專利名稱：一種太陽能最大功率跟蹤充電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽能利用技術領域，具體涉及一種太陽能最大功率跟蹤充電裝置。
背景技術：
在太陽能獨立系統(tǒng)中，目前常用的充電電路采用將太陽能電池與蓄電池直接耦合的方式，大部分情況下，蓄電池電壓遠低于太陽能電池的最大功率點電壓，這就導致了太陽能電池的工作點遠離最大功率點，造成輸出功率減小，浪費了寶貴的太陽能資源。為了實現(xiàn)節(jié)能降耗，針對太陽能獨立系統(tǒng)中傳統(tǒng)充電方式的缺陷而采取的 MPPT (Maximum Power Point !"racking，最大功率點跟蹤)技術逐漸興起。目前MPPT技術在太陽能系統(tǒng)中主要有CVT(The conventional Constant Voltage Tracking，恒定電壓跟蹤)方式，擾動觀察法和增量電導法。下面以擾動觀察法和增量電導法為例，分析他們的優(yōu)缺點。對于擾動觀察法擾動觀察法就是在光伏陣列正常工作時，不斷地對它的工作電壓進行很小的擾動，在電壓變化的同時，檢測功率也發(fā)生變化，根據(jù)功率的變化方向，決定下一步的電壓改變方向。擾動觀察法的優(yōu)點是簡單可靠，容易實現(xiàn)。它的存在問題在于1、 系統(tǒng)必須引入擾動，尋優(yōu)的最后結果是系統(tǒng)在最大功率點附近很小的范圍內(nèi)來回震蕩。2、 難以選擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，光伏陳列可能長時間工作于低功率區(qū)，步長過大，在最大功率點附近的震蕩又加大了。對于增量電導法增量電導法的原理就是計算太陽能陳列功率對電壓的導數(shù)，在最大功率點，其導數(shù)為零。針對太陽能P-V特性，只要在導數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在導數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在導數(shù)等于或者非常接近零時，電壓保持不變即為最大功率點。 增量電導法的優(yōu)點是通常找到的最大功率點比較穩(wěn)定，不會來回擺動。它存在的最大問題在于太陽能陳列可能由于某種干擾存在一個局部最大功率點，這種算法可能導致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部的最優(yōu)點工作。下面介紹以擾動觀察法和增量電導法為代表的MPPT技術共同的缺點當現(xiàn)有的MPPT系統(tǒng)工作后，一直不斷的尋找最大功率點，使得在尋找過程中，有很大一部分時間工作在非最大功率區(qū)間，特別是在光照和溫度有細微變化時，都會激發(fā)控制器去重新尋找，最終導致在最大功率點工作的時間減少，而全天大部分時間都處在尋找的過程中。另外，目前的大部分MPPT算法只是一個理論推導，沒有真正應用到實際產(chǎn)品，有的雖然可以實現(xiàn)尋找最大功率點，但實現(xiàn)的硬件電路復雜，沒有考慮MPPT控制器本身的效率問題，最終導致提升的功率大部分又被自身損耗掉了。沒有達到最大限度的提升光伏系統(tǒng)充電效率的目的
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型的目的就是要提供一種能提高太陽能電池對蓄電池充電效率的太陽能最大功率跟蹤充電裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所設計的一種太陽能最大功率跟蹤充電裝置，其特征在于它包括降壓式變換模塊和所述MPPT核心控制模塊，其中，降壓式變換模塊的控制端連接MPPT核心控制模塊，降壓式變換模塊的信號輸入端連接太陽能電池，降壓式變換模塊的信號輸出端連接蓄電池。優(yōu)選的，它還包括防反向放電控制模塊和防電池反接控制模塊，其中，降壓式變換模塊的信號輸入端通過防反向放電控制模塊連接太陽能電池，降壓式變換模塊的信號輸出端通過防電池反接控制模塊連接蓄電池。優(yōu)選的，所述降壓式變換模塊包括電感L、電解電容C、場效應管M0S2和場效應管 M0S3，所述防反向放電控制模塊包括場效應管M0S1，所述防電池反接控制模塊包括場效應管M0S4，其中，MPPT核心控制模塊的同步整流控制端連接場效應管M0S3的柵極，場效應管 M0S3的漏極D連接電感L的一端，電感L的另一端連接蓄電池正極BATTERY+，場效應管M0S3 的源級S連接場效應管M0S4的源級S，場效應管M0S4的漏極D連接蓄電池負極BATTERY-， 場效應管M0S4的柵極連接MPPT核心控制模塊的防電池反接控制端，場效應管M0S4的源級 S連接場效應管M0S2的漏極D，場效應管M0S2的柵極連接MPPT核心控制模塊的MPPT控制端，場效應管M0S2的源級S連接場效應管MOSl的源級S，場效應管MOSl的漏極D連接太陽能電池的負極S0L-，場效應管MOSl的柵極連接MPPT核心控制模塊的防反向放電控制端， 所述電感L的一端連接太陽能電池的正極S0L+，電解電容C的正極連接太陽能電池的正極 SOL+,電解電容C的負極連接場效應管MOSl的源級S。優(yōu)選的，所述降壓式變換模塊包括電感L、電解電容C、場效應管M0S2和場效應管 M0S3，所述防反向放電控制模塊包括場效應管M0S1，所述防電池反接控制模塊包括場效應管M0S4，其中，MPPT核心控制模塊的同步整流控制端連接場效應管M0S3的柵極，場效應管 M0S3的漏極D連接電感L的一端，電感L的另一端連接蓄電池正極BATTERY+，場效應管M0S3 的源級S連接場效應管M0S4的源級S，場效應管M0S4的漏極D連接蓄電池負極BATTERY-， 場效應管M0S4的柵極連接MPPT核心控制模塊的防電池反接控制端，場效應管M0S4的源級 S連接太陽能電池的負極S0L-，場效應管M0S2的源級S連接電感L的一端，場效應管M0S2 的漏極D連接場效應管MOSl的漏極D，場效應管M0S2的柵極連接MPPT核心控制模塊的 MPPT控制端，場效應管MOSl的源級S連接太陽能電池的正極S0L+，場效應管MOSl的柵極連接MPPT核心控制模塊的防反向放電控制端，所述電解電容C的正極連接場效應管MOSl 的漏極D，電解電容C的負極連接太陽能電池的負極SOL-。本實用新型在太陽能電池和蓄電池之間設置MPPT核心控制模塊，在MPPT核心控制模塊中將擾動觀察法和增量電導法有機的結合到了一起，首先采用相對較大步長的擾動法全局尋優(yōu)，在找出全局最大功率點后，再采用增量電導法跟蹤最大功率點，攝取兩種方法的優(yōu)點以確保當前最大功率點的準確性。然后，找到最大功率點后就會鎖定8 10分鐘， 8 10分鐘以后再第2次尋找最大功率點。而尋找最大功率點的時間只要10 15秒，這樣就確保了系統(tǒng)在最大功率點的工作時間。由于本實用新型的充電裝置采用了上述太陽能最大功率跟蹤方法，使得實用新型的裝置具有如下優(yōu)點1)能最大限度的使本裝置工作在太陽能陣列的最大功率點，提高太陽能電池組件發(fā)電利用率10% 50% ；2)裝置自身的電轉換效率提高，發(fā)熱量減??；幻設計的同步整流功能，提高了降壓式變換模塊的電能轉換效率；4)設置的防反向放電控制模塊和防電池反接控制模塊能很好的保證本裝置的可靠性。

圖1為本實用新型的原理框圖；圖2為本實用新型的太陽能最大功率跟蹤充電裝置的共正極電路圖；圖3為本實用新型的太陽能最大功率跟蹤充電裝置的共正極電路圖。其中，圖2和圖3中MPPT核心控制模塊的太陽能采樣接1和太陽能采樣接口 2， 分別連接太陽能陣列的采樣端；MPPT核心控制模塊的電池采樣接口 1和電池采樣接口 1分別連接蓄電池的采樣端；MPPT核心控制模塊的供電電源+接口和供電電源-接口連接MPPT 的供電電源；MPPT核心控制模塊的負載放電控制接口連接負載控制端。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明如圖1所示的一種太陽能最大功率跟蹤充電裝置，它包括降壓式變換模塊和所述 MPPT核心控制模塊，其中，降壓式變換模塊的控制端連接MPPT核心控制模塊，降壓式變換模塊的信號輸入端連接太陽能電池，降壓式變換模塊的信號輸出端連接蓄電池。上述技術方案中，優(yōu)選的它還可以包括防反向放電控制模塊和防電池反接控制模塊，其中，降壓式變換模塊的信號輸入端通過防反向放電控制模塊連接太陽能電池，降壓式變換模塊的信號輸出端通過連接防電池反接控制模塊連接蓄電池。如圖2所示，根據(jù)上述技術方案設計出的共正極MPPT充電裝置，降壓式變換模塊包括電感L、電解電容C、場效應管M0S2和場效應管M0S3，所述防反向放電控制模塊包括場效應管M0S1，所述防電池反接控制模塊包括場效應管M0S4，其中，MPPT核心控制模塊的同步整流控制端連接場效應管M0S3的柵極，場效應管M0S3的漏極D連接電感L的一端，電感 L的另一端連接蓄電池正極BATTERY+，場效應管M0S3的源級S連接場效應管M0S4的源級 S，場效應管M0S4的漏極D連接蓄電池負極BATTERY-，場效應管M0S4的柵極連接MPPT核心控制模塊的防電池反接控制端，場效應管M0S4的源級S連接場效應管M0S2的漏極D，場效應管M0S2的柵極連接MPPT核心控制模塊的MPPT控制端，場效應管M0S2的源級S連接場效應管MOSl的源級S，場效應管MOSl的漏極D連接太陽能電池的負極S0L-，場效應管MOSl 的柵極連接MPPT核心控制模塊的防反向放電控制端，所述電感L的一端連接太陽能電池的正極S0L+，電解電容C的正極連接太陽能電池的正極S0L+，電解電容C的負極連接場效應管MOSl的源級S。上述共正極MPPT充電裝置的工作原理為MPPT核心控制模塊通過對太陽能電池的電壓和電流采樣后，經(jīng)過內(nèi)部MCU分析計算，采用上述的太陽能最大功率跟蹤方法(MPPT 技術策略)，快速跟蹤太陽能電池的最大功率點，其電路外部表現(xiàn)為對場效應管M0S2輸出最優(yōu)PWM波形，在蓄電池需要充電的情況下，始終保持太陽能電池以最大功率輸出。每隔 8 10分鐘重新尋找一次最大功率點。圖中電感L和電解電容C在電路中起畜能作用。場效應管M0S3代替了常規(guī)降壓式變換模塊中的續(xù)流二極管，采用同步整流技術進一步增加轉化效率。場效應管MOSl在電路中的作用是防止夜間電池反向向太陽能放電以及防止太陽能電池反接。場效應管M0S4在電路中的作用是防電池反接。如圖3所示，根據(jù)上述技術方案設計出的共負極MPPT充電裝置，降壓式變換模塊包括電感L、電解電容C、場效應管M0S2和場效應管M0S3，所述防反向放電控制模塊包括場效應管M0S1，所述防電池反接控制模塊包括場效應管M0S4，其中，MPPT核心控制模塊的同步整流控制端連接場效應管M0S3的柵極，場效應管M0S3的漏極D連接電感L的一端，電感 L的另一端連接蓄電池正極BATTERY+，場效應管M0S3的源級S連接場效應管M0S4的源級 S，場效應管M0S4的漏極D連接蓄電池負極BATTERY-，場效應管M0S4的柵極連接MPPT核心控制模塊的防電池反接控制端，場效應管M0S4的源級S連接太陽能電池的負極S0L-，場效應管M0S2的源級S連接電感L的一端，場效應管M0S2的漏極D連接場效應管MOSl的漏極D，場效應管M0S2的柵極連接MPPT核心控制模塊的MPPT控制端，場效應管MOSl的源級 S連接太陽能電池的正極S0L+，場效應管MOSl的柵極連接MPPT核心控制模塊的防反向放電控制端，所述電解電容C的正極連接場效應管MOSl的漏極D，電解電容C的負極連接太陽能電池的負極SOL-。上述共負極MPPT充電裝置的工作原理為MPPT核心控制模塊通過對太陽能、電池的電壓電流等采樣后，經(jīng)過內(nèi)部MCU分析計算，采用上述的太陽能最大功率跟蹤方法(MPPT 技術策略)，快速跟蹤太陽能電池的最大功率點，其電路外部表現(xiàn)為對場效應管M0S2輸出最優(yōu)PWM波形，在電池需要充電的情況下，始終保持太陽能電池以最大功率輸出。每隔8 10分鐘重新尋找一次最大功率點。圖中電感L和電容C在電路中起畜能作用。場效應管 M0S3代替了常規(guī)降壓式變換模塊中的續(xù)流二極管，采用同步整流技術進一步增加轉化效率。場效應管MOSl在電路中的作用是防止夜間電池反向向太陽能放電以及防止太陽能電池反接。場效應管M0S4在電路中的作用是防蓄電池反接。共負極MPPT充電裝置相比上述共正極MPPT充電裝置驅(qū)動上更為復雜，各場效應管柵極驅(qū)動需要彼此隔離。上述MPPT核心控制模塊中的太陽能最大功率跟蹤方法，它包括如下步驟步驟101 啟動，并初始化MPPT核心控制模塊；步驟102 檢測太陽能陣列的電流和電壓，并通過擾動全局尋優(yōu)法找到被檢測太陽能陣列的最大功率區(qū)間；步驟201 確定太陽能陣列的最大功率區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)檢測太陽能陣列的電流和電壓，并在該區(qū)間內(nèi)隨機確定一個功率點，然后對太陽能陣列的電壓以i/K*m步長擾動 (其中，m為全局步長系數(shù)，κ為局部步長比例系數(shù))；步驟202 得出所述1/K*m步長擾動前后太陽能陣列的電壓差值、電流差值、以及當前負載電導和太陽能微變電導的和；實際控制中電導法對太陽能功率變換如下P = ；dp/vdv = i/u+di/dv ；G = i/u ； AG = di/dv ；P:太陽能功率U:太陽能電壓 i:太陽能電流G 負載電導 AG:太陽能微變電導步驟203 當所述步長擾動前后太陽能陣列的電壓差值小于給定電壓變化閾值時，檢查太陽能陣列的電流差值是否小于給定電流變化閾值；當所述步長擾動前后太陽能陣列的電壓差值大于給定電壓變化閾值時，檢測太陽能陣列的當前負載電導和太陽能微變電導的和的絕對值是否小于給定變化閾值；[0036]實際操作中，對于給定電壓變化閾值，比如步長改變前電壓是17V，電壓變化閥值設為0. IV，步長改變后電壓(U)為U <16. 9V或U> 17. IV，就是電壓差值大于給定變化閥值，如果步長改變后電壓(U)為16. 9V < U < 17. IV，就是電壓差值小于給定變化閥值；對于給定電流變化閾值，比如步長改變前電流是10A，電流變化閥值設為0. 1A，步長改變后電流(I)為I < 9. 9A或I > 10. IA就是電流差值大于給定變化閥值，如果步長改變后電流(I)為9. 9A彡I彡10. IA就是電流差值小于給定變化閥值；對于當前負載電導和太陽能微變電導的和的絕對值，比如它的變化閥值設為 0. 05，當前負載電導和太陽能微變電導的和的絕對值(D)D > 0. 05，就是電導差值大于給定變化閥值，如果當前負載電導和太陽能微變電導的和的絕對值⑶為05，就是電導差值小于給定變化閥值。步驟204 當所述步長擾動前后太陽能陣列的電流差值小于給定電流變化閾值時即找到當前最大功率點；步驟205 當所述步長擾動前后太陽能陣列的電流差值大于給定電流變化閾值時，檢測電流差值是否大于零，當電流差值大于零時通過改變步長來增加太陽能的電壓，再回到步驟202重新尋找太陽能陣列的當前最大功率點；當電流差值小于零時通過改變步長來減小太陽能陣列的電壓，再回到步驟202重新尋找太陽能陣列的當前最大功率點；步驟206 當所述檢測的太陽能陣列的當前負載電導和太陽能微變電導的和的絕對值小于給定變化閾值時，即找到當前最大功率點；步驟207 當所述檢測的太陽能陣列的當前負載電導和太陽能微變電導的和的絕對值大于給定變化閾值時，檢測太陽能陣列的當前負載電導和太陽能微變電導的和的實際值是否大于零，當太陽能陣列的當前負載電導和太陽能微變電導的和的實際值大于零時， 通過改變步長來增加太陽能陣列的電壓，再回到步驟202重新尋找太陽能陣列的當前最大功率點；當太陽能陣列的當前負載電導和太陽能微變電導的和的實際值小于零時，通過改變步長來減小太陽能陣列的電壓，再回到步驟202重新尋找太陽能陣列的當前最大功率點。步驟301 對步驟204、步驟206中找到的當前最大功率點通過在單片機中設置延時來(即固定了當前占空比的方式)鎖定8 10分鐘，以確保處于所述當前最大功率點的工作時間；找到最大功率點后鎖定8 10分鐘，8 10分鐘以后再第2次尋找最大功率點。 而每次尋找最大功率點的時間只要只要10 15秒，這樣就確保了系統(tǒng)在最大功率點的工作時間。因為在一天當中，每8 10分鐘之間，其最大功率點幾乎是相同的。步驟302 檢查鎖定的時間是否達到8 10分鐘，當鎖定的時間少于8 10分鐘時，回到步驟301重新鎖定；當鎖定的時間達到8 10分鐘時，回到步驟101。上述技術方案中所述步驟102的擾動全局尋優(yōu)法包括如下步驟步驟1021 得出太陽能陣列當前的功率；步驟1022 檢查當前的太陽能陣列功率是否高于上次檢查時的功率；步驟1023 當前的太陽能陣列功率高于上次檢查的功率時，檢查此次的太陽能陣列電壓是否高于上次檢查時的電壓；步驟10 當此次的太陽能陣列電壓高于上次檢查的電壓時，通過改變步長來增加太陽能的電壓；[0050]步驟1025 當此次的太陽能陣列電壓低于上次檢查的電壓時，通過改變步長來減小太陽能陣列的電壓；步驟10 當前的太陽能陣列功率低于上次檢查的功率時，檢查此次的太陽能陣列電壓是否高于上次檢查時的電壓；步驟1027 當此次的太陽能陣列電壓高于上次檢查的電壓時，通過改變步長來減小太陽能陣列的電壓；步驟10 當此次的太陽能陣列電壓低于上次檢查的電壓時，通過改變步長來增加太陽能陣列的電壓。上述技術方案中，在步驟201和步驟202中K為10 20，附為10 16 ；在步驟 205和步驟207中的步長改變量為1/Κ_1，其中，K為10 20，m為10 16 ；所述步驟205 中，通過1/K*m步長改變量的不斷調(diào)節(jié)，直至當步驟203中的電流差值小于給定變化閥值時，即找到當前最大功率點，在步驟207中，通過1/K*m步長改變量的不斷調(diào)節(jié)，直至當步驟203中太陽能陣列的當前負載電導和太陽能微變電導的和的絕對值小于給定變化閥值時，即找到當前最大功率點。在步驟1024、步驟1025、步驟1027和步驟10 中的步長改變量為1/N1，其中，m為10 16。上述K和m會根據(jù)電壓變化幅度的大小而調(diào)整，比如，步長改變前后電壓變化太大就會增加Nl和或K，增加了 Nl和或K步長1/KN1就小了。上述技術方案中，步驟205和步驟207中的步長改變是通過改變MPPT核心控制模塊的控制波形PWM的占空比來實現(xiàn)；步驟1024、步驟1025、步驟1027和步驟10 中的步長改變也是通過改變MPPT核心控制模塊的控制波形PWM的占空比來實現(xiàn)。本說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
權利要求1.一種太陽能最大功率跟蹤充電裝置，其特征在于它包括降壓式變換模塊和所述 MPPT核心控制模塊，其中，降壓式變換模塊的控制端連接MPPT核心控制模塊，降壓式變換模塊的信號輸入端連接太陽能電池，降壓式變換模塊的信號輸出端連接蓄電池。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能最大功率跟蹤充電裝置，其特征在于它還包括防反向放電控制模塊和防電池反接控制模塊，其中，降壓式變換模塊的信號輸入端通過防反向放電控制模塊連接太陽能電池，降壓式變換模塊的信號輸出端通過防電池反接控制模塊連接蓄電池。
3.根據(jù)權利要求2所述的太陽能最大功率跟蹤充電裝置，其特征在于所述降壓式變換模塊包括電感L、電解電容C、場效應管M0S2和場效應管M0S3，所述防反向放電控制模塊包括場效應管M0S1，所述防電池反接控制模塊包括場效應管M0S4，其中，MPPT核心控制模塊的同步整流控制端連接場效應管M0S3的柵極，場效應管M0S3的漏極D連接電感L的一端，電感L的另一端連接蓄電池正極BATTERY+，場效應管M0S3的源級S連接場效應管M0S4 的源級S，場效應管M0S4的漏極D連接蓄電池負極BATTERY-，場效應管M0S4的柵極連接 MPPT核心控制模塊的防電池反接控制端，場效應管M0S4的源級S連接場效應管M0S2的漏極D，場效應管M0S2的柵極連接MPPT核心控制模塊的MPPT控制端，場效應管M0S2的源級 S連接場效應管MOSl的源級S，場效應管MOSl的漏極D連接太陽能電池的負極S0L-，場效應管MOSl的柵極連接MPPT核心控制模塊的防反向放電控制端，所述電感L的一端連接太陽能電池的正極S0L+，電解電容C的正極連接太陽能電池的正極S0L+，電解電容C的負極連接場效應管MOSl的源級S。
4.根據(jù)權利要求2所述的太陽能最大功率跟蹤充電裝置，其特征在于所述降壓式變換模塊包括電感L、電解電容C、場效應管M0S2和場效應管M0S3，所述防反向放電控制模塊包括場效應管MOSl，所述防電池反接控制模塊包括場效應管M0S4，其中，MPPT核心控制模塊的同步整流控制端連接場效應管M0S3的柵極，場效應管M0S3的漏極D連接電感L的一端，電感L的另一端連接蓄電池正極BATTERY+，場效應管M0S3的源級S連接場效應管M0S4 的源級S，場效應管M0S4的漏極D連接蓄電池負極BATTERY-，場效應管M0S4的柵極連接 MPPT核心控制模塊的防電池反接控制端，場效應管M0S4的源級S連接太陽能電池的負極 SOL-,場效應管M0S2的源級S連接電感L的一端，場效應管M0S2的漏極D連接場效應管 MOSl的漏極D，場效應管M0S2的柵極連接MPPT核心控制模塊的MPPT控制端，場效應管MOSl 的源級S連接太陽能電池的正極S0L+，場效應管MOSl的柵極連接MPPT核心控制模塊的防反向放電控制端，所述電解電容C的正極連接場效應管MOSl的漏極D，電解電容C的負極連接太陽能電池的負極SOL-。
專利摘要一種太陽能最大功率跟蹤充電裝置，它包括降壓式變換模塊和所述MPPT核心控制模塊，其中，降壓式變換模塊的控制端連接MPPT核心控制模塊，降壓式變換模塊的信號輸入端連接太陽能電池，降壓式變換模塊的信號輸出端連接蓄電池。實用新型的裝置具有如下優(yōu)點1)能最大限度的使本裝置工作在太陽能陣列的最大功率點，提高太陽能電池組件發(fā)電利用率10％～50％；2)裝置自身的電轉換效率提高，發(fā)熱量減小；3)設計的同步整流功能，提高了降壓式變換模塊的電能轉換效率。
文檔編號G05F1/67GK202004494SQ201120103300
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月11日 優(yōu)先權日2011年4月11日
發(fā)明者趙金友, 郭萬壽 申請人:武漢萬鵬科技有限公司