一种MPPT光伏充电控制系统的制作方法

本发明涉及太阳能光伏充电技术领域，具体是涉及一种MPPT光伏充电控制系统。

背景技术：

申请号为201210024839.X的中国发明专利申请公开了一种具备MPPT功能的宽电压输入智能光伏充电控制系统，包括太阳能电池阵列和蓄电池，太阳能电池阵列连接升降压电路，升降压电路连接充电电路，充电电路连接蓄电池；还包括单片机控制器，单片机控制器连接充电电路，充电电路的输出端通过电流电压检测电路反馈至单片机控制器，单片机控制器还通过开关PWM控制电路连接至升降压电路，蓄电池还连接有用于实时监测蓄电池表面温度的温度传感器，温度传感器连接单片机控制电路；单片机控制电路还连接一用于显示及报警的液晶模块。本发明可在5V-26V范围内对12V蓄电池进行预设模式充电，该光伏充电控制系统的工作虽然稳定可靠，但是其功能单一，使用场合较为局限，充电效率较低，蓄电池的使用寿命段。

此外，现有技术中的一种基于BUCK的MPPT太用能充电控制器，由于采用单个BUCK变换器在进行大电流输出时，由于器件内部应力的增加，会产生较高的热量，效率也较低。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的缺陷与不足，本发明提供一种采用双相BUCK交错并联电路拓扑；充电控制程序采用了主要的智能充电算法、MPPT算法以及PID追踪目标电压电流值。该系统针对不同容量的蓄电池充电参数不同，可以手动设置蓄电池容量已对应不同容量蓄电池的充电特性。充电控制模块的充电算法单元充分考虑了蓄电池的充电特性曲线，可以在保证蓄电池寿命的前提下实现对蓄电池的高效率充电。

为实现上述目的本发明的技术方案是，一种MPPT光伏充电控制系统，包括

一电源模块，所述电源模块为开关电源芯片UC3848和高频变压器构成的反激电源；所述电源模块为整个系统供电；

一主电路模块，该主电路模块具有BUCK电路和电流检测电路；

一PWM驱动电路模块，其与主电路模块连接，该PWM驱动电路模块采用光耦隔离驱动BUCK电路；PWM驱动电路模块：采用光耦隔离驱动，有效保护控制电路。隔离电源由变压器得到。

一控制电路模块：该控制电路模块为STM32f103c8t6集成电路芯片；

一蓄电池，所述蓄电池与所述主电路模块连接；

一MCU控制器，其与主电路模块连接；

所述BUCK电路采用BUCK1和BUCK2双向的BUCK交错并联电路拓扑；该BUCK电路由(mos1 mos2)L1(D1D2)组成的一路BUCK1和(mos3 mos4)L1(D3 D4)组成的BUCK2并联而成，双相buck交错驱动PWM驱动电路模块，MCU控制器控制主电路模块为蓄电池充电。使用双相buck并联，使用交错180度的PWM控制。多相buck可以有效提高效率，在大电流的场合有效减少电感体积及电感损耗，降低输出电流纹波，在相同输出电压纹波要求下减小输出滤波电容的值。

优选的是，所述电源模块的输出电压为包括正负12V和正负3.3V。

在上述任一方案中优选的是，其还包括充电控制模块，该充电控制模块包括智能算法带能源、MPPT算法单元及PID追踪目标电压电流值单元。

在上述任一方案中优选的是，在0-180°相位，BUCK1工作，MCU控制器通过驱动电路输出给(mos1 mos2)一定占空比的方波，在输出波形正周期太阳能电池板通过(mos1 mos2)—L1—电池回路给蓄电池充电。

在上述任一方案中优选的是，在L1中电流线性上升，同时给C5，C6充电；在输出波形负周期，L1通过回路L1——电池——(D1D2)给电池充电，电感电流线性下降。

在上述任一方案中优选的是，在180-360°相位，BUCK2工作，MCU控制器通过驱动电路输出给(mos3 mos4)一定占空比的方波，在输出波形正周期太阳能电池板通过(mos3 mos4)—L1—电池回路给蓄电池充电。

在上述任一方案中优选的是，在L1中电流线性上升，同时给C5，C6充电；在输出波形负周期，L1通过回路L1——电池——(D3 D4)给电池充电，电感电流线性下降。

在上述任一方案中优选的是，其还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板通过控制电路模块与MCU控制器连接。

在上述任一方案中优选的是，其还包括防倒灌电路。采用mos管防倒灌电路，在电池电压高于输入电压时，关断PV+端MOS管，相比二极管防倒灌，有效减少功率损耗和发热。

在上述任一方案中优选的是，所述MCU控制器通过驱动电路控制防倒灌电路启闭。

在上述任一方案中优选的是，所述光伏充电控制系统由电源模块、主电路(BUCK电路)模块、PWM驱动电路模块和控制电路模块组成。

本发明的MPPT光伏充电控制系统的工作过程为：当蓄电池正确接上时，UC3845启动，5V及辅助电源模块开始工作，12V输出给UC3845持续供电使电源模块有持续输出。蓄电池通过此电源模块给控制器中所有ic供电，并产生可以驱动MOS管的隔离电源。当控制器正常启动后，会开始自动检测蓄电池组，区分12/24/36V系统，区分成功后控制器开始启动充电算法。每隔一段时间，MCU不停检测充电电压与充电电流，通过内部算法确定充电阶段。充电算法充分结合蓄电池充电特性曲线，包括过放电池预充电、MPPT充电、恒压充电和浮充等。不同的充电状态通过对应的内部算法通过MCU输出不同占空比的方波到驱动电路，驱动电路由此驱动BUCK电路。同时，控制器每个一段时间还会启动充电监测程序，当蓄电池电压高于输入电压时，启动防倒灌程序控制输入端并联的MOS管关断；当过压过流超过一定时间启动保护程序并发出蜂鸣器警报；当温度过高时开启风扇。

与现有技术相比本发明的有益技术效果在于：该系统可按照蓄电池的特性分3个阶段对蓄电池充电，同时还能对过放电池进行预充电，效率高，有效提高蓄电池寿命；采用双相BUCK交错并联电路拓扑，有效提高充电效率，降低原件尺寸，降低纹波。

附图说明

图1为按照本发明的MPPT光伏充电控制系统硬件原理图的电源模块示意图。

图2为按照本发明的MPPT光伏充电控制系统的BUCK电路原理图。

图3为按照本发明的MPPT光伏充电控制系统的PWM驱动电路原理图。

图4为按照本发明的MPPT光伏充电控制系统中硬件控制系统的最小系统图。

图5为按照本发明的MPPT光伏充电控制系统中硬件控制系统外围电路图。

图6为按照本发明的MPPT光伏充电控制系统中硬件电流检测原理图。

图7为照本发明的MPPT光伏充电控制系统总体框图。

图8为照本发明的MPPT光伏充电控制系统的充电程序框图。

具体实施方式

如图1-8所示，一种MPPT光伏充电控制系统，该系统包括一电源模块，所述电源模块为开关电源芯片UC3848和高频变压器构成的反激电源；所述电源模块为整个系统供电；所述本发明的MPPT光伏充电控制系统在采样时需要用到正负12V电源，同时控制电路需要3.3V电源，采用模块将太阳能变成正负12V，再通过降压得到3.3V。所述系统通过将同一个电源通过磁珠隔离分别供给模拟电路和数字电路，取得良好的效果。

该MPPT光伏充电控制系统单元包括：一主电路模块，该主电路模块具有BUCK电路和电流检测电路；所述BUCK电路采用BUCK1和BUCK2双向的BUCK交错并联电路拓扑；该BUCK电路由(mos1 mos2)L1(D1 D2)组成的一路BUCK1和(mos3 mos4)L1(D3 D4)组成的BUCK2并联而成，双相buck交错驱动PWM驱动电路模块，MCU控制器控制主电路模块为蓄电池充电。使用双相buck并联，使用交错180度的PWM控制。多相buck可以有效提高效率，在大电流的场合有效减少电感体积及电感损耗，降低输出电流纹波，在相同输出电压纹波要求下减小输出滤波电容的值。一PWM驱动电路模块，其与主电路模块连接，该PWM驱动电路模块采用光耦隔离驱动BUCK电路；PWM驱动电路模块：采用光耦隔离驱动，有效保护控制电路。隔离电源由变压器得到。一控制电路模块：该控制电路模块为M32f103c8t6集成电路芯片；一蓄电池，所述蓄电池与所述主电路模块连接；一MCU控制器，其与主电路模块连接。

图2为按照本实施例的MPPT光伏充电控制系统的BUCK电路原理图；图3为按照本实施例的MPPT光伏充电控制系统的PWM驱动电路原理图。在本实施例中，采用双向BUCK交错并联电路拓扑。双相BUCK的工作方式为：1)由(mos1 mos2)L1(D1 D2)组成的一路buck和(mos3 mos4)L1(D3D4)组成的buck并联而成，双相buck交错驱动。在0-180°相位，buck1工作，mcu通过驱动电路输出给(mos1 mos2)一定占空比的方波，在输出波形正周期太阳能电池板通过(mos1 mos2)—L1—电池回路给蓄电池充电，L1中电流线性上升，同时给C5，C6充电；在输出波形负周期，由于电感电流不能突变，L1通过回路L1—电池—(D1D2)给电池充电，电感电流线性下降。在180-360°相位，buck2通过类似原理工作。双相buck交错使输出电流波形交错叠加，有效降低了电流纹波。同时双相并联使每相通过的电流减小，使电感体积减小，电路总损耗减小，提高效率，提高选型自由度。2)在电池电压小于太阳能板电压时，MCU控制器通过驱动电路控制(mos5、mos6、mos7、mos8)组成的防倒灌电路开通。而当阴天或夜晚电池电压大于太阳能板电压时则关断放倒灌电路有效防止电池损耗。当过压过流或电池组电压不正常时，则关断所有的mos管。

图4为本实施例中的MPPT光伏充电控制系统中硬件控制系统的最小系统图；图5为本实施例的MPPT光伏充电控制系统中硬件控制系统外围电路图。在本实施例中，使用ADC1通道4-7，使用DMA将采样值搬运到内存中，无需CPU干预。系统使用定时器2中断控制采样周期并进行处理，使用定时器2中断将数据通过串口1发送到屏幕进行人机交互，同时使用Cortex-M3自带的Systick定时器编写精准的延时函数。高级定时器1用于产生驱动MOS管的带有死区的互补PWM，并通过驱动电路对MOS进行自举驱动。

图8为本实施例中，MPPT光伏充电控制系统的充电程序框图。所述充电控制模块具有智能算法单元、MPPT算法单元及PID追踪目标电压电流值单元。铅蓄电池接入MPPT光伏充电控制系统之后，系统首先检测蓄电池两端的电压值，若其端电压小于过放电压值，为防止大电流对蓄电池造成冲击损坏，先对蓄电池进行一段小电流的预充电。待其端电压值达到最大功率充电所允许的最小值时，启动MPPT算法，进入最大功率点充电阶段，为了防止最大功率下电流过大，需进行PID限流。随着充电的持续进行，蓄电池的两端电压会缓慢提高，当蓄电池端电压达到恒压充电阶段阈值时，则进入恒压充电阶段。恒压充电阶段，系统采用PID恒压方式对蓄电池进行充电，随着充电的持续进行，充电电流会持续下降。当充电电流达到浮充电流阈值时，进入浮充电状态。在整个的充电过程中，电压电流都是通过改变控制开关功率管的PWM占空比来实现。本实施例中的MPPT光伏充电控制系统的优点在于：接上蓄电池后自动区分蓄电池组，从而实现对不同的蓄电池组都能充电；当蓄电池电压低于一定值，以小电流对蓄电池进行预充电，有效保护蓄电池；当蓄电池电压达到预充电阈值时，对电池进行MPPT充电。通过比较当前功率和上次功率的大小及上次PWM的占空比调节方向来确定当前PWM如何调节。为保护蓄电池，在充电电流大于一定值时可以自动启动限流模式充电；在充电电压达到恒压充电阈值一定时间时开启恒压充电模式，对到达阈值时间进行计数可以有效防止输入端电压急升造成电池电压短期上升造成的干扰；当恒压充电模式下充电电流低于充电完成电流阈值一定时间时表示充电已完成，并开启一定电压浮充模式。对低于电流阈值时间进行计数可以有效区分在输入电压急升造成电池短暂电压急升控制器减小PWM占空比后电流已减小而蓄电池电压仍虚高的情况；由于不同容量的蓄电池充电参数不同，可以手动设置蓄电池容量已对应不同容量蓄电池的充电特性。充电算法单元的设置充分考虑了蓄电池的充电特性曲线，可以在保证蓄电池寿命的前提下实现对蓄电池的高效率充电。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

阅读了本说明书后，本领域技术人员不难看出，本发明由现有技术的结合构成，这些构成本发明的各部分的现有技术有些在此给予了详细描述，有些则出于说明书简明考虑并未事无巨细地赘述，但本领域技术人员阅读了说明书后便知所云。而且本领域技术人员也不难看出，为构成本发明而对这些现有技术的结合是饱含大量创造性劳动，是发明人多年理论分析和大量实验的结晶。本领域技术人员同样可以从说明书中看出，这里所披露的每个技术方案以及各个特征的任意组合都属于本发明的一部分。