一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置及其控制方法与流程

本发明涉及光伏领域，特别是涉及一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置及其控制方法。

背景技术：

随着社会的进步，人们对手机、笔记本电脑、数码相机等移动通讯设备、数码产品的需求日益增长，这些设备都需要用到电池，因此对充电器的需求也日益增长。近几年手机、笔记本电脑，数码相机等便携式设备的更新换代频繁，导致了这些设备对电池的容量及性能提出更高的要求，但是电池的缓慢发展严重制约了这些便携式设备的待机时间。特别是对于进行户外作业者来说，手机、数码相机、手电筒等移动设备成为了随身携带物品，在户外没有固定的稳压电源对这些设备充电，由于电池容量问题限制了这些设备的工作时间。在全球能源危机的形式下，人们的环保节能意识不断的提高，加上政府对新能源发展的大力扶持，有必要提出一种便携，简单，实用的太阳能光伏充电装置。

现有的太阳充电装置，虽然已经可以实现充电的功能，但是存在几个方面的问题：(1)功率密度低，能量转换效率低，无法充分利用太阳能量；(2)装置的可扩展性和扩展便利性不强；(3)电能质量差，电压和电流稳定性较差，控制精度低，这将成为数码产品和设备的隐形杀手，影响数码产品和设备的使用寿命；(4)最大功率点跟踪功能智能化程度很弱。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题提供一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置及其控制方法,实现高效率、高精度、高稳定性和易于扩展的太阳能充电功能，可根据用户的需求实现增加或减少太阳能光伏充电装置和太阳能光伏充电装置母头,扩展输出功率和usb接口数量,以便对更多的手机、笔记本等便携式电子装置进行充电。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置，由磁性接口的太阳能电路集成板、智能充电头两个组成部分，磁性接口的太阳能电路集成板与智能充电头通过具有导电功能的磁性导电接口连接，磁性接口的太阳能电路集成板之间通过磁性导电接口连接；

智能充电头包括mcu控制核心模块、dc/dc模块、电流和电压采集模块和充电接口，所述dc/dc模块的输入端与磁性接口的太阳能电路集成板的电压输出端连接，dc/dc模块的控制端与mcu控制核心模块连接；dc/dc模块通过采集端口经电流和电压采集模块与mcu控制核心模块连接；充电接口与dc/dc模块输出端连接；

磁性接口的太阳能电路集成板，采用多边形的结构，将电子线路、磁性接口和太阳能电池片进行集成，形成磁性接口的太阳能电路集成板，在磁性接口的太阳能电路集成板的每个边上设置两个具有导电功能的磁性接口，其中一个是正极，另一个是负极；磁性接口的太阳能电路集成板每条边都可以作为扩展接口与其它磁性接口的太阳能电路集成板进行连接，实现任意方向的扩展拼接。

上述方案中，优选的是智能充电头还包括显示模块，显示模块与mcu控制核心模块连接。

上述方案中，优选的是导电极相同的磁性接口的磁性相同。

上述方案中，优选的是充电接口为usb端口。

本发明智能充电头内的dc/dc模块使用了同步整流和软开关技术进行硬件设计的基础上，采用开关频率追踪法和智能mppt(最大功率点跟踪)相融合的控制策略，实现高效率的dc/dc转换，进一步提高了太阳能的利用率。

本发明的智能充电头内的dc/dc模块使用同步整流和软开关技术进行硬件电路设计，在此基础上，采用开关频率追踪法和智能mppt(最大功率点跟踪)相融合的控制策略，其技术方案如下：

基于上述的一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置的控制方法，包括如下步骤:

step1：利用mcu内部和外部的存储空间，存储系统运行过程中的pwm占空比序列、太阳能光伏电池板的电压vin序列、充电母头的dc/dc模块输出电压ui序列，构建系统运行的历史数据；

step2：建立充电母头的dc/dc模块输出电压和pwm占空比和太阳能电池板输出电压vin的非线性关系模型：

u(d·vin)＝a0+a1(d·vin)+a3(d·vin)²

式中为充电母头的dc/dc模块输出电压，d为占空比，a0、a1、a2为模型方程系数；

step3：预测计算太阳能电池输出电压vin(n+1)＝vin(n)

+[vin(n)-vin(n-1)]

其中vin(n)是n时刻的太阳能电池输出电压，vin(n-1)是(n-1)时刻的太阳能电池输出电压，vin(n+1)是(n+1)时刻的太阳能电池输出电压，vin(n-1)和vin(n)是历史已知信号，vin(n+1)是预测出来的(n+1)时刻太阳能电池输出电压；

step4：通过构建模型和最小二乘法的抛物线拟合方法来求出方程系数a0、a1、a2，从而得出充电母头的dc/dc模块输出电压ui和(d·vin)关系；

step5：经过预测出来的太阳能电池输出电压，可以利用该信号对下一个开关周期的占空比d做超前控制，根据下一个期望的输出电压值u、预测出的太阳能电池板电压vin，可以提前计算出对应的pwm的占空比d，使电路快速的输出期望的电压值；

step6：mcu控制内部绘制开关频率fs和转换效率n的特性曲线η＝f(fs)的方法来判断最佳的开关频率，利用该方法可以实现开关频率自适应追踪最佳频率来实现高效率转换，完成充电控制。

上述方案中，优选的是step4中的构建模型的其矩阵形式表示为，

然后利用历史数据对应的占空比和太阳能电池输出电压的乘积(d·vin)i，i＝1,2，…m，以及充电母头的dc/dc模块输出电压ui,i＝1,2，…m，分别计算：

将以上式子代入①式，三元线性方程组的矩阵形式变为：

上述方案中，优选的是step6uti控制过程为，

step6.1:在电路正常工作的前提下，选择一个固定的步进值δf，起始开关频率fsmin，结束开关频率fsmax，运行时间δt，计时时间tcntmax，扰动电压δu，功率阈值δpth。从设定的起始开关频率fsmin开始进行扫描，进入step6.2。

step6.2:将当前开关频率步进增加δf，则在第n个开关频率fs(n)＝fsmin+nδf，以开关频率fs(n)运行δt的时间待运行稳定后，检测输入电压vin、电流iin和输出电压vout、电流iout计算出此时该频率对应的效率η(n)＝vin*iin/vout*iout，并将效率η(n)存入内存数组序列中；

step6.3:将当前开关频率fs与结束开关频率fsmax进行比较，若fs(n)＜fsmax，则返回step6.2继续进行频率扫描。

step6.4:重复step6.2-step6.3的方法直到开关频率fs(n)≥fsmax。

step6.5:对内存数组序列数据η(n)进行分析，以开关频率fs(n)为横坐标，η(n)为纵坐标，绘制二维平面的效率曲线。

step6.6:取step6.5绘制的二维平面的效率曲线的最高点，即可获得最高效率ηmax，ηmax对应的开关频率fsbest即为最佳开关频率，以最佳开关频率fsbest作为电路最终选择运行的开关频率；

step6.7:计时器tcnt清零，然后开始计时。

step6.8:对太阳能电池电压进行扰动，将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin增加δu，然后检测输入电压vin、电流iin，计算输入功率ppv＝vin*iin，接着继续将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin增加δu，然后检测输入电压v′in、电流i′in，计算输入功率p′pv＝v′in*i′in，计算δp＝p′pv-ppv。

step6.9:若δp＞δpth，则返回step8，若δp＜-δpth，则进入step6.10，若-δpth＜δp＜δpth，则进入step6.12。

step6.10:对太阳能电池电压进行扰动，将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin减少δu，然后检测输入电压vin、电流iin，计算输入功率ppv＝vin*iin，接着继续将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin减少δu，然后检测输入电压v′in、电流i′in，计算输入功率p′pv＝v′in*i′in，计算δp＝p′pv-ppv。

step6.11:若δp＞δpth，则返回step6.10，若δp＜-δpth，则进入step6.8，若-δpth＜δp＜δpth，则进入step6.12。

step6.12:判断tcnt，若tcnt≥tcntmax，则返回step6.2重新开始寻找最佳开关频率，否则返回step8重新进行最大功率点追踪，以确保最大功率点的实时性。

综上，本发明的方法是每隔tcntmax时间通过改变开关频率，扫描一定范围的开关频率，找出转换效率最高的开关频率，同时，在时间间隔tcntmax内运行最大功率点跟踪算法，提高太阳能的利用率。

本发明的优点与效果是：

(1)硬件上采用同步整流、软开关技术，转换效率高、功率密度高，控制方法上采用开关频率追踪法，比现有技术具有更高的转换效率。

(2)非常易于功率容量扩展和接口扩展，仅需要简单的磁性接口即可完成电连接，不需要额外的导线与接头。同时，在进行模块的扩展时，磁性接口的太阳能电路集成板的每个边都可以进行模块的扩展连接，实现了任意方向的拼接扩展。

(3)采用了预测控制方法，提高系统的控制精度和稳定性，提高数码产品和设备的使用寿命。

(4)采用智能的最大功率点跟踪功算法，提高太阳能的利用效率的同时，确保被充电设备的安全。

附图说明

图1是本发明太阳能光伏充电装置间拼接一起的立体图；

图2是本发明太阳能光伏充电装置母头未使用状态的立体图；

图3是本发明太阳能光伏充电装置母头结构框图；

图4是本发明太阳能光伏充电装置与太阳能光伏充电装置母头状态的立体图；

图5是本发明太阳能光伏充电控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

请参阅图1所示，本太阳能光伏充电装置独立状态的立体图，包括晶硅板、磁铁，所述磁铁均可以实现导电功能，磁铁均与太阳能板的正极或负极连接。

请参阅图2所示，本发明太阳能光伏充电装置间较佳的拼接方式立体图，其中磁铁10和磁铁11接触面磁性相反，磁铁12和磁铁13接触面磁性相反，磁铁14和磁铁15接触面磁性相反，磁铁16和磁铁17接触面磁性相反，因为磁铁相互吸引使太阳能光伏充电装置100与太阳能光伏充电装置101，太阳能光伏充电装置101与太阳能光伏充电装置102拼接在一起。当磁铁10和磁铁11接触面磁性相同，磁铁12和磁铁13接触面磁性相同，磁铁14和磁铁15接触面磁性相同，磁铁16和磁铁17接触面磁性相同时，因为磁铁相互排斥使太阳能光伏充电装置100与太阳能光伏充电装置101，太阳能光伏充电装置101与太阳能光伏充电装置102无法拼接在一起。太阳能光伏充电装置100与太阳能光伏充电装置101通过磁铁10、11、12、13实现了正极与正极相连，负极与负极相连，太阳能光伏充电装置101与太阳能光伏充电装置102通过磁铁14、15、16、17实现的正极与正极相连、负极与负极相连。

请参阅图3、图4和图5所示，本太阳能光伏充电装置母头包括dc/dc模块、mcu控制中心模块、显示模块、usb接口。图3为本发明太阳能光伏充电装置母头未使用状态的立体图，其中侧面102设有usb接口18、usb接口19，顶面103设有显示屏20、复位按键21、开关22，通过usb接口18、19可对电子设备进行充电，显示屏20可显示输出电压、电流、功率，开关22可以打开和关闭太阳能光伏充电装置充电功能，复位按键21可以对输出功率的数据进行复位，底面104设有一凹槽23，结合图5所示，凹槽处设有磁铁24、25，磁铁24、25具有导电能力。太阳能光伏充电装置的电能通过磁铁24和磁铁25传输到dc/dc模块，mcu控制中心模块产生的控制信号驱动dc/dc模块，从而使dc/dc模块输出稳定电压到usb接口，mcu控制中心模块采样输出端电压和电流，电压和电流转换成输出功率，通过显示模块显示输出电压、电流和功率。其中太阳能光伏充电装置母头dc/dc模块使用同步整流和软开关技术,mcu控制中心模块产生控制信号驱动dc/dc模块从而达到对太阳能光伏充电装置的最大功率点跟踪。

请参考图2和图5所示，图5为本发明太阳能光伏充电装置与太阳能光伏充电装置母头较佳的连接方式，磁铁24和磁铁27的相对面磁性相反，磁铁25和磁铁26相对面磁性相反，使太阳能光伏充电装置与太阳能光伏充电装置母头连接于一体，其中太阳能光伏充电装置与太阳能光伏充电装置母头的正极和负极通过磁铁24与27、25与26相互吸引而连接在一起。结合图2，太阳能光伏充电装置通过磁铁的相互吸引可以横向和纵向的拼接，从而可以多块太阳能光伏充电装置拼接在一起，能够提供更大的功率给太阳能光伏充电装置母头，结合图5，可以实现多个太阳能光伏充电装置母头与多块阳能充电装置拼接在一起，增大了太阳能光伏充电装置的输出功率，提供更多的usb接口给电子设备充电。

本发明提供了一种利用磁铁异性相吸的特性使太阳能光伏充电装置和太阳能光伏充电装置母头实现任意拼接，可以根据用户的需求增减太阳能光伏充电装置和太阳能光伏充电装置母头的数量，不使用是可以拆卸下来，携带方便，拼接时不需要任何连接线进行连接，只要将两块太阳能光伏充电装置的磁铁相互靠近就可以实现拼接，太阳能光伏充电装置母头也是使用同一方法。

本发明采用超前pwm控制法，实现系统低纹波、高稳定性的电压电流输出，其具体步骤如下：

step1：利用mcu内部和外部的存储空间，存储系统运行过程中的pwm占空比序列、太阳能光伏电池板的电压vin序列、充电母头的dc/dc模块输出电压ui序列，构建系统运行的历史数据。

step2：建立充电母头的dc/dc模块输出电压和pwm占空比和太阳能电池板输出电压vin的非线性关系模型：

u(d·vin)＝a0+a1(d·vin)+a3(d·vin)²

式中为充电母头的dc/dc模块输出电压，d为占空比，a0、a1、a2为模型方程系数。

step3：构建模型的三元线性方程组，其矩阵形式表示为：

然后利用历史数据对应的占空比和太阳能电池输出电压的乘积(d·vin)i，i＝1,2，…m，以及充电母头的dc/dc模块输出电压ui,i＝1,2，…m，分别计算：

将以上式子代入①式，三元线性方程组的矩阵形式变为：

利用最小二乘法的抛物线拟合方法来求出方程系数a0、a1、a2，从而得出充电母头的dc/dc模块输出电压ui和(d·vin)关系。

step4：利用一步预测计算太阳能电池输出电压vin(n+1)＝vin(n)+[vin(n)-vin(n-1)]

其中vin(n)是n时刻的太阳能电池输出电压，vin(n-1)是(n-1)时刻的太阳能电池输出电压，vin(n+1)是(n+1)时刻的太阳能电池输出电压。vin(n-1)和vin(n)是已知信号，vin(n+1)是预测出来的(n+1)时刻太阳能电池输出电压。经过预测出来的太阳能电池输出电压，可以利用该信号，对下一个开关周期的占空比d做超前控制。根据下一个期望的输出电压值u、预测出的太阳能电池板电压vin，可以提前计算出对应的pwm的占空比d，使电路快速的输出期望的电压值，提高系统的控制精度和稳定性。

在mcu控制算法内部，绘制开关频率fs和转换效率n的特性曲线η＝f(fs)的方法来判断最佳的开关频率，利用该方法可以实现开关频率自适应追踪最佳频率来实现高效率转换，具体步骤如下：

step1:在电路正常工作的前提下，选择一个固定的步进值δf，起始开关频率fsmin，结束开关频率fsmax，运行时间δt，计时时间tcntmax，扰动电压δu，功率阈值δpth。从设定的起始开关频率fsmin开始进行扫描，进入step2。

step2:将当前开关频率步进增加δf，则在第n个开关频率fs(n)＝fsmin+nδf，以开关频率fs(n)运行δt的时间待运行稳定后，检测输入电压vin、电流iin和输出电压vout、电流iout计算出此时该频率对应的效率η(n)＝vin*iin/vout*iout，并将效率η(n)存入内存数组序列中；

step3:将当前开关频率fs与结束开关频率fsmax进行比较，若fs(n)＜fsmax，则返回step2继续进行频率扫描。

step4:重复step2-step3的方法直到开关频率fs(n)≥fsmax。

step5:对内存数组序列数据η(n)进行分析，以开关频率fs(n)为横坐标，η(n)为纵坐标，绘制二维平面的效率曲线。

step6:取step5绘制的二维平面的效率曲线的最高点，即可获得最高效率ηmax，ηmax对应的开关频率fsbest即为最佳开关频率，以最佳开关频率fsbest作为电路最终选择运行的开关频率；

step7:计时器tcnt清零，然后开始计时。

step8:对太阳能电池电压进行扰动，将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin增加δu，然后检测输入电压vin、电流iin，计算输入功率ppv＝vin*iin，接着继续将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin增加δu，然后检测输入电压v′in、电流i′in，计算输入功率p′pv＝v′in*i′in，计算δp＝p′pv-ppv。

step9:若δp＞δpth，则返回step8，若δp＜-δpth，则进入step10，若-δpth＜δp＜δpth，则进入step12。

step10:对太阳能电池电压进行扰动，将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin减少δu，然后检测输入电压vin、电流iin，计算输入功率ppv＝vin*iin，接着继续将太阳能电池电压即dc/dc模块输入电压vin减少δu，然后检测输入电压v′in、电流i′in，计算输入功率p′pv＝v′in*i′in，计算δp＝p′pv-ppv。

step11:若δp＞δpth，则返回step10，若δp＜-δpth，则进入step8，若-δpth＜δp＜δpth，则进入step12。

step12:判断tcnt，若tcnt≥tcntmax，则返回step2重新开始寻找最佳开关频率，否则返回step8重新进行最大功率点追踪，以确保最大功率点的实时性。

综上，本发明的方法是每隔tcntmax时间通过改变开关频率，扫描一定范围的开关频率，找出转换效率最高的开关频率，同时，在时间间隔tcntmax内运行最大功率点跟踪算法，提高太阳能的利用率。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。