CN106100100B - 一种基于cigs薄膜组件充电控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路，包括辅助供电电路、单片机最小***电路、AD转换电路，还包括充电电压检测电路、PWM充电电路，检测当前蓄电池电压；分析蓄电池现在所处的状态，欠压时需要较大电压充电，单片机计算出充电电压V1和升压步长Vs；计算出电压V1所需要的脉冲宽度和输出频率；输出脉冲信号给PWM充电电路；加入微扰脉冲信号给PWM充电电路；检测PWM充电电路输出电压Ｖ2；判断V2是否大于V1且V2－V1的绝对值大于步长Vs，若成立，则继续增加微扰脉冲；若不成立，PWM充电电压Ｖ2作为蓄电池的充电电压。通过单片机对蓄电池的端电压控制，符合蓄电池本身在不同电压下的充电特性，保证蓄电池工作在合理的状态。

Description

一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于薄膜太阳能电池，单晶或者多晶光伏电池组件等方面的基于CIGS薄膜组件充电控制电路及控制方法。

背景技术

光伏电池作为新能源电池一直是研究的热点，目前转换效率较高的薄膜太阳电池多是基于多晶Cu(In,Ga)Se₂和CdTe吸收层的。其中，作为高转换效率的CIGS薄膜太阳电池的最高转换效率也只有20%左右，而通过改变材料和研发工艺提高效率研发周期过长，而现如今的纯硬件电路控制器不能通过程序控制找到最大功率点（MPPT）进行充电，只能保证将光伏组件升压后直冲和过充保护。然而光伏发电***中，光伏电池的内阻在日照强度改变时变化，而且也随着环境温度以及负载的改变而变化影响。所以，简单纯硬件电路控制器不能获得太阳能电池输出的最大功率。

发明内容

鉴于市场实际需求，本发明提供了一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路及控制方法。它利用智能单片机控制太阳电池板对蓄电池的充电，通过pwm脉冲调制电路，既能达到快速充电的效果，延长蓄电池使用寿命，又能够提高光伏电池电能的利用率。

本发明为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路，包括辅助供电电路、单片机最小***电路、AD转换电路，其特征在于：还包括充电电压检测电路、PWM充电电路，所述单片机最小***电路分别与AD转换电路、辅助供电电路、PWM充电电路连接，所述辅助供电电路分别与AD转换电路、PWM充电电路连接，所述充电电压检测电路与AD转换电路连接，所述单片机最小***电路中安装有控制程序；

具体电路连接为：所述充电电压检测电路中，电位器RW6的一固定端2脚与可调端3脚相连后分别接电阻R10的一端、放大器U12A同相输入端3脚，电阻R10的另一端接隔离地G，放大器U12A的反相输入端2脚与输出端1脚相连后接电阻R9的一端，放大器U12A的供电端8脚接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U12A的接地端4脚接隔离地G，电阻R9的另一端分别接放大器U7的同相输入端3脚、二极管D1的负极、二极管D2的正极，放大器U7的一个调零端1脚接电位器RW5的一个固定端2脚，放大器U7的另一个调零端8脚接电位器RW5的另一个固定端1脚，电位器RW5的调节端3脚分别与放大器U7的供电正端7脚、二极管D2的负极相连后接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U7的供电负端4脚与二极管D1的正极相连后接辅助供电电路中隔离侧的内部供电负端-12V1，放大器U7的反相输入端2脚与输出端6脚相连后接电阻R15的一端， 放大器U6的一个调零端1脚接电位器RW4的一个固定端2脚，放大器U6的另一个调零端8脚接电位器RW4的另一个固定端1脚，电位器RW4的调节端3脚与放大器U6的供电正端7脚相连后接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U6的供电负端4脚接辅助供电电路中隔离侧的内部供电负端-12V1，放大器U6的同相输入端3脚接隔离地G，放大器U6的反相输入端2脚分别接电容C20的一端、电阻R15的另一端、线性光电耦合器U8中光电管1的阴极3脚，放大器U6的输出端6脚分别接电阻R14的一端、电容C20的另一端，电阻R14的另一端接线性光电耦合器U8中发光管的阴极1脚，线性光电耦合器U8中发光管的阳极2脚接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，线性光电耦合器U8中光电管1的阳极4脚接隔离地G，线性光电耦合器U8中光电管2的阳极5脚接控制地，线性光电耦合器U8中光电管2的阴极6脚分别接电阻R12和电容C19的一端、放大器U5的反相输入端2脚，电位器RW3的一个固定端1脚与调节端3脚相连，电阻R12的另一端接电位器RW3的另一个固定端2脚，放大器U5的同相输入端3脚接控制地，放大器U5的输出端6脚分别接电阻R8的一端、电容C19的另一端、电位器RW3的一个固定端1脚，放大器U5的一个调零端1脚接电位器RW2的一个固定端2脚，放大器U5的另一个调零端8脚接电位器RW2的另一个固定端1脚，电位器RW2的调节端3脚与放大器U5的供电正端7脚相连后接辅助供电电路中控制侧内部供电正端+12V2，放大器U5的供电负端4脚接辅助供电电路中控制侧内部供电负端-12V2，电阻R8的另一端接AD转换电路中AD芯片U3的模拟量输入端2脚；

所述PWM充电电路中，光电耦合器U11的输入二极管阳极1脚通过电阻R17接辅助供电电路中控制侧内部供电端VCC，光电耦合器U11的输入二极管阴极2脚接单片机最小***电路中单片机U10的P1.7口59脚，光电耦合器U11输出三极管的发射极3脚接隔离地G，光电耦合器U11输出三极管的集电极4脚分别接电阻R18的一端、MOS三极管T1的栅极，电阻R18的另一端接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，MOS三极管T1的源极接隔离地G，电感L7的一端接辅助供电电路中光伏组件输出电压+Vin，电感L7的另一端分别接二极管D3的正极、MOS三极管T1的漏极，二极管D3的负极分别接电容C24的正极、充电电压检测电路中电位器RW6的另一固定端1脚，并作为充电电压Vbat端，电容C24的另一端接隔离地G。

一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路的控制方法，其特征在于：步骤如下：

第一步、PWM充电电路的输出端Vbat连接外部的蓄电池，检测当前蓄电池电压Vbat；

第二歩、分析蓄电池现在所处的状态，欠压时需要较大电压充电，充电中间过冲需要较小电压充电，单片机最小***电路中单片机U10计算出充电电压V1和升压步长Vs，使用充电电压和时间的公式为：

,

其中Vu是充电满的终止电压，步长Vs=(Vu-Vbat)/t；

第三步、计算出电压V1所需要的脉冲宽度和输出频率,使用boost电路占空比计算公式

,

其中占空比即为脉冲宽度D=（V1-Vbat）/V1,Ton为开启时间，Toff为截止时间，输出频率f=1/(Ton+Toff)；

第四歩、输出脉冲信号给PWM充电电路；

第五步、加入微扰脉冲信号给PWM充电电路；

第六步、加上微扰脉冲信号之后，检测PWM充电电路输出电压Ｖ2；

第七步、判断V2是否大于V1且V2－V1的绝对值大于步长Vs，若条件成立，则继续增加微扰脉冲；

第八步、当上述条件不成立时，PWM充电电压Ｖ2作为蓄电池的充电电压。

本发明的有益效果是：通过简单的模拟量和PWM脉冲调宽寻找最大功率点（MPPT）给升压电路；充电电压的检测信号传给单片机形成闭环反馈，提高了光伏组件发电的利用率30%以上；通过单片机对蓄电池的端电压控制，利用高效PWM蓄电池的充电模式，符合蓄电池本身在不同电压下的充电特性，保证蓄电池工作在合理的状态，延长蓄电池的使用寿命50%以上。

附图说明

图1为本发明的电路连接框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的控制流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路，包括辅助供电电路、单片机最小***电路、AD转换电路，还包括充电电压检测电路、PWM充电电路。

单片机最小***电路分别与AD转换电路、辅助供电电路、PWM充电电路连接，辅助供电电路分别与AD转换电路、PWM充电电路连接，充电电压检测电路与AD转换电路连接，单片机最小***电路中安装有控制程序。

上述充电电压检测电路中，电位器RW6的一固定端2脚与可调端3脚相连后分别接电阻R10的一端、放大器U12A同相输入端3脚，电阻R10的另一端接隔离地G，放大器U12A的反相输入端2脚与输出端1脚相连后接电阻R9的一端，放大器U12A的供电端8脚接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U12A的接地端4脚接隔离地G，电阻R9的另一端分别接放大器U7的同相输入端3脚、二极管D1的负极、二极管D2的正极，放大器U7的一个调零端1脚接电位器RW5的一个固定端2脚，放大器U7的另一个调零端8脚接电位器RW5的另一个固定端1脚，电位器RW5的调节端3脚分别与放大器U7的供电正端7脚、二极管D2的负极相连后接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U7的供电负端4脚与二极管D1的正极相连后接辅助供电电路中隔离侧的内部供电负端-12V1，放大器U7的反相输入端2脚与输出端6脚相连后接电阻R15的一端， 放大器U6的一个调零端1脚接电位器RW4的一个固定端2脚，放大器U6的另一个调零端8脚接电位器RW4的另一个固定端1脚，电位器RW4的调节端3脚与放大器U6的供电正端7脚相连后接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U6的供电负端4脚接辅助供电电路中隔离侧的内部供电负端-12V1，放大器U6的同相输入端3脚接隔离地G，放大器U6的反相输入端2脚分别接电容C20的一端、电阻R15的另一端、线性光电耦合器U8中光电管1的阴极3脚，放大器U6的输出端6脚分别接电阻R14的一端、电容C20的另一端，电阻R14的另一端接线性光电耦合器U8中发光管的阴极1脚，线性光电耦合器U8中发光管的阳极2脚接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，线性光电耦合器U8中光电管1的阳极4脚接隔离地G，线性光电耦合器U8中光电管2的阳极5脚接控制地，线性光电耦合器U8中光电管2的阴极6脚分别接电阻R12和电容C19的一端、放大器U5的反相输入端2脚，电位器RW3的一个固定端1脚与调节端3脚相连，电阻R12的另一端接电位器RW3的另一个固定端2脚，放大器U5的同相输入端3脚接控制地，放大器U5的输出端6脚分别接电阻R8的一端、电容C19的另一端、电位器RW3的一个固定端1脚，放大器U5的一个调零端1脚接电位器RW2的一个固定端2脚，放大器U5的另一个调零端8脚接电位器RW2的另一个固定端1脚，电位器RW2的调节端3脚与放大器U5的供电正端7脚相连后接辅助供电电路中控制侧内部供电正端+12V2，放大器U5的供电负端4脚接辅助供电电路中控制侧内部供电负端-12V2，电阻R8的另一端接AD转换电路中AD芯片U3的模拟量输入端2脚。

上述PWM充电电路中，光电耦合器U11的输入二极管阳极1脚通过电阻R17接辅助供电电路中控制侧内部供电端VCC，光电耦合器U11的输入二极管阴极2脚接单片机最小***电路中单片机U10的P1.7口59脚，光电耦合器U11输出三极管的发射极3脚接隔离地G，光电耦合器U11输出三极管的集电极4脚分别接电阻R18的一端、MOS三极管T1的栅极，电阻R18的另一端接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，MOS三极管T1的源极接隔离地G，电感L7的一端接辅助供电电路中光伏组件输出电压+Vin，电感L7的另一端分别接二极管D3的正极、MOS三极管T1的漏极，二极管D3的负极分别接电容C24的正极、充电电压检测电路中电位器RW6的另一固定端1脚，并作为充电电压Vbat端，电容C24的另一端接隔离地G。

光电耦合器U8的型号为：HCNR201；

MOS三极管T1的型号为：6N15；

集成运算放大器U5、U6、U7型号为：OP07A；

集成运算放大器U12A的型号为：LM358

AD芯片U3的型号为：ADC1864；

DA芯片U4的型号为：DAC7614。

如图3所示，一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路的控制方法，步骤如下：

第一步、PWM充电电路的输出端Vbat连接外部的蓄电池，检测当前蓄电池电压Vbat。

第二歩、分析蓄电池现在所处的状态，欠压时需要较大电压充电，充电中间过冲需要较小电压充电，单片机最小***电路中单片机U10计算出充电电压V1和升压步长Vs，使用充电电压和时间的公式为：

,

其中Vu是充电满的终止电压，步长Vs=(Vu-Vbat)/t，假设蓄电池充电满的终止电压为27V，当前蓄电池的电压为23V，充电时间为1小时，带入到上述公式中计算出充电电压V1约为25.7V。

第三步、计算出电压V1所需要的脉冲宽度和输出频率,使用boost电路占空比计算公式

,

其中占空比即为脉冲宽度D=（V1-Vbat）/V1,Ton为开启时间，Toff为截止时间，输出频率f=1/(Ton+Toff)。

第四歩、输出脉冲信号给PWM充电电路。

第五步、加入微扰脉冲信号给PWM充电电路。

第六步、加上微扰脉冲信号之后，检测PWM充电电路输出电压Ｖ2。

第七步、判断V2是否大于V1且V2－V1的绝对值大于步长Vs，若条件成立，则继续增加微扰脉冲。

第八步、当上述条件不成立时，PWM充电电压Ｖ2作为蓄电池的充电电压。

程序设计中，需要将蓄电池充电的微扰电压与脉冲频率相匹配。当该微扰电压值变大时，脉冲频率要降低，这样才能保证所找到的最大功率点与理想值最接近；反之，当微扰电压值变小时，脉冲频率需增高，这样才能缩短寻找最大功率点的时间。

工作原理：

辅助供电电路中，使用太阳能电池发电通过模块电源M1得到+12V1电压，通过模块电源M2得到-12V1电压，给集成运放U6，U7，U12A等供电。太阳能电池发电后经过电源模块M3隔离降压到VCC（+5V），之后通过三端稳压控制器U1得到VCC3V3（+3.3V）给单片机U10供电。太阳能电池发电通过模块电源M4得到隔离+12V2电压，通过模块电源M5得到隔离-12V2电压，给集成运放U5等供电。

在充电电压检测电路中，对蓄电池的电压Vbat采样，经过电位器RW6和电阻R10分压后，通过集成运放U12A电压跟随后，经集成运放U5、U6、U7将跟随的电压进行隔离比例运算得到模拟信号ADin，该模拟信号通过AD转换电路中的AD芯片U4，作为单片机最小***电路中单片机U10的模拟量输入信号。

太阳能电池对蓄电池的充电模式一共可分为4种，强辐射强电量模式，强辐射电量模式，弱辐射强电量模式，弱辐射弱电量模式。当蓄电池的电量充足时，若太阳能电池继续充电，将会造成电池的过充，对蓄电池的寿命将有影响，所以需要关断蓄电池的充电通路；当蓄电池电量不足，而太阳能电池处在强辐射模式时，太阳能电池对蓄电池的充电电压过高，将会引起蓄电池的损坏；当蓄电池电量不足，而太阳能电池的也处在弱辐射模式时，太阳能电池就可以直接对他进行充电，所以，针对不同的充电模式，单片机内部需用软件对其整个过程进行调节，即PWM（脉冲宽度调制）调节，使太阳能电池对蓄电池的充电达到恒压充电的目的。PWM充电电路中Ｖbat端为蓄电池电量检测端，通过调整单片机 P1.7的通断时间，控制输出给蓄电池供电，反馈回来的充电电压通过单片机计算出所需要的实际电压值，而为了寻找最大功率点则需要加一个微扰电压，此时的输出电压为，当加入微扰之后的输出电压和上一次检测到的电压进行比较，比较之后的值如果比之前大且超过设定的电压差值则朝着正值增大，相反则将微扰值设为负值，设定电压通过单片机P1.7的导通时间改变光耦U11的导通时间，太阳能电池提供的电压+Vin通过电感L7、MOS三极管T1、二极管D3以及电容C24等构成boost升压电路，充电电压随着光耦U11的导通时间而改变，可以保证在不同电压模式下进行充电。

Claims (2)

1.一种基于CIGS薄膜组件充电控制电路，包括辅助供电电路、单片机最小***电路、AD转换电路，其特征在于：还包括充电电压检测电路、PWM充电电路，所述单片机最小***电路分别与AD转换电路、辅助供电电路、PWM充电电路连接，所述辅助供电电路分别与AD转换电路、PWM充电电路连接，所述充电电压检测电路与AD转换电路连接，所述单片机最小***电路中安装有控制程序；

具体电路连接为：所述充电电压检测电路中，电位器RW6的一固定端2脚与可调端3脚相连后分别接电阻R10的一端、放大器U12A同相输入端3脚，电阻R10的另一端接隔离地G，放大器U12A的反相输入端2脚与输出端1脚相连后接电阻R9的一端，放大器U12A的供电端8脚接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U12A的接地端4脚接隔离地G，电阻R9的另一端分别接放大器U7的同相输入端3脚、二极管D1的负极、二极管D2的正极，放大器U7的一个调零端1脚接电位器RW5的一个固定端2脚，放大器U7的另一个调零端8脚接电位器RW5的另一个固定端1脚，电位器RW5的调节端3脚分别与放大器U7的供电正端7脚、二极管D2的负极相连后接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U7的供电负端4脚与二极管D1的正极相连后接辅助供电电路中隔离侧的内部供电负端-12V1，放大器U7的反相输入端2脚与输出端6脚相连后接电阻R15的一端， 放大器U6的一个调零端1脚接电位器RW4的一个固定端2脚，放大器U6的另一个调零端8脚接电位器RW4的另一个固定端1脚，电位器RW4的调节端3脚与放大器U6的供电正端7脚相连后接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，放大器U6的供电负端4脚接辅助供电电路中隔离侧的内部供电负端-12V1，放大器U6的同相输入端3脚接隔离地G，放大器U6的反相输入端2脚分别接电容C20的一端、电阻R15的另一端、线性光电耦合器U8中光电管1的阴极3脚，放大器U6的输出端6脚分别接电阻R14的一端、电容C20的另一端，电阻R14的另一端接线性光电耦合器U8中发光管的阴极1脚，线性光电耦合器U8中发光管的阳极2脚接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，线性光电耦合器U8中光电管1的阳极4脚接隔离地G，线性光电耦合器U8中光电管2的阳极5脚接控制地，线性光电耦合器U8中光电管2的阴极6脚分别接电阻R12和电容C19的一端、放大器U5的反相输入端2脚，电位器RW3的一个固定端1脚与调节端3脚相连，电阻R12的另一端接电位器RW3的另一个固定端2脚，放大器U5的同相输入端3脚接控制地，放大器U5的输出端6脚分别接电阻R8的一端、电容C19的另一端、电位器RW3的一个固定端1脚，放大器U5的一个调零端1脚接电位器RW2的一个固定端2脚，放大器U5的另一个调零端8脚接电位器RW2的另一个固定端1脚，电位器RW2的调节端3脚与放大器U5的供电正端7脚相连后接辅助供电电路中控制侧内部供电正端+12V2，放大器U5的供电负端4脚接辅助供电电路中控制侧内部供电负端-12V2，电阻R8的另一端接AD转换电路中AD芯片U3的模拟量输入端2脚；

所述PWM充电电路中，光电耦合器U11的输入二极管阳极1脚通过电阻R17接辅助供电电路中控制侧内部供电端VCC，光电耦合器U11的输入二极管阴极2脚接单片机最小***电路中单片机U10的P1.7口59脚，光电耦合器U11输出三极管的发射极3脚接隔离地G，光电耦合器U11输出三极管的集电极4脚分别接电阻R18的一端、MOS三极管T1的栅极，电阻R18的另一端接辅助供电电路中隔离侧内部供电正端+12V1，MOS三极管T1的源极接隔离地G，电感L7的一端接辅助供电电路中光伏组件输出电压+Vin，电感L7的另一端分别接二极管D3的正极、MOS三极管T1的漏极，二极管D3的负极分别接电容C24的正极、充电电压检测电路中电位器RW6的另一固定端1脚，并作为充电电压Vbat端，电容C24的另一端接隔离地G。

2.一种采用权利要求1所述的基于CIGS薄膜组件充电控制电路的控制方法，其特征在于：步骤如下：

第一步、PWM充电电路的输出端Vbat连接外部的蓄电池，检测当前蓄电池电压Vbat；

第二歩、分析蓄电池现在所处的状态，欠压时需要较大电压充电，充电中间过冲需要较小电压充电，单片机最小***电路中单片机U10计算出充电电压V1和升压步长Vs，使用充电电压和时间的公式为：

,

其中Vu是充电满的终止电压，步长Vs=(Vu-Vbat)/t；

第三步、计算出电压V1所需要的脉冲宽度和输出频率,使用boost电路占空比计算公式

,

其中占空比即为脉冲宽度D=（V1-Vbat）/V1,Ton为开启时间，Toff为截止时间，输出频率f=1/(Ton+Toff)；

第四歩、输出脉冲信号给PWM充电电路；

第五步、加入微扰脉冲信号给PWM充电电路；

第六步、加上微扰脉冲信号之后，检测PWM充电电路输出电压Ｖ2；

第七步、判断V2是否大于V1且V2－V1的绝对值大于步长Vs，若条件成立，则继续增加微扰脉冲；

第八步、当上述条件不成立时，PWM充电电压Ｖ2作为蓄电池的充电电压。