專利名稱：一種控制太陽能充電的方法
技術領域：
本發明涉及太陽能充電技術，尤其涉及一種控制太陽能充電的方法。
背景技術：
通常的太陽能控制器采用可編程技術，以控制太陽能充電裝置對蓄電池充電或驅 動負載工作的工作方式。請參見圖l，CypreSS公司的PowerPSoC系列太陽能控制器集成了 可編程的SoC (System on Chip，系統級芯片)技術、功率電子控制器和開關器件。可以替代 傳統的MCU、系統IC以及其周圍的數量眾多的分立元件，使得PowerPSoC解決方案容易使用 在帶動各種負載工作，包括對蓄電池進行充電的環境中。其中，PowerPSoC即為一種太陽能 控制器。目前市場上的太陽能控制器主要控制方法有三種通斷模式、PWM型(脈沖型)，以 及MPPT型(最大功率跟蹤型)。其中，通斷模式接近于恒流型對蓄電池充電，PWM型近似為脈沖型對蓄電池充電， MPPT型為恒壓型對蓄電池充電模式。根據各種對鉛酸蓄電池充電效果的分析研究結果表明，脈沖恒流是充電總效率較 高的一種方法，優于恒流、脈沖恒流恒壓、恒流恒壓、恒壓等方法。盡管太陽能控制器中PWM型的充電模式比較接近于脈沖恒流模式，但由于太陽能 控制器一般長期帶有負載輸出，其輸出的脈沖電流是帶有放電電流的脈沖波，且由于占空 比隨蓄電池電壓的需要是不斷變化，起不到防止蓄電池濃差極化的需要，并且這是有害的， 這樣此方式反而是上述三種模式當中實際應用效果最差的一種。目前從太陽能充電效率考慮，請參見中國專利申請CN200810058103.8所披露的 內容，蓄電池中化學作用擴散運動慢，造成濃度極化，同時充電水解產生氫氣包圍負極，氧 氣包圍正極。而此時如果隨著蓄電池的電量持續上升，將會使得對負載電流加大，甚至會在脈 沖充電的負沿的時候，出現蓄電池負向放電的情況。這樣會進一步加劇蓄電池的歐姆析化、 電化學極化及濃差極化，嚴重的影響其充電效率，甚至損害蓄電池壽命。有部分太陽能控制器采用通斷模式與PWM模結合方式對蓄電池進行充電，即，在 蓄電池容量不足時采用通斷模式長時間給蓄電池恒流充電，當蓄電池容量較足時采用PWM 模式給蓄電池充電，但同樣存在負向電流(放電電流)現象，對蓄電池充電效率和充滿率也 沒有提高。雖然也有采用高幅值(2 4C)窄脈沖(0. 0001S以下)放電去極化和低幅值 (1 1. 5C)窄脈沖(0. OlS以下)放電去極化的方法，但這種實現短時大放電電流模式的應 用很難實現，成本也極高，而PWM控制器的負載電流與脈沖寬度均是無法滿足的，負載電流 一般都在0. 001 0. 5C以內，通過蓄電池廠家對脈沖電流對蓄電池充電的影響研究，脈沖 放電電流越大，蓄電池壽命越不利。有部分太陽能控制器采用通斷模式與PWM模結合方式對蓄電池進行充電，即，在 蓄電池容量不足時采用通斷模式長時間給蓄電池恒流充電，當蓄電池容量較足時采用PWM模式給蓄電池充電，但同樣存在負向電流(放電電流)現象，對蓄電池充電效率和充滿率也 沒有提高。雖然也有采用高幅值(2 4C)窄脈沖(0. 0001S以下)放電去極化和低幅值， 其范圍為1 1. 5C，窄脈沖，其范圍為0. OlS以下，放電去極化的方法，但這種實現短時大放 電電流模式的應用很難實現，成本也極高，而PWM控制器的負載電流與脈沖寬度均是無法 滿足的，負載電流一般都在0. 001 0. 5C以內，通過蓄電池廠家對脈沖電流對蓄電池充電 的影響研究，脈沖放電電流越大，蓄電池壽命越不利。綜上所述，目前業界所用的太陽能控制器的各種充電模式具有以下缺點 1、蓄電池充電綜合效率不理想；2、能在某些方面提高充電效率的PWM模式，其負向放電電流對蓄電池壽命有負作 用，反而其效率最差。
發明內容
有鑒于此，本發明所要解決的技術問題是提供一種對蓄電池具有較高的充電綜合 效率，并且能夠克服負向放電的控制太陽能充電的方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種控制太陽能充電的方法，至少兩路太陽能充電裝置對帶動負載設備工作的蓄 電池進行充電，每路太陽能充電裝置分別能夠采用通斷模式或脈沖模式對蓄電池進行充 電；該方法包括如下步驟通斷充電步驟所有路的太陽能充電裝置均采用通斷模式，對蓄電池進行充電；混合充電步驟當該蓄電池的狀態超過第一切換閾值的時候，部分路的太陽能充 電裝置切換到脈沖模式充電；另一部分路仍然采用通斷模式的太陽能充電裝置的充電電流 的和，大于該負載設備的電流；脈沖模式充電控制步驟隨著該蓄電池電壓的進一步上升，該蓄電池的狀態超過 第二切換閾值，相應地減少采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出，直到該蓄電池的狀態超過第三切換閾值，切斷相應的采用脈沖模式充電的太陽能充電 裝置的輸出。其中，第一切換閾值、第二切換閾值和第三切換閾值可以由用戶預先設置，一般來 說，如果該蓄電池的狀態的取值為其容量或者電壓等的時候，第一切換閾值、第二切換閾值 和第三切換閾值依次遞增。其中，第一切換閾值、第二切換閾值的選取，都能夠結合蓄電池 的特性預先選取。這樣，如何進入相應的充電模式，其判定標準十分簡單，在保證最終效果 盡量好的前途下，便于工業應用。上述技術方案，可以現有的采用可編程控制器的太陽能充電裝置，根據上述方法 各步驟的要求對其進行設定，能夠整體上提高充電效率，并克服負向放電電流的影響。S卩，在保證采用通斷模式充電的輸入路總充電電流大于負載電流的前提下，不斷 調整采用通斷模式與采用脈沖寬度調制模式充電的輸入路數，并同時調整采用脈沖寬度調 制模式的PWM脈沖的寬度，以保證達到最佳的充電效率與蓄電池充滿率。這樣，在任何充電情況下，不會出現脈沖性負電流；其次，當進行脈沖充電模式時， 充電的源為恒流狀態，太陽能輸入電壓電流特性中在最大功率點前端的特性為近似恒流 源；最后，不斷調整通斷模式輸入路數與脈沖寬度調制模式輸入路數，使恒流脈沖的下限值盡可能地小，有利于蓄電池消除歐姆析化、電化學極化及濃差極化。從而使蓄電池的充電效 率高，充電速度更快，析氣量少，溫升低，充電量足，壽命不受影響。與現有技術相比，其優點在于，這樣在整個充電過程中，前期采用通斷模式，為恒 流充電，中期采用脈沖恒流充電模式，為脈沖恒流充電，后期采用通斷模式，為恒流充電。這 們既保證太陽能的最大利用，同時又使蓄電池充電效率高，充電速度更快，析氣量少，溫升 低，充電量足，壽命不受影響。優選的，所述脈沖模式選擇采用脈沖寬度調制模式、脈沖頻率調制，或脈沖寬度頻 率調制。優選的，所述脈沖模式采用正脈沖進行充電。優選的，所述脈沖模式選擇優選脈沖寬度調制模式。優選的，所述脈沖切斷模式中，隨著該蓄電池電壓的進一步上升，采用相應的減少 采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出電壓的占空比的方式，以減少采用脈沖模式充 電的太陽能充電裝置的輸出，直到切斷相應的采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸
出ο優選的，所述混合充電步驟中，所述蓄電池的狀態選擇采用為所述蓄電池的容量， 或者所述蓄電池的電壓值。優選的，另一部分路仍然采用通斷模式的太陽能充電裝置的充電電流的和，剛好 大于該負載設備的電流。由于路數的調整可以看成是依次加1的整數遞增，則其路數上的電流變化是依次 跳變的，剛好大于是指，如果通斷模式充電的路數少于此值，則必定通斷模式充電的太陽能 輸入方陣輸入總電流小于所有負載總輸出。
圖1是太陽能充電裝置一種實施例的結構示意圖；圖2是本發明控制太陽能充電的方法一種實施例的各路充電示意圖；圖3是本發明控制太陽能充電的方法一種實施例中充電系統的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和較佳的實施例對本發明作進一步說明。本發明的一種實施例如下一種控制太陽能充電的方法，至少兩路太陽能充電裝置對帶動負載設備工作的蓄 電池進行充電，每路太陽能充電裝置分別能夠采用通斷模式或脈沖模式對蓄電池進行充 電。該方法包括如下步驟通斷充電步驟所有路的太陽能充電裝置均采用通斷模式，對蓄電池進行充電；混合充電步驟當該蓄電池的狀態超過第一切換閾值的時候，部分路的太陽能充 電裝置切換到脈沖模式充電，以滿足另一部分路仍然采用通斷模式的太陽能充電裝置的充 電電流的和，大于該負載設備的電流的條件；脈沖模式充電控制步驟當該蓄電池的狀態超過第二切換閾值，相應地減少采用 脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出，以滿足仍保持采用通斷模式的太陽能充電裝置的充電電流的和，大于該負載設備的電流的條件，直到該蓄電池的狀態超過第三切換閾值，切斷相應的采用脈沖模式充電的太陽能充電 裝置的輸出。 如圖3所示，為本發明的控制太陽能充電的方法的另一種實施例中系統的結構示 意圖。其中，太陽能充電裝置采用太陽能輸入方陣，以下太陽能輸入方陣，也會被簡稱為方 陣。四路的太陽能輸入方陣能夠分別選擇采用通斷模式或脈沖寬度調制模式(PWM) 對蓄電池進行充電，則可以通過對其控制器的相應程序進行調整實現。根據當時太陽能輸入方陣的輸入情況，部分太陽能輸入方陣采用通斷模式，即長 時間保持接通狀態，這里我們稱為通斷模式，在保證充電的輸入路總充電電流略大于負載 電流的情況下，其余方陣輸入路則采用脈沖充電模式對蓄電池進行充電。并根據陽光資源 的情況，在保證采用通斷模式充電的輸入路總充電電流略大于負載電流的前提下，不斷調 整采用通斷模式與采用脈沖寬度調制模式充電的輸入路數，并同時調整采用脈沖寬度調制 模式的PWM脈沖的寬度，以保證達到最佳的充電效率與蓄電池充滿率。因為這樣就成為典 型的脈沖恒流充電模式。首先在任何充電情況下，不會出現脈沖性負電流；其次，當進行脈沖充電模式時， 充電的源為恒流狀態，太陽能輸入電壓電流特性中在最大功率點前端的特性為近似恒流 源；最后，不斷調整通斷模式輸入路數與脈沖寬度調制模式輸入路數，使恒流脈沖的下限值 盡可能地小，有利于蓄電池消除歐姆析化、電化學極化及濃差極化。從而使蓄電池的充電效 率高，充電速度更快，析氣量少，溫升低，充電量足，壽命不受影響。下面我們結合圖1所示，進一步對該實施例進行詳細說明。圖1中(A)表示采用 通斷模式的方陣輸入路的總輸入電流(iON/OFF)，圖1中(B)表示采用脈沖寬度調制模式 的方陣輸入路的總輸入電流(iPWM)，圖1中(C)表示采用負載總輸出電流(iLOAD)，圖1中 (D)表示采用蓄電池的總充電電流(iBATT)。當剛開始充電，蓄電池容量處于放虧狀態時，即蓄電池的電量較低的時候，為提高 太陽能的利用率，所有太陽能輸入方陣的輸入均采用通斷模式進行充電，各路方陣輸入回 路中的開關均處于長時間的導通狀態，蓄電池處于恒流充電模式。蓄電池的輸入的電壓電 流特性仍在恒流段，但是其實際電流大小會隨光照條件、溫度條件、環境條件等的變化而有 所變化。當蓄電池容量被充得較飽時則進入混合充電步驟，如圖1中的tl時刻，該進入混 合充電步驟的轉換條件可以選擇為蓄電池容量或蓄電池的電壓，如蓄電池容量達到80 %或 以上、或蓄電池電壓達到額定浮充電壓、或蓄電池電壓達到浮充電壓中值、或蓄電池電壓達 到浮充電壓上限等判斷條件。此轉換條件為第一切換閾值，具體采用可根據太陽能系統配 置情況進行靈活選擇，如太陽能光伏板配置較充足或光照條件較好季節，可選取較低容量 或較低電壓。根據每路太陽能輸入方陣輸入電流的大小，使采用通斷模式的太陽能輸入方 陣輸入路的總輸入電流略大于負載總輸出電流就可以，以保證后面的PWM型混合充電時為 完全的正脈沖充電，這樣采用通斷模式的太陽能輸入方陣輸入路的總輸入電流最接近且又 大于負載總輸出電流為組合依據。(太陽能控制器系統中會對蓄電池電壓、蓄電池充電電 流、每路方陣輸入電流、負載輸出電流等進行采樣計算，并對蓄電池容量進行統計)。其余方陣輸入路則采用同步PWM模式進行充電，并根據蓄電池的電壓進行脈寬調節，可采用固定 頻率也可采用變化頻率的脈寬調制模式，在這里我們認為采用變化頻率的脈寬調制模式會 更優，因為要保證圖中小電流充電的時長足夠蓄電池消除極化，特別濃差極化的消除是需 要較長的時間，如1秒甚至更長時間，即要保證Δ tl、八t2、Δ t3的消除極化的時長。如圖 中t2時刻，并且蓄電池電壓(或容量)越來越高時，PWM脈沖導通占空比越小，或采用占空 比不變，頻率變化模式，即PFM型，也稱頻率調制型，或采用PWM與PFM混合模式。當蓄電池電壓或容量越來越高時，即超過預設的第三切換閾值，PWM的脈寬小于最 小可調值，即，通斷模式或PWM型因開關管個數或驅動能力受限，開關的上升沿或下降沿較 長，會影響到最小脈寬時，則可關斷采用PWM模式充電的部分輸入路。直到所有采用PWM模 式充電的輸入路全部被關斷。此后就只保留了采用通斷模式的輸入路，充電模式為恒流充 電模式。如果電壓繼續上升或容量已為充滿狀態，則與通斷模式相同，逐步切斷太陽能輸 入，直到輸入全部被切斷或保留的太陽能輸入路總電流已小于等于負載總輸出電流。當因光照強度或其它條件的變化等引起太陽能輸入方陣輸入的電流變化時，可根 據實際電流情況，進行通斷模式與PWM模式的方陣輸入路的路數調整。調整原則為采用通 斷模式充電的太陽能輸入方陣輸入總電流最接近且略大于所有負載總輸出電流為最佳條 件(有利于減小歐姆極化、電化學極化與濃差極化等，保證PWM脈沖充電是完全的正脈沖充 電。)，其余方陣輸入路全部采用PWM充電模式，所有采用PWM充電模式的開關脈沖應該是 同步的，這樣才能達到最佳的大幅值脈沖充電，脈沖下限的小電流能防極化且脈沖下限保 持的時長(如圖1中的Δ tl、Δ t2、Δ t3等)應該大于蓄電池防濃差極化所需的最小時長， 其典型值為1秒。由于路數的調整可以看成是依次加1的整數遞增，則其路數上的電流變化是依次 跳變的，剛好大于是指，如果通斷模式充電的路數少于此值，則必定通斷模式充電的太陽能 輸入方陣輸入總電流小于所有負載總輸出。也可固定太陽能輸入方陣輸入路為通斷模式或PWM模式，這樣控制會相對簡單。以上的這種混合充電步驟也可應用于互補型太陽控制器中，如風光互補控制器， 光電互補控制器、光油互補控制器或多能源輸入組合的各種互補控制器中，部分能源輸入 采用長時間連續輸入的同時部分輸入采用同步正脈沖輸入模式，達到蓄電池充電所需的脈 沖充電近似要求。如圖4所示，如充電過程剛開始，如果蓄電池電壓或容量較低，這樣，外部的負載 設備為多利用太陽能，而不是蓄電池供電。四路太陽能輸入方陣均以通斷模式進行工作，蓄 電池的充電電流 iBATT = il+i2+i3+i4-iL0AD，即，il+i2+i3+i4 相當于圖 1 中 iON/OFF 在 tl前的部分，iBATT相當于圖1中iBATT在tl前的部分。當蓄電池電壓較高或容量較滿時，即該電壓或容量超過預先設定的第一切換閾值 的時候，如il ^ iLOAD，則進入混合工作模式，也稱，混合充電步驟。則第一路輸入采用通 斷模式工作，其余三路輸入可以分別選擇采用PWM模式，或PFM模式，或PWM與PFM模式混 合模式。此時，il相當于圖1中iON/OFF在tl t2間的部分，i2+i3+i4相當于圖1中在 tl t2間的部分。當蓄電池電壓繼續上升時，即該電壓或容量超過預先設定的第二切換閾 值的時候。則對采用PWM模式或PFM模式或PWM與PFM混合模式的輸入路占空比或頻率進 行調節，使蓄電池充電電流有效值變小，此時il相當于圖1中iON/OFF在t2 t3間的部分，i2+i3+i4相當于圖1中在t2 t3間的部分。當蓄電池容量充滿或蓄電池電壓超過浮 充或均充最高電壓，即視為該蓄電池的狀態超過第三切換閾值，第2、3、4路方陣輸入開關 占空比逐步接近于零，直到完全關斷。相當于圖1中t4以后的部分。若在蓄電池容量充滿 或蓄電池電壓超過浮充或均充最高電壓之前，太陽能光照強度等發生變化，各路輸入的輸 入電流變也發生變化，若變大，則可在四路輸入中選擇一路電流接近但又略大于負載電流 的輸入路采用通斷模式，其余采用PWM模式或PFM模式或PWM與PFM模式混合模式。若電 流變小，則在四路輸入選擇一路電流接近但又略大于負載電流的輸入路采用通斷模式，如 沒有單路輸入電流大于負載電流的情況，則可選擇兩路或三路輸入電流之和接近但又略大 于負載電流的輸入路采用通斷模式，其余采用PWM模式或PFM模式或PWM與PFM模式混合 模式。假如第2、3路方陣輸入電流之和最接近且大于負載電流，則第2、3路方陣輸入開關 管控制采用通斷模式，第1、4路采用PWM模式或PFM模式或PWM與PFM模式混合模式，相當 于圖1中t3 t4間的部分。若輸入電流繼續變化，則繼續調整。若任何三路總電流之和 都不大于負載電流，則全部進入通斷模式，也相當于圖1中t4以后的部分。當然，也可以根據在工作開始階段蓄電池的狀態，如此時蓄電池并非放虧狀態，一 開始就直接進入混合模式進行工作。當然，這可以視為仍然進行了通斷充電步驟，即所有路 的太陽能充電裝置均采用通斷模式，對蓄電池進行充電，只是蓄電池的狀態迅速滿足了第 一切換閾值，則進入混合充電步驟。這樣在整個充電過程中，前期采用通斷模式，為恒流充電，中期采用脈沖恒流充電 模式，為脈沖恒流充電，后期采用通斷模式，為恒流充電。這們既保證太陽能的最大利用，同 時又使蓄電池充電效率高，充電速度更快，析氣量少，溫升低，充電量足，壽命不受影響。這樣，部分輸入采用通斷模式充電模式部分輸入采用PWM型(或PFM型或PWM與 PFM混合型)充電模式的太陽能控制器控制模式。部分輸入采用通斷模式充電模式，且它們輸入充電電流的總和略大于所有負載輸 出總電流，部分輸入采用PWM型充電模式，且它們的脈沖電流是同步的正脈沖的太陽能控 制器控制模式。 如圖1所示或類同的先采用大電流恒流充電(通斷模式)，然后再采用通斷模式與 PWM型混合充電(正脈沖充電)，最后蓄電池充滿或接近充滿時又采用小電流恒流充電(通 斷模式)的充電模式。固定部分輸入采用通斷模式充電模式，固定部分輸入采用PWM型充電模式，且進 入混合充電步驟時的脈沖電流是同步的正脈沖的太陽能控制器控制模式。靈活配置部分輸入采用通斷模式充電模式，靈活配置部分輸入采用PWM型充電模 式，且進入混合充電步驟時的脈沖電流是幅值最大的同步的正脈沖的太陽能控制器控制模式。所述方法也適用于風光型太陽能控制器、光電型太陽能控制器、光油型太陽能控 制器、風光電型太陽能控制器等不同類型的太陽能控制器。可以將風能輸出、電源系統的模 塊輸出或油機控制系統的直流輸出作為通斷型輸入路，將太陽能輸入采用脈沖模式輸入并 進行相應充電控制，也能達到改善充電的效果。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的 保 護范圍。
權利要求
一種控制太陽能充電的方法，至少兩路太陽能充電裝置對帶動負載設備工作的蓄電池進行充電，每路太陽能充電裝置分別能夠采用通斷模式或脈沖模式對蓄電池進行充電；其特征在于，該方法包括如下步驟通斷充電步驟所有路的太陽能充電裝置均采用通斷模式，對蓄電池進行充電；混合充電步驟當該蓄電池的狀態超過第一切換閾值的時候，部分路的太陽能充電裝置切換到脈沖模式充電，以滿足另一部分路仍然采用通斷模式的太陽能充電裝置的充電電流的和，大于該負載設備的電流的條件；脈沖模式充電控制步驟當該蓄電池的狀態超過第二切換閾值，相應地減少采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出，以滿足仍保持采用通斷模式的太陽能充電裝置的充電電流的和，大于該負載設備的電流的條件，直到該蓄電池的狀態超過第三切換閾值，切斷相應的采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出。
2.如權利要求1所述的控制太陽能充電的方法，其特征在于，所述脈沖模式選擇采用 脈沖寬度調制模式、脈沖頻率調制，或脈沖寬度頻率調制。
3.如權利要求1或2所述的控制太陽能充電的方法，其特征在于，所述脈沖模式采用正 脈沖進行充電。
4.如權利要求3所述的控制太陽能充電的方法，其特征在于，所述脈沖模式選擇采用 脈沖寬度調制模式。
5.如權利要求4所述的控制太陽能充電的方法，其特征在于，所述脈沖模式選擇采用 變化頻率的脈寬調制模式。
6.如權利要求4所述的控制太陽能充電的方法，其特征在于，所述脈沖切斷模式中，隨 著該蓄電池電壓的進一步上升，采用相應的減少采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸 出電壓的占空比的方式，以減少采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出，直到切斷相 應的采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出。
7.如權利要求1所述的控制太陽能充電的方法，其特征在于，所述混合充電步驟中，所 述蓄電池的狀態選擇采用所述蓄電池的容量，或者所述蓄電池的電壓值。
全文摘要
本發明提供一種控制太陽能充電的方法，包括如下步驟通斷充電步驟所有路的太陽能充電裝置均采用通斷模式，對蓄電池進行充電；混合充電步驟當該蓄電池的狀態超過第一切換閾值的時候，部分路的太陽能充電裝置切換到脈沖模式充電，以滿足另一部分路仍然采用通斷模式的太陽能充電裝置的充電電流的和，大于該負載設備的電流的條件；脈沖模式充電控制步驟當該蓄電池的狀態超過第二切換閾值，相應地減少采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出，以滿足仍保持采用通斷模式的太陽能充電裝置的充電電流的和，大于該負載設備的電流的條件，直到該蓄電池的狀態超過第三切換閾值，切斷相應的采用脈沖模式充電的太陽能充電裝置的輸出。
文檔編號H02J7/00GK101841174SQ201010042768
公開日2010年9月22日 申請日期2010年1月11日 優先權日2010年1月11日
發明者吳連日 申請人:艾默生網絡能源有限公司