一种太阳能供电及能源管理系统的制作方法

本发明涉及一种太阳能供电系统，尤其是涉及一种太阳能供电及能源管理系统。

背景技术：

高铁轨道的实时检测设备需要稳定电能输入，现役的高铁大都在野外，除了太阳能无其它稳定的可用能源为这些设备供电。虽然目前的太阳能供电系统已经运用的相当广泛，但是这些系统中的充放电控制、储能管理和电能的输出都存在一定的问题，不符合高铁设备的电能输入要求。在太阳能的输入方面，阴影遮蔽与发电效率衰减引起的不平衡和电池板适配问题；并且一般的太阳能系统的太阳能利用率也比较低；单块电池板发生故障可能就会引起系统崩溃，系统的安全性得不到保障。充放电的控制与储能系统是目前太阳能供电系统的管理的难点。多个蓄电池之间因充放电不均匀造成的蓄电池电量失衡问题；蓄电池的充放电次数有一定的限制，并且需要定期维护，影响了系统的高效性。同时，系统在应用中可能存在蓄电池可能存在过压、过温和过放的问题，保护措施不得当，都有可能导致系统的崩溃。一般的太阳能供电系统，输出供电系统不稳定，采用单一电路输出的系统一旦电路发生故障，就会导致供电无法满足设备的使用，系统的可靠性不高。针对高铁检测设备的电能输入需求，需要设计一种太阳能供电及能源管理系统，能有效解决太阳能利用率不高、蓄电池储能系统的缺陷以及供电输出稳定性的问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现太阳能电池组件功率的最大跟踪、对蓄电池有效充放电控制和保护的太阳能供电及能源管理系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种太阳能供电及能源管理系统，包括依次连接的太阳能电池组、蓄电池组和供电输出单元，所述的供电输出单元与负载连接，还包括分别与太阳能电池组和蓄电池组连接的MPPT控制机，所述的MPPT控制机对太阳能电池组中的每块电池板单独进行MPPT控制。

所述的蓄电池组中的每个蓄电池分别带有充放电控制模块，所述的充放电控制模块与太阳能电池组连接，采用三阶段充电法对蓄电池充电。

所述的蓄电池组中的每个蓄电池还分别带有蓄电池保护模块，所述的蓄电池保护模块与供电输出单元连接并对蓄电池电量进行检测，当蓄电池电量低于设定值时，供电输出单元切断该蓄电池与负载的连接。

所述的充放电控制模块与蓄电池保护模块连接，当蓄电池电量充满时，充放电控制模块对蓄电池进行脉冲充电。

所述的供电输出单元包括多个输入输出接口，多个输入输出接口与蓄电池一一对应连接。

所述的多个输入输出接口与负载并联连接，每个蓄电池独立对负载供电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)MPPT控制机对太阳能电池组中的每块电池板单独进行MPPT控制，让每块电池板发挥最大效率，实现太阳能电池板发电最高效率。

(2)每个蓄电池分别带有充放电控制模块，充放电控制模块与太阳能电池组连接，采用三阶段充电法对蓄电池充电，各蓄电池独立充电，有效解决了多个蓄电池之间因充放电不均匀造成的电量失衡问题。

(3)蓄电池组中的每个蓄电池还分别带有蓄电池保护模块，各块电池板进行独立发电保护，避免因单块电池板发生故障引起系统崩溃。

(4)充放电控制模块与蓄电池保护模块连接，当蓄电池电量充满时，充放电控制模块对蓄电池进行脉冲充电，能够对蓄电池进行保养，实现了蓄电池的免维护功能。

(5)供电输出单元包括多个输入输出接口，多个输入输出接口与蓄电池一一对应连接，采用多路控制器并联输出方案，只要其中任何一路正常工作，都能满足负载的供电需求，保证了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为本实施例系统中太阳能电池组与MPPT控制机连接示意图；

图3为本实施例系统中蓄电池组的结构示意图；

图4为本实施例系统中供电输出单元的结构示意图；

图5为本实施例系统中蓄电池三阶段充电时，蓄电池的电流电压曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种太阳能供电及能源管理系统，包括依次连接的太阳能电池组1、蓄电池组3和供电输出单元4，供电输出单元4与负载连接，还包括分别与太阳能电池组1和蓄电池组3连接的MPPT控制机2，MPPT控制机2对太阳能电池组中的每块电池板单独进行MPPT控制。图中BAT为电池。

蓄电池组3中的每个蓄电池分别带有充放电控制模块，充放电控制模块与太阳能电池组1连接，采用三阶段充电法对蓄电池充电。

蓄电池组3中的每个蓄电池还分别带有蓄电池保护模块，蓄电池保护模块与供电输出单元4连接并对蓄电池电量进行检测，当蓄电池电量低于设定值时，供电输出单元4切断该蓄电池与负载的连接。

充放电控制模块与蓄电池保护模块连接，当蓄电池电量充满时，充放电控制模块对蓄电池进行脉冲充电。脉冲式充电，这种充电方法遵循蓄电池固有的充电接受率，并且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

供电输出单元4包括多个输入输出接口，多个输入输出接口与蓄电池一一对应连接。多个输入输出接口与负载并联连接，每个蓄电池独立对负载供电。

通过每块电池板对母线供电，保证在极端天气下，都能补充储能系统的损失电量，保障系统的可靠性。

通过设计太阳能供电输入系统，该系统主要由输入源光伏组件及光伏组件控制和保护单元组成，通过对单块电池板进行MPPT控制，即单PV独立MPPT控制方式，让每块电池板发挥最大效率，有效防止阴影遮蔽和电池板失衡效应，实现了太阳能电池板发电最高效率性。通过设计蓄电池储能系统，用于解决多个蓄电池之间因充放电不均匀造成的蓄电池失衡问题。单个蓄电池节点均存在一个控制器用于对蓄电池的充放电电控制，这样就用有效的使每组蓄电池均衡充电和放电。

同时，本实施例采用三阶段充电控制方式，同时根据系统自身特点，增加蓄电池基本的短接保护、反接保护、过充保护和过放保护功能。在通过三阶段充电法将蓄电池电量充满后，利用脉冲方式，给蓄电池充电，使蓄电池的电解液均匀扩散，提高了蓄电池的效率，实现了蓄电池的免维护功能。

通过设计输出供电系统，在具备基本的蓄电池过放保护的前提下，采用多路控制器并联输出方案，只要其中任何一路正常工作，都满足设备的供电需求，这种冗余化设计，大大提高了系统的可靠性。

同时，在高铁检测设备中，负载的重要程度不同，采用了分级供电，确保了在极端条件下电能也可以持续供应，并且针对不同的负载，采用不同等级的供电方案，以降低系统的损耗。

通过三个系统的设计，可以达到预期的效果。MPPT光伏控制一体机通过控制太阳能电池的电压和电流保证其始终以最大功率向蓄电池充电。当蓄电池容量充足时，通过高频降压电路实现稳定的输出电压，为负载供电使用；当蓄电池容量欠缺时，通过关闭高频降压电路实现供电停止以保护蓄电池因过放造成的不可恢复性破坏。输出电压采用多级电压输出方式，最大化降低系统负载功率，降低成本。

如图1太阳能供电系统总体方案图，根据气象局日辐射量计算出太阳板最佳安放角度，将太阳能电池板安装在野外，太阳能电池板可以将光能转化为电能，在有光照的条件下，可以为负载供电，同时也可以对蓄电池进行充电；MPPT光伏控制一体机能够对电能进行调节和控制，首先将调整后的电量送至负载，再将多余的电能向蓄电池组进行充电控制，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。当蓄电池电能充满时，控制器能够控制蓄电池，保证其不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池；蓄电池可以将多余的电能储存起来，保证负载在夜间或阴雨天也可以获取电能。

如图2太阳能供电系统结构图，对单块电池板并入MPPT，分别对每块电池板进行MPPT控制。让每块电池板都可以发挥出最大太阳能转换效率。实现了太阳能电池板发电最高效性。同时每块电池板各自连接PV保护模块，通过个块电池板的独立发电保护，完全避免了因单块电池板发生故障而引起的系统崩溃，保证了系统的安全性，每块电池板均能够对母线供电，从而使系统的可靠性大大增加。

如图3蓄电池储能系统结构图，单个蓄电池节点均存在一个控制器用于对蓄电池的充放电控制，这样就能够有效的使每组蓄电池均衡充电和放电。如图5，三阶段充电蓄电池的电压电流，通过三阶段充电能够实现快速充电，并且，在蓄电池充满电后，利用脉冲方式，给蓄电池充电以维护蓄电池，从而实现了蓄电池的免维护功能。

如图4输出供电系统结构图。采用多路控制器并联输出方案，将蓄电池并联，只要其中一路正常工作，就能够保证电能的供给。在图1中电能的输出可以针对不同的负载，采用不同的电压等级供电方案。通过这种设计，降低了系统的损耗，提高了系统的稳定性。