恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)及其充電方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)及其充電方法。該控制系統(tǒng)包括充電控制器、電源輸入模塊、電源輸出模塊和充電模塊，其中，充電控制器通過電源輸入模塊與光伏電池板連接，充電控制器通過電源輸出模塊與蓄電池連接；充電模塊包括恒壓充電電路和脈沖充電電路，分別與充電控制器連接；充電控制器通過充電模塊對蓄電池進(jìn)行充電。本發(fā)明將恒壓充電和脈沖充電結(jié)合的充電方法，能夠?qū)崿F(xiàn)與馬斯定律中涉及的蓄電池最大可接受電流曲線逼近，使得在相同的時(shí)間內(nèi)使用更大的電流進(jìn)行充電，有效地降低在充電過程中極板的極化作用，更好地保護(hù)蓄電池。
【專利說明】
恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)及其充電方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種恒壓限流脈沖充電的方法，利用充電控制器對光伏系統(tǒng)中直流電源進(jìn)行儲能，屬于蓄電池充電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]利用太陽能的核心問題就是解決儲能問題?，F(xiàn)有的太陽能充電控制器的充電方法均是采用較為單一的恒壓充電或者恒流充電，稍微理想一點(diǎn)的是多段式充電。但是根據(jù)馬斯定律，在蓄電池的充電過程中，蓄電池的可接受電流的大小會隨著充電過程的深入而逐漸減小，故常規(guī)的充電控制器會使得蓄電池由于板間極化作用導(dǎo)致可接受電流變小，造成充電速度過慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的這一缺陷，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與馬斯定律中涉及的蓄電池最大可接受電流曲線逼近，使得在相同的時(shí)間內(nèi)使用更大的電流進(jìn)行充電。本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供該充電控制系統(tǒng)的充電方法，該方法可以更好的保護(hù)蓄電池和延長蓄電池的壽命。
[0004]為了達(dá)到上述所提及的目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案:
[0005]恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，包括充電控制器、電源輸入模塊、電源輸出模塊和充電模塊，所述充電控制器通過電源輸入模塊與光伏電池板連接，所述充電控制器通過電源輸出模塊與蓄電池連接;所述充電模塊包括恒壓充電電路和脈沖充電電路，分別與充電控制器連接;所述充電控制器通過充電模塊對蓄電池進(jìn)行充電。
[0006]進(jìn)一步地，所述充電控制器還與檢測模塊相連，檢測模塊包括電量檢測模塊、電壓檢測模塊和溫度檢測模塊。
[0007]所述溫度檢測模塊直接安裝在蓄電池的外殼上。
[0008]進(jìn)一步地，所述充電控制器還與顯示模塊、時(shí)鐘模塊和按鍵模塊相連。
[0009]所述充電控制器具有三種充電模式:定時(shí)充電、低電量充電和充電至滿，并通過按鍵模塊進(jìn)行模式的選擇。
[0010]所述恒壓充電電路和脈沖充電電路中均包括MOS管電路及其驅(qū)動電路。
[0011]本發(fā)明上述恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)的充電方法，包括如下步驟:
[0012](I)充電控制器首先對各端口進(jìn)行復(fù)位，然后檢測各個(gè)模塊與控制器的連接狀態(tài)；
[0013](2)通過按鍵模塊選擇充電模式，充電控制器檢測按鍵模塊的輸入并執(zhí)行相應(yīng)的充電模式；
[0014](3)充電控制器通過采集電路實(shí)時(shí)采集蓄電池的電壓U1和溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲，同時(shí)對已經(jīng)存儲的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定蓄電池的電量是否已滿，若是已滿則繼續(xù)采集蓄電池的電壓和溫度數(shù)據(jù)；
[0015](4)若是判斷蓄電池的電量未滿，則對光伏電池板的電壓1]2進(jìn)行采集和存儲，同時(shí)進(jìn)行誤差處理，將處理后的電壓數(shù)據(jù)1]2與預(yù)設(shè)定的恒壓充電幅值U3進(jìn)行比較，若是U2^U3,則表明目前是屬于白天并且光照條件較為理想，此時(shí)可以進(jìn)行蓄電池的充電；
[0016]具體充電過程為:首先利用充電控制器計(jì)算恒壓充電的PffM波形占空比D1:
[0017]Di = U3/U2
[0018]再利用充電控制器產(chǎn)生一個(gè)固定占空比D2的PWM波形，當(dāng)產(chǎn)生占空比為DjPD2兩個(gè)pmi波之后就可以為蓄電池充電；其中，充電控制器通過對占空比0工進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒壓幅值可調(diào)，同時(shí)通過占空比出實(shí)現(xiàn)脈沖充電的占空比可調(diào)。
[0019]所述步驟(2)中，若充電模式是定時(shí)充電模式，則充電控制器檢測用戶輸入的時(shí)間數(shù)據(jù)，然后與現(xiàn)有時(shí)間進(jìn)行比較，若是時(shí)間到了則開始進(jìn)行充電，若時(shí)間未到則繼續(xù)等待；若充電模式是低電量充電模式，則檢測蓄電池電量，判斷蓄電池是否處于低電量，若是低電量則開始充電，若不是低電量則繼續(xù)進(jìn)行等待;若充電模式是充電至滿模式，則直接進(jìn)行充電。
[0020]所述步驟(4)中，充電控制器對蓄電池進(jìn)行充電的同時(shí)，對蓄電池的充電溫度進(jìn)行監(jiān)測，若蓄電池的溫度未達(dá)到溫度預(yù)警值，則繼續(xù)充電，若是溫度達(dá)到預(yù)警值，則通過減小pmi波的占空比D1，來減小恒壓充電的電壓幅值，從而減小充電電流;若是溫度達(dá)到了警戒值，則直接將PWM波的占空比DjPD2清零，從而斷開充電回路，等待一段時(shí)間后，繼續(xù)執(zhí)行步驟⑶。
[0021]優(yōu)選地，所述步驟(4)中，預(yù)設(shè)定的恒壓充電幅值U3的初始值為14.4V，占空比D2的初始值為80 %。
[0022]本發(fā)明將恒壓充電和脈沖充電結(jié)合的充電方法，能夠?qū)崿F(xiàn)與馬斯定律中涉及的蓄電池最大可接受電流曲線逼近，使得在相同的時(shí)間內(nèi)使用更大的電流進(jìn)行充電，有效地降低在充電過程中極板的極化作用，更好地保護(hù)蓄電池。和現(xiàn)有的方案進(jìn)行比較，其提升的充電效果在于:
[0023](I)本發(fā)明使用了脈沖充電法，即在充電過程中通過間歇性的充電使得蓄電池的可接受電流變大，在相同的時(shí)間內(nèi)，能使蓄電池充入更多的電量。
[0024](2)本發(fā)明還使用了恒壓充電的方式，該方式可以使用與蓄電池可接受電流較為接近的電流進(jìn)行充電，使得充電電流較之恒流充電的數(shù)值要大。
[0025](3)通過在充電過程中對蓄電池的溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度達(dá)到限定值啟動保護(hù)動作，以防電流過大造成蓄電池的溫度升高過快，進(jìn)而影響蓄電池的使用壽命，確保蓄電池的安全充電。
[0026](4)本發(fā)明的充電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作效率高，充電速度快，運(yùn)行穩(wěn)定，蓄電池溫度和電量的實(shí)時(shí)顯示功能，能應(yīng)用在大多數(shù)蓄電池儲能系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0027]圖1本發(fā)明的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2基于AVR單片機(jī)的恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖3系統(tǒng)運(yùn)行流程圖；
[0030]圖4恒壓限流脈沖充電硬件電路圖；
[0031 ]圖5溫度傳感器與單片機(jī)的連接圖；
[0032]圖6IXD液晶顯示器與單片機(jī)的連接圖；
[0033]圖7恒壓脈沖充電和恒流脈沖充電曲線對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]本實(shí)施例的一種恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，主要包括AVR128單片機(jī)、恒壓脈沖充電電路、蓄電池溫度檢測電路、電壓檢測電路、按鍵電路、時(shí)鐘電路和LCD顯示電路。AVR128單片機(jī)的主要作用是承擔(dān)本發(fā)明中的充電控制器的角色，主要作用是檢測蓄電池電壓，蓄電池溫度，充電電流，電源電壓數(shù)據(jù)，接受按鍵電路的按鍵輸入，同時(shí)控制充電過程中的電壓幅值和脈沖占空比。恒壓限流脈沖充電部分主要有兩個(gè)MOS管和兩個(gè)MOS管驅(qū)動電路組成，其中一組MOS管和其驅(qū)動電路的功能是調(diào)節(jié)恒壓限流脈沖充電的電壓幅值，而另一組的功能是實(shí)現(xiàn)充電的脈沖占空比。蓄電池溫度檢測電路是利用溫度傳感器測量蓄電池的溫度數(shù)據(jù)，并通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和比較，若是超過預(yù)設(shè)定的溫度值則開始啟動相應(yīng)保護(hù)操作。LCD顯示電路主要實(shí)現(xiàn)蓄電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示，通過單片機(jī)采集蓄電池電量和溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)在LCD液晶顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)LCD液晶顯示屏上還可以顯示當(dāng)前的時(shí)間和充電模式。
[0035]其中，充電控制器是整個(gè)恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)的核心，充電控制器通過對充電過程中的電路參數(shù)進(jìn)行收集，從而對電路狀態(tài)進(jìn)行診斷并且做出相應(yīng)的操作。用戶通過按鍵電路向充電控制器發(fā)送充電模式的數(shù)據(jù)。本實(shí)施例有定時(shí)充電、低電量充電、充電至滿三種充電模式可供用戶選擇。在用戶設(shè)置完充電方式之后，充電控制器開始對充電模塊進(jìn)行精確控制，安全快速的完成充電過程。
[0036]電壓檢測電路設(shè)有兩個(gè)，分別是對電源部分電壓進(jìn)行檢測和蓄電池部分進(jìn)行電壓檢測。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制器分別對電源和蓄電池這兩部分的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲。溫度檢測電路檢測的是蓄電池部分的溫度，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對蓄電池的溫度進(jìn)行采集和存儲。通過對蓄電池的溫度進(jìn)行檢測和判斷確定是否要進(jìn)行限流或者停充。
[0037]如圖3所示，為本實(shí)施例整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖，具體實(shí)施過程如下:
[0038](I)首先對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，先對各端口進(jìn)行復(fù)位，然后檢測電源模塊是否已經(jīng)連接完好，若是未連接在顯示屏上對用戶進(jìn)行提示;再檢測蓄電池模塊是否已經(jīng)連接完好，若是未連接在顯示屏上對用戶進(jìn)行提示。
[0039](2)檢測按鍵模塊的輸入，判斷是否是定時(shí)充電，若是定時(shí)充電模式，則檢測用戶輸入的時(shí)間數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)與現(xiàn)有時(shí)間進(jìn)行比較，若是時(shí)間到了則開始進(jìn)行充電，若時(shí)間未到則繼續(xù)等待。在充電開始之后顯示屏上將顯示的是充電電流、電源模塊電壓，蓄電池電壓和溫度。
[0040](3)檢測蓄電池電量，判斷是否是低電量充電模式，若是低電量充電模式，則判斷蓄電池是否低電量，若是低電量則開始充電，若不是低電量則繼續(xù)進(jìn)行等待。若判斷不是低電量充電模式，則直接進(jìn)行充電。
[0041](4)單片機(jī)通過硬件電路采集蓄電池的電壓U1，通過AD轉(zhuǎn)換存儲到單片機(jī)的內(nèi)部，同時(shí)讀取溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行存儲，多次進(jìn)行采集，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差處理。
[0042](5)將進(jìn)行過誤差處理過的電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)通過AVR單片機(jī)顯示到LCD液晶顯示屏上。同時(shí)對已經(jīng)存儲的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定蓄電池的電量是否已滿。若是已滿則繼續(xù)采集電池電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行顯示。
[0043](6)若是蓄電池的電量未滿，則對光伏電池板的電壓U2進(jìn)行米集和存儲，同時(shí)進(jìn)行誤差處理，將處理的電壓數(shù)據(jù)1]2進(jìn)行比較，若是U22 14.4V則表明目前是屬于白天并且光照條件較為理想，此時(shí)可以進(jìn)行蓄電池的充電。
[0044](7)利用單片機(jī)計(jì)算恒壓充電的PffM波形占空比D1:
[0045]Di = U3/U2
[0046]其中，1]2是光伏電池板發(fā)電的電壓值，U3是預(yù)設(shè)定的恒壓充電幅值，其初始值為14.4V。再利用單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)固定占空比D2的PffM波形，D2的初始值為80%。當(dāng)產(chǎn)生這兩個(gè)PWM之后就可以輸出到硬件電路對應(yīng)的位置，即開始充電，同時(shí)對蓄電池的充電溫度進(jìn)行監(jiān)測，若蓄電池未達(dá)到溫度預(yù)警值，則繼續(xù)充電，同時(shí)對蓄電池的溫度進(jìn)行檢測。若是溫度達(dá)到預(yù)警值，則通過減小PWM波的占空比D1，來減小恒壓充電的電壓幅值，從而減小充電電流。若是溫度達(dá)到了警戒值，則直接將P麗波的占空比D1, D2清零，從而斷開充電回路，等待十分鐘后，執(zhí)行步驟(4)。
[0047]如圖4所示，為該充電控制器的硬件電路，103管&、電感L1和電容C5組成了恒壓充電電路，恒壓充電電路的的作用是對輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，同時(shí)通過改變PD4 口的PWM波形占空比實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值的控制C3MOS管Q3、三極管Q4組成了脈沖充電電路，當(dāng)PD5 口為高電平時(shí)，脈沖產(chǎn)生高電平，反之，PD5為低電平時(shí)，脈沖產(chǎn)生低電平。從而實(shí)現(xiàn)脈沖充電。
[0048]如圖5所示，為蓄電池的溫度傳感器與單片機(jī)的連接示意圖，本實(shí)施例的充電控制系統(tǒng)中采用的是DS18B20溫度傳感器。將該溫度傳感器直接接觸蓄電池的外殼，從而實(shí)現(xiàn)對蓄電池的溫度檢測。
[0049]如圖6所示，為IXD液晶顯示器與AVR單片機(jī)的連接示意圖，AVR單片機(jī)通過IXD液晶顯示器來顯示蓄電池的電壓和溫度數(shù)據(jù)。
[0050]如圖7所示，為恒壓脈沖充電和恒流脈沖充電的充電電流曲線圖比較，由此可以看出本發(fā)明的恒壓脈沖充電的充電電流更大，充電速度更快。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，包括充電控制器、電源輸入模塊、電源輸出模塊和充電模塊，其特征在于，所述充電控制器通過電源輸入模塊與光伏電池板連接，所述充電控制器通過電源輸出模塊與蓄電池連接;所述充電模塊包括恒壓充電電路和脈沖充電電路，分別與充電控制器連接;所述充電控制器通過充電模塊對蓄電池進(jìn)行充電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述充電控制器還與檢測模塊相連，檢測模塊包括電量檢測模塊、電壓檢測模塊和溫度檢測模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度檢測模塊直接安裝在蓄電池的外殼上。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述充電控制器還與顯示模塊、時(shí)鐘模塊和按鍵模塊相連。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述充電控制器具有三種充電模式:定時(shí)充電、低電量充電和充電至滿，并通過按鍵模塊進(jìn)行模式的選擇。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述恒壓充電電路和脈沖充電電路中均包括MOS管電路及其驅(qū)動電路。7.如權(quán)利要求1所述恒壓限流脈沖充電控制系統(tǒng)的充電方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)充電控制器首先對各端口進(jìn)行復(fù)位，然后檢測各個(gè)模塊與控制器的連接狀態(tài)； (2)通過按鍵模塊選擇充電模式，充電控制器檢測按鍵模塊的輸入并執(zhí)行相應(yīng)的充電模式； (3)充電控制器通過采集電路實(shí)時(shí)采集蓄電池的電壓U1和溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲，同時(shí)對已經(jīng)存儲的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定蓄電池的電量是否已滿，若是已滿則繼續(xù)采集蓄電池的電壓和溫度數(shù)據(jù)； (4)若是判斷蓄電池的電量未滿，則對光伏電池板的電壓1]2進(jìn)行采集和存儲，同時(shí)進(jìn)行誤差處理，將處理后的電壓數(shù)據(jù)1]2與預(yù)設(shè)定的恒壓充電幅值U3進(jìn)行比較，若是U2 2 U3，則表明目前是屬于白天并且光照條件較為理想，此時(shí)可以進(jìn)行蓄電池的充電； 具體充電過程為:首先利用充電控制器計(jì)算恒壓充電的PWM波形占空比D1:D1 = U3AJ2 再利用充電控制器產(chǎn)生一個(gè)固定占空比D2的P麗波形，當(dāng)產(chǎn)生占空比為DjPD2兩個(gè)PWM波之后就可以為蓄電池充電；其中，充電控制器通過對占空比0:進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒壓幅值可調(diào)，同時(shí)通過占空比D2實(shí)現(xiàn)脈沖充電的占空比可調(diào)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的充電方法，其特征在于，所述步驟(2)中，若充電模式是定時(shí)充電模式，則充電控制器檢測用戶輸入的時(shí)間數(shù)據(jù)，然后與現(xiàn)有時(shí)間進(jìn)行比較，若是時(shí)間到了則開始進(jìn)行充電，若時(shí)間未到則繼續(xù)等待;若充電模式是低電量充電模式，則檢測蓄電池電量，判斷蓄電池是否處于低電量，若是低電量則開始充電，若不是低電量則繼續(xù)進(jìn)行等待；若充電模式是充電至滿模式，則直接進(jìn)行充電。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的充電方法，其特征在于，所述步驟(4)中，充電控制器對蓄電池進(jìn)行充電的同時(shí)，對蓄電池的充電溫度進(jìn)行監(jiān)測，若蓄電池的溫度未達(dá)到溫度預(yù)警值，則繼續(xù)充電，若是溫度達(dá)到預(yù)警值，則通過減小HVM波的占空比D1，來減小恒壓充電的電壓幅值，從而減小充電電流;若是溫度達(dá)到了警戒值，則直接將PWM波的占空比DjPD2清零，從而斷開充電回路，等待一段時(shí)間后，繼續(xù)執(zhí)行步驟(3)。10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的充電方法，其特征在于，所述步驟(4)中，預(yù)設(shè)定的恒壓充電幅值U3的初始值為14.4V，占空比D2的初始值為80%。
【文檔編號】H02J7/00GK105871032SQ201610356738
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】申忠宇, 王濤, 趙瑾
【申請人】南京師范大學(xué)