光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器及其控制方法，其包括電荷存儲器、開關(guān)管K、控制器模塊以及電荷存儲器和蓄電池荷電端電壓檢測裝置；其中電荷存儲器與光伏電池并聯(lián)，電力電子開關(guān)K與蓄電池串聯(lián)后與電荷存儲器并聯(lián)，控制器通過檢測電力電子開關(guān)K兩端的電壓給開關(guān)K發(fā)出控制信號，以解決現(xiàn)有光伏發(fā)電蓄電池充電技術(shù)的效率和蓄電池保護問題。本發(fā)明的電路拓撲只有一個開關(guān)管，不含有電感類器件，因此本技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，充電效率高，能夠充分利用光伏能量，有效限制蓄電池的充電溫升，延長蓄電池的使用壽命。本發(fā)明基于電荷轉(zhuǎn)移的脈沖充電技術(shù)，能夠解決上述問題，以實現(xiàn)各種狀況下對鉛酸蓄電池的高效和無損充電。
【專利說明】光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及光伏充電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]蓄電池充電主要有三種極化，歐姆極化，濃差極化，電化學(xué)極化。根據(jù)電化學(xué)基本原理知道，鉛酸電池充電時，在發(fā)生析氣前，其極化主要是電化學(xué)極化和離子的濃差極化，電化學(xué)極化導(dǎo)致不能析H2和析02，濃差極化的結(jié)果，導(dǎo)致電池開路電壓升高、電池溫升高(更恰切地講電極的溫升)、充電效率低以及過早地進入析氣反應(yīng)。一般來說，電流密度加大，電池的三種極化都加大，但電化學(xué)極化對鉛酸電池金屬電極來講，影響不大，而對抑制析4，析O2的析氣反應(yīng)是有利的。一個合理的蓄電池充電器應(yīng)當(dāng)具備:1)適當(dāng)大的電流充電密度；2)有效的消除和降低濃差極化；3)有效地擴散聚集在電極上因極化而產(chǎn)生的熱量。
[0003]光伏電源具有隨機不可控性，傳統(tǒng)的一些充電技術(shù)包括浮充技術(shù)、恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電技術(shù)、限壓恒流充電技術(shù)、分階段充電技術(shù)都是建立在電源恒可控的基礎(chǔ)上，如果將傳統(tǒng)的技術(shù)直接運用于光伏充電技術(shù)，當(dāng)光照強度不足時，蓄電池的充電電流就會很小。若此狀態(tài)持續(xù)比較久，會使得蓄電池內(nèi)部反應(yīng)的微粒過細，會降低蓄電池的使用壽命。
[0004]現(xiàn)有光伏發(fā)電的蓄電池充電技術(shù)中，存在的問題有:1)常規(guī)充電時間長；2)大電流充電時，電池濃差極化大，電池溫度高，對蓄電池有損傷；3)光照強度比較弱時，光伏充電器難以對蓄電池進行有效充電。
[0005]總而言之，傳統(tǒng)的充電技術(shù)難以適應(yīng)光伏電源的特性，無法簡單有效的去除蓄電池充電時的濃差極化，保證電池充電溫升小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有充電技術(shù)中存在的問題，在充分考慮光伏電源的特點的基礎(chǔ)上，提出光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器及其控制方法，可以有效的去除濃差極化，保證電池溫升小，在光照不足的情況下也能有大的電流密度充電，提高太陽能的利用效率。
[0007]本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]—種光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器，其包括電荷存儲器、開關(guān)管、控制器以及電荷存儲器端電壓檢測裝置和蓄電池端電壓檢測裝置，電荷存儲器端電壓檢測裝置和蓄電池端電壓檢測裝置分別與控制器連接；其中電荷存儲器與太陽能光伏電池并聯(lián)，電力電子開關(guān)與蓄電池串聯(lián)后再與電荷存儲器并聯(lián)，控制器通過檢測電力電子開關(guān)兩端的電壓即電荷存儲器和蓄電池荷電端電壓，控制電力電子開關(guān)的通斷，實現(xiàn)對蓄電池充電的控制。
[0009]進一步地,所述電力電子開關(guān)米用MOS管。
[0010]進一步地，所述電荷存儲器采用電容器。
[0011 ] 進一步地，所述電荷存儲器端電壓檢測裝置和蓄電池端電壓檢測裝置均采用電壓檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0012]上述光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器的控制方法，其具體是:太陽能光伏電池受太陽輻射產(chǎn)生的直流電能存儲在電荷存儲器中，控制器根據(jù)電荷存儲器上的荷電狀態(tài)和蓄電池端電壓控制電力電子開關(guān)的導(dǎo)通時間Λ T和開關(guān)頻率及充電電流密度，以控制蓄電池中的恢復(fù)粒子流中的粒子直徑在10_2mm?10_3mm之間，產(chǎn)生粒子附著效應(yīng)，并且在充電間歇期內(nèi)消除于Λ T充電時間內(nèi)產(chǎn)生的活性極化和濃差極化。
[0013]上述的控制方法中，當(dāng)電荷存儲器中的電壓u (t)達到設(shè)定值Uopen,控制器產(chǎn)生一個高電平控制電力電子開關(guān)開通，直到檢測到電荷存儲裝置中的電壓u (t)不再降低，控制器則產(chǎn)生一個低電平控制電力電子開關(guān)關(guān)斷，直到電荷存儲器的電壓u (t)再一次達到設(shè)定值Uopen，控制器產(chǎn)生一個高電平控制電力電子開關(guān)開通，控制器周期性控制電力電子開關(guān)的通斷。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果:
[0015]1、將光伏電池產(chǎn)生的電荷暫時存儲到一個電荷存儲裝置，其電荷量反應(yīng)為電荷存儲器兩端的電壓，通過檢測其兩端的電壓來判定開關(guān)開通的條件，從而來實現(xiàn)充電的控制。
[0016]2、本發(fā)明的電路拓撲只有一個開關(guān)管，不含有電感類器件，因此本技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，充電效率高，能夠充分利用光伏能量，有效限制蓄電池的充電溫升，延長蓄電池的使用壽命。
[0017]3、本發(fā)明主要采用控制充電器充停時間的占空比來控制電池去極化的效果，從而抑制溫升。
[0018]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1本發(fā)明的光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器的拓撲裝置圖。
[0020]圖2本發(fā)明的光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器工作原理波形不意圖。
[0021]圖3本發(fā)明的光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器的一種電路實例不意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進一步說明，但本發(fā)明的實施和保護范圍不限于此。
[0023]圖1給出了本發(fā)明的光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器的拓撲裝置示意圖，太陽光伏電池產(chǎn)生的直流電能首先存儲在電荷存儲器I中，控制器2通過電荷存儲器I的端電壓檢測裝置3和蓄電池E端電壓檢測裝置4，獲得電荷存儲器I和蓄電池的端電壓信息，并通過控制開關(guān)通斷，以控制蓄電池中的恢復(fù)粒子流中的粒子直徑在10_2mm?10_3mm之間。圖2給出了工作原理波形圖，從圖中可以看出來當(dāng)電荷存儲器I中的電壓u(t)達到設(shè)定值U_n，控制器2便會產(chǎn)生一個高電平控制電力電子開關(guān)開通，直到檢測到電荷存儲裝置中的電壓u (t)不再降低，此時電壓為Uclose,控制器2便會產(chǎn)生一個低電平控制電力電子開關(guān)關(guān)斷，直到u(t)再一次達到U_n。由于整個充電過程中電荷存儲裝置I給予蓄電池的充電電壓都比較大，而且蓄電池內(nèi)阻小，所以能夠得到較大充電電流密度。一個周期內(nèi)電荷存儲器I充電時間記作Λ τ，電荷存儲器I放電時間為Λ Τ，這樣即可在一個Λ T時間上對蓄電池充入Δ Q的電量，可實現(xiàn)蓄電池在充電過程中有一組直徑控制在10_2?10_3mm的粒子恢復(fù)在對應(yīng)電極板上，并且通過設(shè)定合理的Utjpm、及電荷存儲器I的電容大小,設(shè)定一個合理的Λ τ、AT，通過大量的實驗表明當(dāng)光照最強時鉛酸蓄電池最佳Λ τ、ΛΤ匹配為(Λ τ + ΔΤ)=2?3ms，占空比約為50%的時候效果最為明顯。將光伏電池近似看作一個電流為I的電流源。這樣當(dāng)開關(guān)斷開時候，有光伏電池的電荷存儲于電荷存儲器，此時電荷存儲器上的電壓從Ueltjse上升至Utjpen則:
[0024]I.Δ τ =C (Uopen-Uclose) ( I)
[0025]當(dāng)開關(guān)閉合時電荷存儲器與光伏電池的電荷都同時充入蓄電池中，此時電荷存儲器上的電壓從Uopen下降致Uclose,則:
[0026]I.ΔΤ+C(Uopen-Uclose) = IavAT (2)
[0027]其中Iav:充電期間平均電流，能夠反應(yīng)充電電流密度
[0028]C:電荷存儲器容值
[0029]因此為了達到最佳匹配時間，及其期望的充電電流密度便可以通過上述公式(I)、
(2)來選擇電荷存儲器容值C，及Utjpm的合理值。
[0030]這樣便可在一定時間Λ T的間歇期內(nèi)消除由Λ T充電時間產(chǎn)生的微小活性極化和濃差極化。加之所有的開通條件都是當(dāng)電荷存儲器I的電壓達到設(shè)定值U_n，即可保證光照不足的時候也能在充電期間有較大的電流密度，使得陰天充電也得以進行，充分的利用太陽能。
[0031]圖3給出了本發(fā)明的電路實例示原理框圖，采用電容C作為電荷存儲器1，MOS管Q作為電力電子開關(guān)K，電荷存儲器端電壓檢測裝置和蓄電池端電壓檢測裝置均采用電壓檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，電壓檢測電路通過電阻分壓的方式采樣電容C兩端的電壓和電池兩端的電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入控制器；控制器可以采用現(xiàn)有控制芯片實現(xiàn)(例如采用常用AT89系列、MCS — 51系列單片機實現(xiàn))，控制器控制信號通過驅(qū)動電路便可驅(qū)動MOS管Q,電路實例中還包括輔助電源和過放保護電路等。輔助電源用于對控制器進行供電，過放保護電路通過檢測蓄電池電壓判定蓄電池是否過放，如果是將其與外接負載中斷開，起到保護蓄電池的作用。
【權(quán)利要求】
1.一種光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器，其特征在于包括電荷存儲器、開關(guān)管、控制器以及電荷存儲器端電壓檢測裝置和蓄電池端電壓檢測裝置，電荷存儲器端電壓檢測裝置和蓄電池端電壓檢測裝置分別與控制器連接；其中電荷存儲器與太陽能光伏電池并聯(lián)，電力電子開關(guān)與蓄電池串聯(lián)后再與電荷存儲器并聯(lián)，控制器通過檢測電力電子開關(guān)兩端的電壓即電荷存儲器和蓄電池荷電端電壓，控制電力電子開關(guān)的通斷，實現(xiàn)對蓄電池充電的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器，其特征是所述電力電子開關(guān)采用MOS管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器，其特征是所述電荷存儲器米用電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器，其特征是所述電荷存儲器端電壓檢測裝置和蓄電池端電壓檢測裝置均采用電壓檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。
5.用于權(quán)利要求1?4任一項所述一種光伏脈沖電荷轉(zhuǎn)移充電控制器的控制方法,其特征是:太陽能光伏電池受太陽輻射產(chǎn)生的直流電能存儲在電荷存儲器中，控制器根據(jù)電荷存儲器上的荷電狀態(tài)和蓄電池端電壓控制電力電子開關(guān)的導(dǎo)通時間ΛT和開關(guān)頻率及充電電流密度，以控制蓄電池中的恢復(fù)粒子流中的粒子直徑在10_2mm?10_3mm之間，產(chǎn)生粒子附著效應(yīng)，并且在充電間歇期內(nèi)消除于Λ T充電時間內(nèi)產(chǎn)生的活性極化和濃差極化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征是:當(dāng)電荷存儲器中的電壓u(t)達到設(shè)定值Uopen,控制器產(chǎn)生一個高電平控制電力電子開關(guān)開通，直到檢測到電荷存儲裝置中的電壓u (t)不再降低，控制器則產(chǎn)生一個低電平控制電力電子開關(guān)關(guān)斷，直到電荷存儲器的電壓u (t)再一次達到設(shè)定值Uopen,控制器產(chǎn)生一個高電平控制電力電子開關(guān)開通，控制器周期性控制電力電子開關(guān)的通斷。
【文檔編號】H02J7/00GK103762633SQ201410005993
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】楊金明, 姚國興, 曾君, 許厚鵬 申請人:華南理工大學(xué)