装配的方向及斜度角度都一致，才能避免因输出失衡而损失能量，太阳能电池板输出失衡是指由于不同角度的发电板所接收到的光照度不同，输出状态不同，处于不同输出状态的电池进行组合，可能使得有些接收到光照较少的太阳能电池板成为系统电路中的负载，内部电阻耗能发热，造成电能浪费，降低了装置的整体的能量转化效率，严重的甚至可能导致电池损坏；4)不同类型的太阳能电池板拥有自己特定的伏安特性，只有在外部负载阻抗匹配的情况下才能使电池板有最大的输出功率；5)移动式用电设备最大的特点便是在工作中，自身的位置、形态都在不断变化，并且可能进入各种复杂区域，遇到某些突发情况，例如使用太阳能电池板作为供能的移动设备，可能进入关照度较弱的区域，可能在运动过程中向阳面改变，也可能某块正处于工作状态的电池板部分突然被异物遮挡；6)为保证太阳能蓄电设备尽量高效利用光照，往往采用太阳光向跟踪方式装配太阳能电池板，然而太阳光向跟踪方式会使得设备受到的风阻较大，影响设备自身运动。因此，需要一种适用于移动式多块太阳能电池板供能设备的组合输出电压调整方法及其装置以解决上述问题。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是现有技术中的多块太阳能电池板供能设备存在体积较大、工作状态不确定、组合失衡、输出效率低、电压不稳定且不便于固定在运动设备上的缺陷。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多块太阳能电池板供能设备的电压调整装置，包括太阳能电池板模块、组合通路选择输出电路以及测控电路；太阳能电池板模块由N+1片太阳能电池板分别安装在N棱锥台的锥台侧面以及锥台顶面构成；组合通路选择输出电路包括(N+3)×N÷2个通断可控二极管电路、N+1个电源输入端、(N+3)×N÷2个控制信号输入端以及1个组合电压输出端，用于对N+1片太阳能电池板的输出电压进行串联、并联或串并联组合；测控电路包括电压调理电路和处理器模块；电压调理电路的输入端与组合电压输出端相连，用于将输出电压映射至处理器模块的A/D采集范围内；处理器模块的采集端与电压调理电路的输出端相连；处理器模块的各个控制信号输出端分别与(N+3)×N÷2个控制信号输入端相连；N+1个电源输入端分别与N+1块太阳能电池板的电压输出端相连；组合电压输出端用于连接至负载的供电端。采用N+1片太阳能电池板分别安装在N棱锥台的锥台侧面以及锥台顶面，充分利用了设备可接收太阳光的面积，同时保证装置的水平覆盖面积不会因此显著增加，保证了太阳光能的利用效率，同时使得本装置体积小、简便且牢固；采用(N+3)×N÷2个通断可控二极管电路，能够实现N+1片太阳能电池板串联、并联或串并联的组合电路，而不是将装置中装配的电池板直接、全部地作为输出，有效地避免了太阳能电池板装配数量的问题，既保证了设备正常稳定地工作又防止了设备过载；采用处理器模块实时监测并调整太阳能电池板接入的组合，能有效的剔除工作效率较低的太阳能电池板，避免其成为负载，既提高了电池板的工作效率同时又起到了保护的作用，延长了电池板的使用寿命；采用先检测后调整的方式，可保证多块电池板获得最佳的输出功率，即使在设备移动或转动时也能始终保持有较稳定的电压输出；采用在工作中实时监测并调整工作电压的方式，可应对移动用电设备遇到的突发状况，能保证设备持续的工作；在太阳能电池板的装配上，采用了锥台式，即各个方向的电池板都以斜向的方式装配，可有效的避免设备因电池板而造成的运动空气阻力增大的问题；采用绿色、可持续的太阳能作为主要能量来源作为供能装置，在清洁能源的使用上，增大了运用范围，为节能减排的普及提供了一种新的可能；采用电压调理电路能够将输出电压映射的A/D的测量范围内，方便控制器模块进行电压值采集。作为本发明的进一步限定方案，通断可控二极管电路包括三极管、第一二极管、第二二极管以及P沟道的MOS管；三极管的基极作为通断可控二极管电路的控制信号输入端；MOS管的栅极与三极管的集电极相连；三极管的发射极接地；MOS管的漏极与第二二极管的正极相连；MOS管的源极作为电源输入端的正极端连接至太阳能电池板的正极以及第一二极管的正极；第二二极管的负极作为电源输入端的负极端连接至另一太阳能电池板的负极或负载的负极；第一二极管的负极连接至三极管的集电极。采用三极管间接控制MOS管的通断，能够实现装置控制的安全性。作为本发明的进一步限定方案，通断可控二极管电路为可控二极管；可控二极管的阳极作为电源输入端的正极端，可控二极管的阴极作为电源输入端的负极端，可控二极管的可控极作为通断可控二极管电路的控制信号输入端。作为本发明的进一步限定方案，太阳能电池板模块由V1、V2、V3、V4和V5共五片太阳能电池板分别安装在四棱锥台的锥台侧面以及锥台顶面构成；组合通路选择输出电路由D12、D13、D14、D15、D23、D24、D25、D34、D35、D45、D20、D30、D40和D50共十四个通断可控二极管电路构成；V1的负极与组合电压输出端的负极相连；V1的正极分别与D12、D13、D14以及D15的正极端相连；D12的负极端与V2的负极相连；D13的负极端分别与V3的负极以及D23的负极端相连；D14的负极端分别与V4的负极、D24的负极端以及D34的负极端相连；D15的负极端分别与V5的负极、D25的负极端、D35的负极端以及D45的负极端相连；V2的正极分别与D20的正极端、D23的正极端、D24的正极端以及D25的正极端相连；V3的正极分别与D30的正极端、D34的正极端以及D35的正极端相连；V4的正极分别与D45的正极端以及D40的正极端相连；V5的正极与D50的正极端相连；D20的负极端、D30的负极端、D40的负极端以及D50的负极端均连接至组合电压输出端的正极，V1的负极连接至组合电压输出接口的负极；D12的控制信号输入端、D13的控制信号输入端、D14的控制信号输入端、D15的控制信号输入端、D23的控制信号输入端、D24的控制信号输入端、D25的控制信号输入端、D34的控制信号输入端、D35的控制信号输入端、D45的控制信号输入端、D20的控制信号输入端、D30的控制信号输入端、D40的控制信号输入端以及D50的控制信号输入端均与处理器模块的控制信号输出端相连。作为本发明的进一步限定方案，述电压调理电路为分压电路。本发明还提供了一种多块太阳能电池板供能设备的电压调整装置的电压调整方法，包括如下步骤：步骤1，处理器模块设定循环查询周期以及负载的额定电压值；步骤2，处理器模块向组合通路选择输出电路中的各个通断可控二极管电路遍历一遍控制编码表中的控制编码信号，同时由控制器模块对各组控制编码信号下获得的实时电压进行记录；步骤3，处理器模块将获得的全部实时电压依次与负载的额定电压值进行比较，获得与额定电压值的绝对误差最小的实时电压，并查找出该实时电压所对应的控制编码信号；步骤4，将查找获得的控制编码信号作为最佳控制信号，并将最佳控制信号锁存输出至各个通断可控二极管电路；步骤5，处理器模块每隔一个循环查询周期重复执行步骤2～4。本发明的有益效果在于：(1)采用N+1片太阳能电池板分别安装在N棱锥台的锥台侧面以及锥台顶面，充分利用了设备可接收太阳光的面积，同时保证装置的水平覆盖面积不会因此显著增加，保证了太阳光能的利用效率，同时使得本装置体积小、简便且牢固；(2)采用(N+3)×N÷2个通断可控二极管电路，能够实现N+1片太阳能电池板串联、并联或串并联的组合电路，而不是将装置中装配的电池板直接、全部地作为输出，有效地避免了太阳能电池板装配数量的问题，既保证了设备正常稳定地工作又防止了设备过载；(3)采用处理器模块实时监测并调整太阳能电池板接入的组合，能有效的剔除工作效率较低的太阳能电池板，避免其成为负载，既提高了电池板的工作效率同时又起到了保护的作用，延长了电池板的使用寿命；(4)采用先检测后调整的方式，可保证多块电池板获得最佳的输出功率，即使在设备移动或转动时也能始终保持有较稳定的电压输出；(5)采用在工作中实时监测并调整工作电压的方式，可应对移动用电设备遇到的突发状况，能保证设备持续的工作；(6)在太阳能电池板的装配上，采用了锥台式，即各个方向的电池板都以斜向的方式装配，可有效的避免设备因电池板而造成的运动阻力增大的问题；(7)采用绿色、可持续的太阳能作为主要能量来源作为供能装置，在清洁能源的使用上，增大了运用范围，为节能减排的普及提供了一种新的可能；(8)采用电压调理电路能够将输出电压映射的A/D的测量范围内，方便控制器模块进行电压值采集。附图说明图1为本发明的太阳能电池板安装位置示意图；图2为本发明的装置电路结构示意图；图3为本发明的组合通路选择输出电路结构示意图；图4为本发明的一种通断可控二极管电路的电路结构示意图。具体实施方式如图1所示，本发明的实施例是将多块太阳能电池板供能设备的电压调整装置运用于水域侦察机器人上，该机器人作业于各种水域，用于采集信息，因而需要较长时间的持续工作，并且机体的方位、角度都会随水流及自身驱动发生变化，本发明的装置及方法正好适用于其供能要求。在具体实施时本发明的太阳能电池板模块由五片太阳能电池板组成，分别安装在四棱锥台的锥台侧面以及锥台顶面，图1中标号1～5处均为太阳能电池板，标号6为水域侦察机器人。水域侦察机器人自身的方位变化及转动导致了太阳光入射方向的改变，采用这样的装配方式用于保证机器人可在太阳光入射方向变化后正常工作。若太阳光由方向7处侧面入射，此时，1号太阳能电池板、2号太阳能电池板以及3号太阳能电池板均能接收到较充足的太阳光，而4号太阳能电池板和5号太阳能电池板没有被太阳光直接照射，无法正常工作，因此可选用1号太阳能电池板、2号太阳能电池板和3号太阳能电池板进行组合输出，为水域侦察机器人6供能；若太阳光由方向8处竖直向下入射，此时，5块太阳太阳能电池板均能受到太阳光的直接照射，其中1号太阳能电池板接收到的太阳光最多，能有较好的输出效果，其余四块太阳能电池板也能获得较为平均的输出功率，因此，可以由1号太阳能电池板与其余4块太阳能电池板的串或并联组合电路进行串联，为水域侦察机器人6供能，这样既能满足水域侦察机器人6的供能需要，又减小了组合电源的内阻，提高了输出效率；同样的，若太阳光由方向9处侧面入射，此时可将1号太阳能电池板和3号太阳能电池板断开于组合通路选择输出电路，由1号太阳能电池板、4号太阳能电池板以及5号太阳能电池板组合接入为水域侦察机器人6供能。如图2所示，本发明的多块太阳能电池板供能设备的电压调整装置，包括太阳能电池板模块、组合通路选择输出电路以及测控电路；太阳能电池板模块由4+1片太阳能电池板分别安装在4棱锥台的锥台侧面以及锥台顶面构成；组合通路选择输出电路包括(4+3)×4÷2＝14个通断可控二极管电路、4+1个电源输入端、(4+3)×4÷2个控制信号输入端以及1个组合电压输出端，用于对4+1片太阳能电池板的输出电压进行串联、并联或串并联组合。当太阳能电池板模块由N+1个太阳能电池板构成时，共需要(N+3)×N÷2个通断可控二极管电路，可以实现所有太阳能电池板的组合输出电路方式，最多有种组合，对应每一种组合方式，其中工作状态的太阳能电池板通过串或并的连接方式接入供电回路，而非工作状态的太阳能电池板从供电回路断开而不供能。测控电路包括电压调理电路和处理器模块；电压调理电路的输入端与组合电压输出端相连，用于将输出电压映射至处理器模块的A/D采集范围内；处理器模块的采集端与电压调理电路的输出端相连；处理器模块的各个控制信号输出端分别与(4+3)×4÷2个控制信号输入端相连；4+1个电源输入端分别与4+1块太阳能电池板的电压输出端相连；组合电压输出端用于连接至负载的供电端；电压调理电路可以设置为分压电路；处理器模块拥有A/D转换功能，且A/D的转换精度决定输出电压的调整精度。本发明的多块太阳能电池板供能设备的电压调整装置的电压调整方法，包括如下步骤：步骤1，处理器模块设定循环查询周期以及负载的额定电压值；步骤2，处理器模块向组合通路选择输出电路中的各个通断可控二极管电路遍历一遍控制编码表中的控制编码信号，同时由控制器模块对各组控制编码信号下获得的实时电压进行记录；步骤3，处理器模块将获得的全部实时电压依次与负载的额定电压值进行比较，获得与额定电压值的绝对误差最小的实时电压，并查找出该实时电压所对应的控制编码信号；步骤4，将查找获得的控制编码信号作为最佳控制信号，并将最佳控制信号锁存输出至各个通断可控二极管电路；步骤5，处理器模块每隔一个循环查询周期重复执行步骤2～4，确保始终处于最佳输出状态。如图3所示，当N为4时，即太阳能电池板模块由V1、V2、V3、V4和V5共五片太阳能电池板分别安装在四棱锥台的锥台顶面以及锥台侧面构成；组合通路选择输出电路由D12、D13、D14、D15、D23、D24、D25、D34、D35、D45、D20、D30、D40和D50共十四个通断可控二极管电路构成；V1的负极与组合电压输出端的负极相连；V1的正极分别与D12、D13、D14以及D15的正极端相连；D12的负极端与V2的负极相连；D13的负极端分别与V3的负极以及D23的负极端相连；D14的负极端分别与V4的负极、D24的负极端以及D34的负极端相连；D15的负极端分别与V5的负极、D25的负极端、D35的负极端以及D45的负极端相连；V2的正极分别与D20的正极端、D23的正极端、D24的正极端以及D25的正极端相连；V3的正极分别与D30的正极端、D34的正极端以及D35的正极端相连；V4的正极分别与D45的正极端以及D40的正极端相连；V5的正极与D50的正极端相连；D20的负极端、D30的负极端、D40的负极端以及D50的负极端均连接至组合电压输出端的正极，V1的负极连接至组合电压输出接口的负极；D12的控制信号输入端、D13的控制信号输入端、D14的控制信号输入端、D15的控制信号输入端、D23的控制信号输入端、D24的控制信号输入端、D25的控制信号输入端、D34的控制信号输入端、D35的控制信号输入端、D45的控制信号输入端、D20的控制信号输入端、D30的控制信号输入端、D40的控制信号输入端以及D50的控制信号输入端均与处理器模块的控制信号输出端相连。图3中R0为负载阻抗，若D12、D20连通，其余通断可控二极管电路均断开，则是由V1与V2串联作为电路的输出；若D13、D30与D14、D40连通，其余通断可控二极管电路均断开，则是由V3与V4并联再与V1串联作为电路的输出。表1为组合通路选择输出电路中各个通断可控二极管电路的控制编码表，各个通断可控二极管电路的控制端连接到处理器模块的通用I/O上；处理器模块以8位数据输出，表1中为15组控制编码信号，其中“1”表示通断可控二极管电路导通，“0”表示通断可控二极管电路断开，处理器模块以连续两次控制编码信号的输出实现一种电源组合的监测和控制。表1各个通断可控二极管电路的控制编码表电源组合方式D12D13D14D15D23D24D25D34D35D45D20D30D40D50V1+V210000000001000V1+V301000000000100V1+V400100000000010V1+V500010000000001V1+V2+V310001000000100V1+V2+V410000100000010V1+V2+V510000010000001V1+V3+V401000001000010V1+V3+V501000000100001V1+V4+V500100000010001V1+V2+V3+V410001001000010V1+V2+V3+V510001000100001V1+V2+V4+V510000100010001V1+V3+V4+V501000001010001V1+V2+V3+V4+V510001001010001如图4所示，本发明的一种通断可控二极管电路具体包括三极管T1、第一二极管D1、第二二极管D2以及P沟道的MOS管M1。其中，三极管T1的基极作为通断可控二极管电路的控制信号输入端；MOS管M1的栅极与三极管T1的集电极相连；三极管T1的发射极接地；MOS管M1的漏极与第二二极管D2的正极相连；MOS管M1的源极作为电源输入端的正极端连接至太阳能电池板的正极以及第一二极管D1的正极；第二二极管D2的负极作为电源输入端的负极端连接至另一太阳能电池板的负极或负载的负极；第一二极管D1的负极连接至三极管T1的集电极。xy是指电路连接于第x块电池板与第y块电池板之间，Cxy为通断可控二极管电路的控制端，Vx+连接到太阳能电池板正极输出端，Vy-连接到另一太阳能电池板负极输入端或负载端。当控制端Cxy输入高电平时，T1导通，则M1的栅极电压为低电平，使M1的Vgd达到导通要求，从而使Vx+到Vy-的电路导通。该电路亦可用理想的可控二极管芯片替换，其效果近似，在可控二极管断开时，其反向漏电流可忽略，导通时，其正向压降可忽略。