專利名稱：一種提高太陽能電池充電效率的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及太陽能充電技術領域，特別是涉及一種提高太陽能電池充電效率的裝置及方法。
背景技術：
目前，隨著化石能源的日益枯竭，采用新能源成為當前人類面臨的迫切課題。太陽能光伏電源的主要用途之一是用來向蓄電池充電。在很多場合下，要求同一臺太陽能充電電源能夠對不同標稱電壓的蓄電池組充電。在現有技術中，同一臺太陽能充電電源對不同標稱電壓的蓄電池組充電，采用對標稱蓄電池電壓取樣后，通過電壓識別電路識別蓄電池組的標稱電壓，再通過限流電路選擇合適的電流對蓄電池組充電。太陽能充電電源采用一組太陽能電池組，其最高輸出電壓以充電電源可選擇的最高標稱電壓蓄電池組的電壓為基準。以上方法有如下缺點
現有的單晶硅太陽能電池輸出電流完全取決于即時入射陽光的總量，典型開路電壓是 0.55V，當電流流出太陽能電池時，其內阻會引起輸出電壓跌落。當太陽能電池不足以提供負載所需的電流時，其輸出電流將受到短路電流Isc的限制，輸出電壓Vo基本為一固定值。 例如，在全日照條件下，一個50平方厘米大小的單節硅太陽能電池的短路電流Isc為0. 3A， 可以獲得最大功率為輸出電壓典型值為0. 484V，輸出電流值為0. 25A 0. 275A，輸出功率約為0. 121 0. 133W。但這個功率對絕大多數的應用而言過低，因此，通常將多個單節太陽能電池串/并聯成太陽能電池組，在全日照條件下能夠輸出所需要的電壓和電流，但是， 太陽能電池組最大輸出電流將受到短路電流Isc的限制。太陽能電池的這一重要特性使同一臺太陽能充電電源在對不同標稱電壓的蓄電池組充電時，其最大輸出電流Io不會大于短路電流Isc，也就是說，當最高輸出電壓=Vo的太陽能充電電源選擇最高標稱電壓蓄電池組充電時，太陽能電池組輸出最大功率Pmax=VoX Io，但是當這臺太陽能充電電源對較低標稱電壓的蓄電池組充電時，受太陽能電池組輸出電流特性的制約，其最大輸出電流Io不會大于短路電流Isc，此時太陽能電池組能夠輸出的最大功率也會相應下降。例如，有一塊單晶硅電池的組件，最大輸出功率Pmax (額定功率)為25W，峰值電壓(額定電壓)Ump為 17. 2V，峰值電流(額定電流)Imp為1. 45A，開路電壓Vo為21V，短路電流為Isc為1. 5A， 由太陽能電池的輸出特性可知，當被充電蓄電池標稱電壓為12伏時，充電電壓約為14. 2V， 最大充電電流約為1. 45A，此時最大輸出功率約為20W ；但是，當被充電蓄電池標稱電壓為6 伏時，最大充電電流亦為1.45A，此時最大輸出功率約為10W，太陽能電池利用率下降50%， 這時太陽能電池組的裝機容量不能得到充分利用。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種提高太陽能電池充電效率的裝置及方法。本發明所采用的技術方案是一種提高太陽能充電效率的裝置，由太陽能電池組
1、太陽能電池組2、串/并聯轉換開關3、串/并聯轉換開關驅動電路4、計算機控制電路5、 PWM驅動電路6、功率晶體管開關電路7、AD轉換電路8、電壓采樣電路9、穩壓電路10、蓄電池11組成；
太陽能電池組1的正、負極與太陽能電池組2的正、負極分別獨立輸出，其作用是將太陽能轉換成電能，為蓄電池提供充電電源；
太陽能電池組1的開路電壓Vol等于太陽能電池組2的開路電壓Vo2，其誤差不大于 5% ；太陽能電池組1的短路電流Iscl等于太陽能電池組2的短路電流Isc2，其誤差不大于 5% ；
串/并聯轉換開關3由雙刀雙擲開關組成，通過串/并聯轉換開關驅動電路4驅動，把太陽能電池組1、太陽能電池組2的連接狀態轉換成串聯連接或并聯連接在串聯連接狀態下，太陽能電池組1的正極通過雙刀雙擲開關中觸點Al連接到功率晶體管開關電路7的I 端，太陽能電池組1的負極通過雙刀雙擲開關中觸點Bi、觸點Kl連接到太陽能電池組2的正極，太陽能電池組2的負極連接到地；在并聯連接狀態下，太陽能電池組1的正極通過雙刀雙擲開關中觸點Al、觸點Kl與太陽能電池組2的正極相連接并連接到功率晶體管開關電路7的I端，太陽能電池組1的負極通過雙刀雙擲開關中觸點Bl連接到雙刀雙擲開關中觸點A2、觸點K2與太陽能電池組2的負極相連接并連接到地；
串/并聯轉換開關驅動電路4的0端與串/并聯轉換開關3的A端連接，I端與計算機控制電路5的OUT端連接，計算機控制電路5輸出的控制信號驅動串/并聯轉換開關3 ；
PWM驅動電路6的Ip端與計算機控制電路5的PWM端連接，Op端與功率晶體管開關電路7的C端連接，計算機控制電路5輸出的PWM控制信號通過PWM驅動電路6驅動功率晶體管開關電路7向蓄電池充電；
功率晶體管開關電路7的0端分別與電壓采樣電路9的A端、穩壓電路10的Vin端、 蓄電池11的正極連接，控制太陽能電池組1、太陽能電池組2向蓄電池11充電，穩壓電路 10的工作電壓由蓄電池11提供，功率晶體管開關電路7具有防止太陽能電池組和蓄電池反接的保護功能；
AD轉換電路8的0端與計算機控制電路5的ADC端連接，I端與電壓采樣電路9的B 端連接，AD轉換電路8用于把電壓采樣電路9輸出的采樣電壓模擬信號轉換成數字信號， 送計算機控制電路5處理，電壓采樣電路9對蓄電池11標稱電壓進行采樣，采樣信號輸出到AD轉換電路8 ；
穩壓電路10的Vc端與計算機控制電路5的Vc端連接，提供計算機控制電路5的工作電源；
計算機控制電路5的GND端、電壓采樣電路9的G端、穩壓電路10的G端和蓄電池11 的負極接地。 本發明的另一目的是提供一種提高太陽能電池充電效率的方法，包括以下步驟
a、計算機控制電路5通過串/并聯轉換開關驅動電路4、串/并聯轉換開關3控制太陽能電池組1、太陽能電池組2工作在串聯狀態下，其輸出電壓為太陽能電池組1的峰值電壓Umpl與太陽能電池組2的峰值電壓Ump2之和，再控制PWM驅動電路6、功率晶體管開關電路7對蓄電池11以最大充電電流預充電一段時間；
b、計算機控制電路5通過PWM驅動電路6、功率晶體管開關電路7控制太陽能電池組1、太陽能電池組2停止對蓄電池11充電，延時等待蓄電池11電壓回落；
c、電壓采樣電路9對蓄電池11標稱電壓采樣；
d、AD轉換電路8把采樣電壓模擬信號轉換成數字信號送計算機控制電路5處理；
e、計算機控制電路5將經AD轉換電路8轉換的數字信號與預存的電壓數據進行比較， 判斷蓄電池11的標稱電壓；
f、根據蓄電池11的標稱電壓，計算機控制電路5通過串/并聯轉換開關驅動電路4驅動串/并聯轉換開關3工作，當蓄電池11的標稱電壓為高值時使太陽能電池組1和太陽能電池組2工作在串聯狀態，其輸出電壓為太陽能電池組1的峰值電壓Umpl與太陽能電池組 2的峰值電壓Ump2之和，輸出電流為太陽能電池組1的峰值電流Impl和太陽能電池組2的峰值電流Imp2之中的最小值；當蓄電池11的標稱電壓為低值時使太陽能電池組1和太陽能電池組2工作在并聯狀態，其輸出電壓為太陽能電池組1的峰值電壓Umpl和太陽能電池組2的峰值電壓Ump2之中的最小值，輸出電流為太陽能電池組1的峰值電流Impl與太陽能電池組2的峰值電流Imp2之和；
g、電壓采樣電路9繼續對蓄電池11端電壓進行采樣，采樣信號經AD轉換電路8轉換成數字信號；
h、計算機控制電路5根據經AD轉換電路8轉換的電壓數字信號與預存的蓄電池充電電壓-充電電流關系曲線，輸出PWM控制信號通過PWM驅動電路6驅動功率晶體管開關電路7對蓄電池11充電；
i、重復g、h步驟，直到蓄電池11端電壓達到預先確定的數值，充電終止。本發明采用兩組太陽能電池組，對不同標稱電壓的蓄電池充電。當對高標稱電壓蓄電池充電時，自動使兩組太陽能電池組串聯工作，以獲得高電壓小電流輸出，太陽能電池組的輸出功率為最大值；當對低電壓蓄電池充電時，自動使兩組太陽能電池組并聯工作，以獲得低電壓大電流輸出，太陽能電池組的輸出功率亦為最大值。本發明與現有技術相比具有如下特點
1、本發明大大提高了采用同一臺太陽能電源對不同標稱電壓蓄電池充電時的充電效率，充分利用了太陽能電池組的裝機容量。2、本發明采用的功率晶體管開關電路，能夠同時實現對蓄電池的可編程充電和雙向反接保護，大大提高了本發明的可靠性，減少了因使用不當引起的意外損失。以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步描述。
附圖1為本發明在串聯連接狀態下的電路示意圖； 附圖2為本發明在并聯連接狀態下的電路示意圖； 附圖3為本發明實施例電路示意圖。
具體實施例方式如附圖3所示一種提高太陽能充電效率的裝置，由太陽能電池組SB1、太陽能電池組SB2、繼電器JD、P溝道場效應管Q1、NPN晶體管Q2、NPN晶體管Q3、二極管D1、電阻R1、 電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、單片計算機U1、集成穩壓電路U2、輸出端子A、輸出端子B、蓄電池組BT組成。在本實施例中，由單片計算機Ul組成計算機控制電路5，AD轉換電路8集成在單片計算機Ul內部，由NPN晶體管Q2、電阻R4組成串/并聯轉換開關驅動電路4，由繼電器 JD組成串/并聯轉換開關3，由NPN晶體管Q3、電阻R3組成PWM驅動電路6，由P溝道場效應管Q1、電阻R1、電阻R2和二極管Dl組成的功率晶體管開關電路7，由電阻R5、電阻R6組成電壓采樣電路9，由集成穩壓電路U2組成穩壓電路10。太陽能電池組SBl正極與繼電器JD的觸點Al、P溝道場效應管Ql的源極S端及電阻Rl的一端連接，電阻Rl的另一端與P溝道場效應管Ql的柵極G端、電阻R2連接，電阻R2的另一端與NPN晶體管Q3的集電極連接，太陽能電池組SBl負極與繼電器JD的觸點 Bi、繼電器JD的觸點A2連接，太陽能電池組SB2正極與繼電器JD的觸點Kl連接，太陽能電池組SBl負極接地，繼電器JD的觸點K2接地，繼電器JD的驅動線圈J2端與NPN晶體管 Q2集電極連接，NPN晶體管Q2發射極接地，NPN晶體管Q2基極與電阻R4連接，電阻R4另一端與計算機控制電路Ul的OUT端連接，P溝道場效應管Ql的漏極D端與二極管Dl的正極連接，NPN晶體管Q3發射極接地，NPN晶體管Q3基極與電阻R3連接，電阻R3的另一端與計算機控制電路Ul的PWM端連接，二極管Dl的負極與電阻R6、穩壓電路U2的輸入VIN 端及輸出端子A連接，電阻R6另一端與電阻R5、計算機控制電路Ul的ADC端連接，電阻R5 另一端接地，計算機控制電路Ul的VCC端與穩壓電路U2的輸出VCC端、繼電器JD的驅動線圈Jl端連接，單片計算機Ul的GND接地，集成穩壓電路U2的GND端接地，輸出端子B接地，輸出端子A與蓄電池BT正極連接，蓄電池BT負極接地。在本實施例中，太陽能電池組SB1、太陽能電池組SB2的峰值電壓(額定電壓)Ump 均為8. 8V,峰值電流(額定電流)Imp均為1. 45A ；蓄電池BT的標稱電壓為12V或者6V。本實施例還提供了一種提高太陽能電池充電效率的方法，其具體步驟方法如下
a、由單片計算機Ul組成的計算機控制電路通過由NPN晶體管Q2、電阻R4組成的串/ 并聯轉換開關驅動電路、由繼電器JD組成的串/并聯轉換開關控制太陽能電池組SB1、太陽能電池組SB2工作在串聯狀態下，再控制由NPN晶體管Q3、電阻R3組成的PWM驅動電路、由 P溝道場效應管Q1、電阻R1、電阻R2和二極管Dl組成的功率晶體管開關電路對蓄電池BT 以最大充電電流預充電一段時間；
b、計算機控制電路輸出控制信號通過PWM驅動電路驅動功率晶體管開關電路控制太陽能電池組SB1、太陽能電池組SB2停止對蓄電池BT充電，延時等待蓄電池BT電壓回落；
c、由電阻R5、電阻R6組成的電壓采樣電路對蓄電池BT的標稱電壓采樣，輸出采樣電壓模擬信號；
d、由集成在計算機控制電路內部的AD轉換電路把采樣電壓模擬信號轉換成數字信
號；
e、計算機控制電路將轉換的數字信號與預存的電壓數據進行比較，判斷蓄電池BT的標稱電壓，在本實施例中，所述預存的電壓數據為9V ；
f、根據蓄電池BT的標稱電壓，計算機控制電路通過串/并聯轉換開關驅動電路驅動串 /并聯轉換開關工作，當蓄電池BT的標稱電壓大于9V時，判斷蓄電池BT的標稱電壓為12V， 此時使太陽能電池組SBl和太陽能電池組SB2工作在串連狀態，其輸出的峰值電壓(額定電壓)Ump為17. 2V，峰值電流(額定電流)Imp為1. 45A，輸出功率為25W ；當蓄電池BT的標稱電壓小于9V時，判斷蓄電池BT的標稱電壓為6V，此時使太陽能電池組SBl和太陽能電池組SB2工作在并聯狀態，其輸出的峰值電壓(額定電壓)Ump為8. 6V，峰值電流(額定電流)Imp為2. 9A，輸出功率亦為25W ；
g、電壓采樣電路繼續對蓄電池BT端電壓進行采樣，采樣信號經AD轉換電路轉換成數
字信號；
h、計算機控制電路根據AD轉換電路轉換的電壓數字信號與預存的蓄電池充電電壓-充電電流關系曲線，輸出PWM控制信號通過PWM驅動電路驅動功率晶體管開關電路對蓄電池BT充電；
i、重復g、h步驟，直到蓄電池BT端電壓達到預先確定的數值，充電終止。
權利要求
1.一種提高太陽能充電效率的裝置，其特征是由太陽能電池組1、太陽能電池組2、串 /并聯轉換開關3、串/并聯轉換開關驅動電路4、計算機控制電路5、PWM驅動電路6、功率晶體管開關電路7、AD轉換電路8、電壓采樣電路9、穩壓電路10、蓄電池11組成；太陽能電池組1的正、負極與太陽能電池組2的正、負極分別獨立輸出，其作用是將太陽能轉換成電能，為蓄電池提供充電電源；串/并聯轉換開關3由雙刀雙擲開關組成，通過串/并聯轉換開關驅動電路4驅動，把太陽能電池組1、太陽能電池組2的連接狀態轉換成串聯連接或并聯連接；在串聯連接狀態下，太陽能電池組1的正極通過雙刀雙擲開關中觸點Al連接到功率晶體管開關電路7的I 端，太陽能電池組1的負極通過雙刀雙擲開關中觸點Bi、觸點Kl連接到太陽能電池組2的正極，太陽能電池組2的負極連接到地；在并聯連接狀態下，太陽能電池組1的正極通過雙刀雙擲開關中觸點Al、觸點Kl與太陽能電池組2的正極相連接并連接到功率晶體管開關電路7的I端，太陽能電池組1的負極通過雙刀雙擲開關中觸點Bl連接到雙刀雙擲開關中觸點A2、觸點K2與太陽能電池組2的負極相連接并連接到地；串/并聯轉換開關驅動電路4的0端與串/并聯轉換開關3的A端連接，I端與計算機控制電路5的OUT端連接，計算機控制電路5輸出的控制信號驅動串/并聯轉換開關3 ；PWM驅動電路6的Ip端與計算機控制電路5的PWM端連接，Op端與功率晶體管開關電路7的C端連接，計算機控制電路5輸出的PWM控制信號通過PWM驅動電路6驅動功率晶體管開關電路7向蓄電池充電；功率晶體管開關電路7的0端分別與電壓采樣電路9的A端、穩壓電路10的Vin端、 蓄電池11的正極連接，控制太陽能電池組1、太陽能電池組2向蓄電池11充電，穩壓電路 10的工作電壓由蓄電池11提供，功率晶體管開關電路7具有防止太陽能電池組和蓄電池反接的保護功能；AD轉換電路8的0端與計算機控制電路5的ADC端連接，I端與電壓采樣電路9的B 端連接，AD轉換電路8用于把電壓采樣電路9輸出的采樣電壓模擬信號轉換成數字信號， 送計算機控制電路5處理，電壓采樣電路9對蓄電池11標稱電壓進行采樣，采樣信號輸出到AD轉換電路8 ；穩壓電路10的Vc端與計算機控制電路5的Vc端連接，提供計算機控制電路5的工作電源；計算機控制電路5的GND端、電壓采樣電路9的G端、穩壓電路10的G端和蓄電池11 的負極接地。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池組1，其特征是太陽能電池組1的開路電壓Vol 等于所述太陽能電池組2的開路電壓Vo2，其誤差不大于5%。
3.根據權利要求1所述的太陽能電池組1，其特征是太陽能電池組1的短路電流Iscl 等于太陽能電池組2的短路電流Isc2，其誤差不大于5%。
4.一種能夠提高太陽能電池充電效率的方法，其特征是包括以下步驟a、計算機控制電路5通過串/并聯轉換開關驅動電路4、串/并聯轉換開關3控制太陽能電池組1、太陽能電池組2工作在串聯狀態下，其輸出電壓為太陽能電池組1的峰值電壓Umpl與太陽能電池組2的峰值電壓Ump2之和，再控制PWM驅動電路6、功率晶體管開關電路7對蓄電池11以最大充電電流預充電一段時間；b、計算機控制電路5通過PWM驅動電路6、功率晶體管開關電路7控制太陽能電池組 1、太陽能電池組2停止對蓄電池11充電，延時等待蓄電池11電壓回落；c、電壓采樣電路9對蓄電池11標稱電壓采樣；d、AD轉換電路8把采樣電壓模擬信號轉換成數字信號送計算機控制電路5處理；e、計算機控制電路5將經AD轉換電路8轉換的數字信號與預存的電壓數據進行比較， 判斷蓄電池11的標稱電壓；f、根據蓄電池11的標稱電壓，計算機控制電路5通過串/并聯轉換開關驅動電路4驅動串/并聯轉換開關3工作，當蓄電池11的標稱電壓為高值時使太陽能電池組1和太陽能電池組2工作在串聯狀態，其輸出電壓為太陽能電池組1的峰值電壓Umpl與太陽能電池組 2的峰值電壓Ump2之和，輸出電流為太陽能電池組1的峰值電流Impl和太陽能電池組2的峰值電流Imp2之中的最小值；當蓄電池11的標稱電壓為低值時使太陽能電池組1和太陽能電池組2工作在并聯狀態，其輸出電壓為太陽能電池組1的峰值電壓Umpl和太陽能電池組2的峰值電壓Ump2之中的最小值，輸出電流為太陽能電池組1的峰值電流Impl與太陽能電池組2的峰值電流Imp2之和；g、電壓采樣電路9繼續對蓄電池11端電壓進行采樣，采樣信號經AD轉換電路8轉換成數字信號；h、計算機控制電路5根據經AD轉換電路8轉換的電壓數字信號與預存的蓄電池充電電壓_充電電流關系曲線，輸出PWM控制信號通過PWM驅動電路6驅動功率晶體管開關電路7對蓄電池11充電；i、重復g、h步驟，直到蓄電池11端電壓達到預先確定的數值，充電終止。
全文摘要
一種提高太陽能電池充電效率的裝置及方法，采用兩組太陽能電池組對不同標稱電壓的蓄電池充電，當對高標稱電壓蓄電池充電時，自動使兩組太陽能電池組串聯工作，以獲得高電壓小電流輸出，太陽能電池組的輸出功率為最大值；當對低電壓蓄電池充電時，自動使兩組太陽能電池組并聯工作，以獲得低電壓大電流輸出，太陽能電池組的輸出功率亦為最大值。本發明克服了現有技術的不足，大大提高了采用同一臺太陽能電源對不同標稱電壓蓄電池充電時的充電效率，充分利用了太陽能電池組的裝機容量。
文檔編號H02N6/00GK102222950SQ20111015964
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月15日 優先權日2011年6月15日
發明者段會敏, 胡旻宇, 胡海洋, 陳彬 申請人:衡陽中微科技開發有限公司