光伏充电系统及光电池电压的测量方法与流程

本发明涉及光伏技术领域，尤其涉及一种光伏充电系统及光电池电压的测量方法。

背景技术：

随着现代科技和经济的进步，能源越来越紧缺，而太阳能作为重要的绿色能源在许多领域得到了广泛的应用。

目前的光伏充电系统中通常采用一个光电池(Photovoltaic，PV)对至少一个蓄电池进行充电，并当PV在对各蓄电池进行充电时，需要采集系统的充电电流，进而准确的掌握系统的充电电流信息，从而可以充分利用PV对各蓄电池充电。

但是，现有技术的光伏充电系统中，系统充电电流在经过放大器对电流进行运放时，放大器会存在线性区和非线性区，而系统充电电流在放大器的非线性区进行运放时，会导致对系统电流的测量误差较大，影响系统的运行，降低了系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明提供一种光伏充电系统及光电池电压的测量方法，以解决房车等新型的家用娱乐工具的光伏充电系统MPPT控制器较多，导致光伏充电系统设计复杂，浪费了房车等新型的家用娱乐工具内部可利用空间，增加了房车等新型的家用娱乐工具的制作成本的问题。

本发明提供一种光伏充电系统，包括光电池、电流采样模块和至少一个蓄电池，所述光电池的负极分别与各所述蓄电池的负极连接，所述光电池的正极与所述电流采样模块连接，所述电流采样模块还分别与各所述蓄电池的正极连接；所述电流采样模块包括采样单元、补偿电路单元以及电流运放单元；

所述采样单元、所述补偿电路单元和所述电流运放单元并联之后，分别与所述光电池的正极和所述蓄电池的正极连接；

所述采样单元，用于采集所述光电池对各所述蓄电池的充电电流；

所述补偿电路单元，用于对所述采样单元提供偏置补偿电源，以便所述电流运放单元对所述充电电流进行运放处理时，所述电流运放单元能够始终工作在线性放大区。

本发明还提供一种光电池电压测量方法，应用于如上所述的光伏充电系统，包括：

在微控单元的充电切换死区内采集光电池的电压，得到光电池的测量电压；

根据所述光电池的所述测量电压，获取所述光电池的电压的输出电压。

本发明的光伏充电系统，通过在电流采样模块内设置补偿电路单元，形成负反馈回路，从而对电流运放单元提供电流偏置补偿，实现了电流运放单元在对电流进行运放时，可以始终工作在线性放大区。采用本发明的技术方案，能够在测量系统电流时，减小系统电流的测量误差，避免影响系统的运行，提高了系统的稳定性。

本发明的PV的电压测量方法，通过在PV对蓄电池进行充电状态切换时的充电切换死区内对PV进行电压采样，实现了在不停止充电的情况下快速、准确的获取到PV的输出电压。采用本发明的技术方案，能够提高PV的发电转换率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光伏充电系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明光伏充电系统另一实施例的结构示意图；

图3为一个MCU53在一个充电周期内充电切换死区的示意图；

图4为本发明光伏充电系统的电路图；

图5为本发明PV电压的测量方法实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明光伏充电系统一实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例的光伏充电系统，包括PV1、电流采样模块2和至少一个蓄电池，PV1的负极分别与各蓄电池的负极连接，PV1的正极与电流采样模块2连接，电流采样模块2还分别与各蓄电池的正极连接。其中电流采样模块2可以包括采样单元21、补偿电路单元22以及电流运放单元23。具体地，采样单元21、补偿电路单元22和电流运放单元23并联之后，分别与PV1的正极和各蓄电池的正极连接；采样单元21用于采集PV1对各蓄电池的充电电流；补偿电路单元22用于对采样单元21提供偏置补偿电源，以便电流运放单元23对充电电流进行运放处理时，电流运放单元23能够始终工作在线性放大区。需要说明的是，本发明实施例中的蓄电池为一个整体结构，实际应用中该蓄电池也可以由多个蓄电池单元串并联组成。

例如，本实施例的光伏充电系统，具体以第一蓄电池3和第二蓄电池4两个蓄电池为例对本发明的技术方案进行描述。应当理解的是，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二等描述终端，但这些蓄电池不应限于这些术语，这些术语仅用来将蓄电池彼此区分开。例如在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一蓄电池也可以被称为第二蓄电池，同理第二蓄电池也可以被称为第一蓄电池。

如图1所示，PV1的负极分别与第一蓄电池3的负极连接，而PV1的正极通过采样单元21、补偿电路单元22和电流运放单元23并联后形成的电流采样模块2分别与第一蓄电池3的两个正极连接，从而可以形成完整的回路，由PV1对需要充电的蓄电池3进行充电。

在一个具体的实现过程中，由于PV1输出的电流经过采样单元21时， 由采样单元21采集PV1对第一蓄电池3的充电电流，由于此时采样单元21采集到的充电电流对于用户来说，不是很好利用该充电电流做一些计算或者评估等。因此需要将采集到的充电电流通过电流运放单元23进行放大，但由于电流运放单元23在工作时存在线性区和非线性区，而系统充电电流在放大器的非线性区进行运放时会导致对系统电流的测量误差较大。为了使电流运放单元23能够始终工作在线性区，可以通过补偿电路单元22从PV1获取电压，并对电流采样单元21提供偏置补偿电源，使采样单元21采集到的电流满足电流运放单元23的工作范围。

例如，补偿电路单元22可以为一个恒流源电路，可以根据实际情况设定一个与PV1相对的负电压值，形成一个负反馈回路，使补偿电路单元22对能够对采样单元21提供偏置补偿电源。以便电流运放单元23对充电电流进行运放处理时，电流运放单元23能够始终工作在线性放大区，对系统充电电流的测量更准确。

需要说明的是，本实施的光伏充电系统，具体以两个蓄电池为例对本发明的技术方案进行描述的，当蓄电池的数量为1个、3个或者3个以上时，其实现充电以及对系统充电电流的测量与上述实施例的实现原理一致，在此不再一一举例。第二蓄电池4在本实施的光伏充电系统中的连接关系以及作用等与第一蓄电池3相同，详细请参考上述所描述的内容，在此不再赘述。

本实施例的光伏充电系统，通过在电流采样模块2内设置补偿电路单元22，形成负反馈回路，从而对采样单元21提供电流偏置补偿，实现了电流运放单元23在对电流进行运放时，可以始终工作在线性放大区。采用本实施例的技术方案，能够在测量系统电流时，减小系统电流的测量误差，避免影响系统的运行，提高了系统的稳定性。

图2为本发明光伏充电系统另一实施例的结构示意图，如图2所示，本实施例的光伏充电系统在图1所示实施例的基础上，进一步还包括与第一蓄电池3串接的第一防反充电控制模块5，第一防反充电控制模块5一端与对应的第一蓄电池3的正极连接，另一端与电流采样模块2连接。也就是说，第一蓄电池3与对应第一防反充电控制模块5串接的在同一条支路上，第一蓄电池3对应的支路并联。

第一防反充电控制模块5用于当第一蓄电池3的电压大于PV1的电压时， 防止第一蓄电池3对PV1进行充电。例如，通常情况下，在充电过程中都是由高电压向低电压充电，而PV1的电压与光强等周围环境有关，可能会存在PV1的电压低于第一蓄电池3的电压，因此需要采用防反充电控制模块，以避免在PV1的电压低于第一蓄电池3的电压时，第一蓄电池3对PV1充电，造成能源浪费。

具体地，如图2所示，第一防反充电控制模块5可以包括比较器51、充电功率管控制单元52和微控单元(Microcontroller Unit，MCU)53。MCU53与充电功率管控制单元52连接；充电功率管控制单元52的输入端与电流采样模块2连接，充电功率管控制单元52的输出端与第一蓄电池53的正极连接；MCU53用于向充电功率管控制单元52输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation；PWM)信号，以驱动充电功率管控制单元52导通或者断开，若充电功率管控制单元52导通PV1对各蓄电池充电；或者，若充电功率管控制单元52断开，PV1对第一蓄电池53不充电。

比较器51的第一输入端与第一蓄电池53的正极连接，比较器51的第二输入端通过电流采样模块2与PV1正极连接，比较器51用于比较PV1的电压与第一蓄电池53的电压的大小关系，比较器51的输出端与充电功率管控制单元52的输入端连接。由比较器51的工作原理可知，当比较器51的两个输入端检测到不同的输入电压时，比较器51会比较两个输入电压的大小，从而输出对应的比较结果，并转化成相应的控制信号，传输给充电功率管控制单元52。具体地，比较器51用于若PV1的电压大于第一蓄电池53的电压，输出第一控制信号，允许PV1向第一蓄电池53充电。比较器51用于若PV1的电压小于或者等于第一蓄电池53的电压，输出第二控制信号，阻止第一蓄电池53向PV1充电。

在一个具体的实现过程中，MCU53输出的PWM信号和比较器51输出的控制信号共同控制充电功率管控制单元52，以实现整个光伏充电系统的充电或不充电过程。例如，若PV1的电压大于第一蓄电池53的电压，比较器51输出第一控制信号，允许PV1向第一蓄电池53充电，则PWM信号能够驱动充电功率管控制单元52，使充电功率管控制单元52导通，反之则PWM信号无法驱动充电功率管控制单元52。

如图2所示，为了提高PV1发电效率，可以在第一防反充电控制模块5 的充电功率管控制单元52与第一蓄电池3之间设置一个升压电路单元54，当本实施例的光伏充电系统满足充电条件时，充电功率管控制单元52输出的信号，触发升压电路单元54，由升压电路单元54调整PV1的输出电压，从而使整个光伏充电系统能够有效利用太阳能。

需要说明的是，如图2所示，第二蓄电池4对应的第二防反充电控制模6的结构以及在本实施例的光伏充电系统中的连接关系与第一蓄电池3对应的第一防反充电控制模块5相同，详细请参考上述所描述的内容，在此不再赘述。

进一步可选地，本实施例的光伏充电系统中，MCU53在一个充电周期内，至少存在两个充电切换死区。图3为一个MCU53在一个充电周期内充电切换死区的示意图，如图2所示，在该充电周期内，PV1能够对第一蓄电池3和第二蓄电池4进行充电状态切换，即第一蓄电池3由充电状态切换为待电状态，而第二蓄电池4由待电状态切换为充电状态，但当切换状态时，正在充电的第一蓄电池3可以瞬间切换为未充电状态，而未充电的第二蓄电池4则不能瞬间转换为充电状态，如图3所示的死区1和死区2。因此充电切换死区具体为一个充电周期内，MCU53输出两个PWM信号时，信号PWM1和信号PWM2切换之间的时间间隔。

需要说明的是，本实施例的光伏充电系统中只存在一个蓄电池时，可以通过软件设计实现在一个充电周期内切换，以保证在该充电周期内存在至少两个充电切换死区。

进一步可选地，本实施例的光伏充电系统还包括电压采样模块7，电压采样模块7与PV1并接，电压采样模块7用于在MCU53的充电切换死区内采集PV1的电压，并作为PV1的测量电压。在得到PV1的测量电压之后，电压采样模块还用于处理PV1的测量电压，得到PV1的电压的输出电压。例如，可以将电压采样模块7并接在PV1正负极的两端，电压采样模块7能够以K/T的频率对PV1的电压和两个蓄电池的电压进行K次采样，同时电流采样模块2也会以K/T的频率对PV1的充电电力进行K次采样，则可以得到4组测量参数的采样序列。在一个充电周期内PV1对其中第一蓄电池53进行充电的时间段内，PV1的充电电流采样序列经过中位值平均滤波后，得到PV1对第一蓄电池53的充电电流，而第二蓄电池54的电压采样序列经过中位值 品均滤波后，可以得到第二蓄电池54的未充电电压。同理当PV1对第二蓄电池54的充电状态切换后，可以得到相应的测量结果。在MCU53的两个充电切换死区内，对PV1的电压采样序列进行处理后可以得到PV1的电压的计算值，并存储到电压采样模块7中的长度为n的先进先出(First In First Out；FIFO)存储器中，每当采集到一次PV1的电压时，FIFO存储器中最先进入的电压的计算值则会被挤出。此时，新的PV1的电压序列经过滑动平均录播后，可以得到PV1的实际电压值，也就是PV1的输出电压。

本实施例的光伏充电系统，通过增加防反充电控制模块，并在防反充电控制模块中设置有比较器以及MCU，由比较器比较PV1的电压与各蓄电池的电压大小关系，并由MCU发送PWM信号，以驱动充电功率管控制单元对各蓄电池充电或者停止对各蓄电池充电，同时通过在PV1对各蓄电池进行充电状态切换时的充电切换死区内对PV1进行电压采样，实现了对防反充电控制模块只经过电流采样模块2与PV1的正极连接，减少了金属氧化层半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect；MOSFET)的数量，同时实现了在不停止充电的情况下快速、准确的获取到PV1的输出电压。采用本实施例的技术方案，能够简化光伏充电系统的结构，降低光伏充电系统的成本。

图4为本发明光伏充电系统的电路图，如图4所示，本实施例中，补偿电路单元22具体可以采用LM431AIM3的芯片U，经MMBATA06LT1搭建一个相对PV+的一个-5V的恒流电路，从而可以对PV1提供恒流电源。电流运放单元23可以采用INA94的放大器实现，当采样单元21可以采用采样电阻R1对PV1进行电流采样后，可以根据电阻R3和R4的分压关系，由U对采样单元21提供一个-20mV的电流偏置补偿，从而使电流运放单元23在0-20mV的测量范围内工作在线性放大区。需要说明的是，可以根据实际情况，选择合适的电阻R3和电阻R4，调节U对采样单元21供的不同大小的电流偏置补偿。

进一步的，本实施例中，可以采用LM2903型号的比较器51以及光耦TPL281型号的充电功率管控制单元52。比较器51的两个输入端分别与BAT1+和PV+连接，比较器51的输出端与充电功率管控制单元52的负输入端连接，而MCU53与充电功率管控制单元52的正输入端连接，当V_BAT1＜ V_PV的电压时，比较器51输出低电平，则表示允许PV对BAT1充电。比较器51输出的信号与MCU53发送的PWM1或者PWM2信号，共同驱动充电功率管控制单元52使PV对BAT1充电，否则比较器51输出高电平，比较器51输出的信号与MCU53发送的PWM1或者PWM2信号无法共同驱动充电功率管控制单元52，使PV1停止对BAT1充电。同理，比较器51的两个输入端分别与BAT2+和PV+连接时，其原理与上述比较器51的两个输入端分别与BAT1+和PV+连接的原理相同，在此不再赘述。

需要说明的是，本实施例中的比较器51和补偿电路单元22等电器元件的型号只作为示例性举例对本发明的技术方案进行描述，但并不仅限于上述各型号，也不限制其它与上述各电器元件具有相同功能的电器元件。

图5为本发明PV电的压测量方法实施例的流程图，如图5所示，本实施例的PV电压测量方法，具体可以包括如下步骤：

100、在MCU的充电切换死区内采集PV的电压，得到PV的测量电压；

例如，本实施例的PV电压测量方法，具体以两个蓄电池，且一个充电周期内存在两个充电切换死区为例对本发明的技术方案进行描述。当进入一个PWM充电切换死区后，可以看成PV不再继续工作，整个系统为断开状态，此时可以采集PV的电压。需要说明的是，由于充电切换死区的时间很短，可以认为，整个光伏充电系统一直保持充电状态。

101、根据PV的测量电压，获取PV的电压的输出电压；

对PV的电压的先测量值进行处理，可以得到PV的电压的实际电压值，作为PV的输出电压。

本实施例的PV的电压测量方法，通过采用上述方法实现PV的电压测量的实现机制与上述图2-4任一所示实施例的实现机制相同，详细可以参考上述图2-4任一所示实施例的记载，在此不再赘述。

本实施例的PV的电压测量方法，通过在PV对蓄电池进行充电状态切换时的充电切换死区内对PV进行电压采样，实现了在不停止充电的情况下快速、准确的获取到PV的输出电压。采用本实施例的技术方案，能够提高PV的发电转换率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也 可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到至少两个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。