TWI723852B - 具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統 - Google Patents

具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統 Download PDF

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徐偉富
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Abstract

一種具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，包括：一太陽能板組、一鋰電池組、一第一控制器及一第二控制器，該太陽能板組與該鋰電池組之間連接有一單接點開關，該第一控制器以一第一偵測線路偵測該太陽能板組之發電電壓達到電壓設定值時，該第一控制器觸發導通該鋰電池組之單接點開關形成第一次喚醒，該第二控制器以一第二偵測線路偵測該鋰電池組之電壓，在第一次喚醒後偵測該鋰電池組之電壓未上升時，驅動該第一控制器對該單接點開關進行第二次喚醒，俾以透過兩段式喚醒機制克服無法順利喚醒該鋰電池組之問題點。

Description

具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統
本發明係關於一種太陽能發電與供電裝置，尤指一種兼具有低耗損之直接充電、高效能之調壓充電與低電位自動多重喚醒功能的具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統。
按，習知之太陽能發電系統由於日照發電電壓非固定值，若直接對電池進行過高電壓的充電，將容易造成電池的損壞，又該太陽板的輸出電壓必須高於電池的當前電壓，如太陽能板的電壓低於電池的電壓將無法對該電池充電，因此習知之太陽能發電系統會選擇加裝有一MPPT控制器，MPPT控制器的全稱是「最大功率點跟蹤」(Maximum Power Point Tracking)太陽能控制器，MPPT控制器能夠即時偵測太陽能板的發電電壓，並追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統以最大功率輸出對蓄電池充電，但該MPPT控制器之正常作業電壓需達額定DC110V以上，應用時會將太陽能板串聯將電壓提升，經過MPPT控制器以最大功率發電後，再經過降壓動作才能對該電池進行充電，而升、降壓時會造成電力損耗，依製造品質會產生2~25%的損耗，當系統處於高照度環境下發電 時，該MPPT控制器所提升的功率高於降壓的損失，但系統處於低照度環境下發電時，該微量的發電於降壓時將全部損失，使該MPPT控制器只能在高照度之情況下發電，若太陽能板經常處於低照度情況下，該電池不僅容易形成過放狀態，也會因為電池的自放電，使該電池端自動進入低電位保護的休眠狀態，此為習知技術無法有效利用低照度發電之明顯缺失，再者，雖然習知亦有低電位保護機制下的喚醒技術，但其主要是判斷該太陽能板處於高日照狀態時，由該太陽能板供電進行電池的喚醒，但實際上於剛喚醒時的該電池尚未充入足夠的電力，且該太陽能板於喚醒時的供電亦未達穩定狀態，更何況太陽能板的發電電壓亦非固定值，是故，電池喚醒後仍有相當大的機率又進入低電位保護狀態，導致習知喚醒機制誤判電池已喚醒，而未正常喚醒電池將使低電位保護狀態的時間延長，不僅會讓電池更不易被喚醒，亦會加速電池的損壞，綜合上所缺點為本創作所欲改善之技術問題點。
有鑑於此，本發明人於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。
本發明所欲解決之技術問題在於針對現有技術存在的上述缺失，提供一種具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統。
一太陽能板組連接有一調壓充電線路、一控制線路及一第一偵測線路，一鋰電池組連接有一單接點開關及一第二偵測線路，該單接點開關設有一第一接點與一第二接點，且該第一接點連接至該鋰電池組，又該第二接點耦接有一變壓器，且該變壓器連接至該調壓充電線路，於該鋰電池組電量不足時斷開該第一接點與該第二接點形成低電位保護狀態，一第一控制器連接該控制線路、該第一偵測線路及該單接點開關，該太陽能板組透過該控制線路提供該第一控制器之用電，且該第一控制器由該第一偵測線路偵測該太陽能板組之發電電壓達到電壓設定值時，該第一控制器觸發導通該單接點開關形成該鋰電池組的第一次喚醒，藉此消除低電位保護狀態，一第二控制器連接該第二偵測線路、該控制線路及該第一控制器，該太陽能板組透過該控制線路提供該第二控制器之用電，且該第二控制器由該第二偵測線路偵測該鋰電池組之電壓，第一次喚醒後偵測該鋰電池組之電壓未上升時，驅動該第一控制器對該單接點開關進行第二次喚醒。
其中更包括有一雙接點開關，該雙接點開關設有一第三接點、一第四接點與一第五接點，該第三接點連接該單接點開關之該第二接點，且該第四接點連接該變壓器，而該第五接點以一直接充電線路連接至該太陽能板組，又該第一控制器連接該雙接點開關而能控制該第三接點可切換導通該第四接點或該第五接點，且該第一控制器連接該變壓器進 行變壓控制。
其中該太陽能板組之額定電壓高於該鋰電池組之額定電壓為15%至30%之間，於偵測該太陽能板組之發電電壓低於該鋰電池組之額定電壓達10%時，導通該雙接點開關之該第三接點與該第五接點，進而讓該太陽能板組之低照度發電能透過該直接充電線路對該鋰電池組進行低耗損的直接充電，又於偵測該太陽能板組之發電電壓高於該鋰電池組之額定電壓達10%時，導通該雙接點開關之該第三接點與該第四接點，進而讓該太陽能板組之高照度發電能透過該變壓器而對該鋰電池組進行高效能的降壓充電。
其中更包括有至少一直流負載與一逆變器，上述直流負載與該逆變器皆連接於該單接點開關之第二接點，又該逆變器將該鋰電池組之直流電轉換為交流電，並由該逆變器連接有至少一交流負載，透過該鋰電池組供應該交流負載之交流用電。
其中該第二控制器利用該第二偵測線路偵測該鋰電池組之實際電壓，實際電壓高於該鋰電池組之額定電壓達15%時判斷為過充狀態，由該第一控制器控制該雙接點開關呈斷開狀態，藉此形成該鋰電池組直接對該直流負載進行供電。
其中該雙接點開關之第三接點皆未連接該第四接點及該第五接點時構成該鋰電池組的高電位保護機制，此 時該太陽能板組之發電仍可由該控制線路輸入該第一控制器，並以該第一控制器每三十分鐘執行一次該雙接點開關之該第三接點與該第四接點的導通，使該鋰電池組未處於過充狀態時能導通該雙接點開關。
其中該逆變器另連接至一市電電網，當該雙接點開關之該第三接點皆未連接該第四接點及該第五接點時，能由該市電電網對該鋰電池組進行調壓充電。
其中該第一控制器連接有一電壓設定器與一時間設定器，該電壓設定器用於調整該第一控制器觸發該單接點開關的電壓設定值，且該時間設定器用於調整該第一控制器對該單接點開關的觸發持續時間，藉此依據不同的該太陽能板組與該鋰電池組規格進行手動設定。
其中更包括有一備用電池，該備用電池連接該太陽能板組且保持滿電狀態，又該備用電池連接至該第二控制器，該第一控制器透過計時機制於達到每日所設定時間，且該鋰電池組為低電位保護狀態時，讓該第一控制器在未達到電壓設定值時對該單接點開關形成該鋰電池組的第一次喚醒，藉此在低電壓發電狀態下消除低電位保護狀態。
其中該控制線路連接有一降壓器，該太陽能板組之發電由該降壓器降壓至3.3V後分流至該第一控制器與該第二控制器，藉此穩定的提供該第一控制器與該第二控制器之運行電力。
本發明的第一主要目的在於，該第一控制器以一第一偵測線路偵測該太陽能板組之發電電壓達到電壓設定值時，該第一控制器觸發導通該鋰電池組之單接點開關形成第一次喚醒，該第二控制器以一第二偵測線路偵測該鋰電池組之電壓，在第一次喚醒後偵測該鋰電池組之電壓未上升時，驅動該第一控制器導通該單接點開關，讓該鋰電池組進行第二次喚醒，俾以透過兩段式喚醒機制克服無法順利喚醒該鋰電池組之問題點。
本發明的第二主要目的在於，當該太陽能板組之實際電壓低於該鋰電池組之額定電壓10%時，導通該雙接點開關之第三接點與第四接點，進而讓該太陽能板組之低照度發電能透過該直接充電線路對該鋰電池組進行低耗損的直接充電，藉此在低照度環境下仍能充分利用該太陽能板組進行喚醒與微量充電，又當該太陽能板組之實際電壓高於該鋰電池組之額定電壓10%時，導通該雙接點開關之第三接點與第五接點，進而讓該太陽能板組之高照度發電能透過該變壓器而對該鋰電池組進行高效能的降壓充電。
其他目的、優點和本創作的新穎特性將從以下詳細的描述與相關的附圖更加顯明。
〔本發明〕
10:太陽能板組
11:調壓充電線路
12:控制線路
13:第一偵測線路
14:降壓器
20:鋰電池組
21:單接點開關
211:第一接點
212:第二接點
22:第二偵測線路
23:變壓器
24:直流負載
25:逆變器
26:交流負載
27:市電電網
30:第一控制器
31:電壓設定器
32:時間設定器
40:第二控制器
41:備用電池
50:雙接點開關
51:第三接點
52:第四接點
53:第五接點
54:直接充電線路
〔第1圖〕係本發明之流程方塊圖。
〔第2圖〕係本發明於調壓充電模式之流程方塊圖。
〔第3圖〕係本發明進行第一次喚醒之流程方塊。
〔第4圖〕係本發明進行第二次喚醒之流程方塊。
〔第5圖〕係本發明於直接充電模式之流程方塊圖。
〔第6圖〕係本發明於高電位保護機制之流程方塊圖。
為使 貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後：先請由第1圖連續至第4圖所示觀之，一種具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，包括：一太陽能板組10、一鋰電池組20、一第一控制器30及一第二控制器40，一太陽能板組10連接有一調壓充電線路11、一控制線路12及一第一偵測線路13，一鋰電池組20連接有一單接點開關21及一第二偵測線路22，該單接點開關21設有一第一接點211與一第二接點212，且該第一接點211連接至該鋰電池組20，又該第二接點212耦接有一變壓器23，且該變壓器23連接至該調壓充電線路11，於該鋰電池組20電量不足時斷開該第一接點211與該第二接點212形成低電位保護狀態，一第一控制器30連接該控制線路12、該第一偵測線路13及該單接點開關21，該太陽能板組10透過該控制線路12提供該第一控制器30之用電，且該第一控制器30由該第一偵測線路13偵測該太陽能板組10之發電電壓達到電壓設 定值時，該第一控制器30觸發導通該單接點開關21形成該鋰電池組20的第一次喚醒，藉此消除低電位保護狀態，另該第一控制器30連接有一電壓設定器31與一時間設定器32，該電壓設定器31用於調整該第一控制器30觸發該單接點開關21的電壓設定值，且該時間設定器32用於調整該第一控制器30對該單接點開關21的觸發持續時間，藉此依據不同的該太陽能板組10與該鋰電池組20規格進行手動設定，藉此提高其適用性，一第二控制器40連接該第二偵測線路22、該控制線路12及該第一控制器30，該太陽能板組10透過該控制線路12提供該第二控制器40之用電，其中，該控制線路12連接有一降壓器14，該太陽能板組10之發電由該降壓器14降壓至3.3V後分流至該第一控制器30與該第二控制器40，藉此穩定的提供該第一控制器30與該第二控制器40之運行電力，又該第二控制器40由該第二偵測線路22偵測該鋰電池組10之電壓，第一次喚醒後偵測該鋰電池組10之電壓未上升時，驅動該第一控制器30導通該單接點開關21，讓該鋰電池組10進行第二次喚醒，再者，本創作更包括有至少一直流負載24與一逆變器25，上述直流負載24與該逆變器25皆連接於該單接點開關21之第二接點212，該鋰電池組20能提供該直流負載之直流用電，又該逆變器25將該鋰電池組20之直流電轉換為交流電，並由該逆變器25連接有至少一交流負載26，透過該鋰電池組20供應該交流負載26之交流用電。
當該太陽能板組10正常發電時，如第2圖所示，該太陽能板組10進行高日照發電，並經由該變壓器23的降壓提供其充電率效，再由該單接點開關21向該鋰電池組20進行充電，又當該鋰電池組20因充電量不足而形成低電位保護時，如第3圖所示，該單接點開關21將會自動斷開該第一接點211與該第二接點212，此狀態下該太陽能板組10無法對該鋰電池組20進行充電，且該鋰電池組20亦不會對該直流負載24或交流負載26供電，即具有對該鋰電池組20之低電位保護效果，又該太陽能板組10以該控制線路12之該第一控制器30提供微電力，使該第一控制器30保持運行狀態，同時由該第一控制器30之第一偵測線路13偵測該太陽能板組10之實際電壓，於實際電壓達該第一控制器30之設定值時，即由該電壓設定器31進行手動設定，例如該鋰電池組20之額定電壓為48V時，可將設定值設為48V，當該第一控制器30偵測該太陽能板組10之發電電壓為48V時，由該第一控制器30驅動該單接點開關21形成該第一接點211與該第二接點212的導通，同時該時間設定器32能設定觸發該單接點開關21的導通時間，其設定時間能為10秒、30秒或60秒，在設定時間內由該太陽能板組10對該鋰電池組20進行充電，於該鋰電池組20之電壓升高後即可消除低電位保護狀態，再配合第4圖所示，於該第一控制器30驅動該單接點開關21形成該鋰電池組20的第一次喚醒後，該第二控制器40被啟動並由該控制線路12取得運行電力，同時利用該第 二偵測線路22偵測該鋰電池組20之實際電壓，又於偵測得知該鋰電池組20之電壓未上升時判斷為第一次喚醒失敗，由該第二控制器40下令該第一控制器30驅動該單接點開關21之第一接點211與該第二接點212的導通，藉此形成該鋰電池組20的第二次喚醒，俾以透過兩段式喚醒機制克服無法順利喚醒該鋰電池組20之問題點。
再請由第1圖所示，本創作另裝設有一備用電池41，該備用電池41連接該太陽能板組10且保持滿電狀態，又該備用電池41連接至該第二控制器40，該第一控制器30透過計時機制於達到每日所設定時間，且該鋰電池組20為低電位保護狀態時，讓該第一控制器30在未達到電壓設定值時對該單接點開關21形成該鋰電池組20的重啟喚醒，藉此在低電壓發電狀態下消除低電位保護狀態，例如該第一控制器30設定該太陽能板組10下降低0V時啟動計時，即天候不佳或夜晚時，依據設定能於指定小時後判斷該鋰電池組20是否處於低電位保護狀態，如脫離低電位保護狀態，該第一控制器30停止計時，該備用電池41無作用，若未脫離低電位保護狀態，極大機率為該太陽能板組10之發電電壓當日尚未超過設定值(48V)，此時該備用電池41供電給該第一控制器30與該第二控制器40，並由該第一控制器30驅動導通該單接點開關21，藉此在低照度發電狀態下喚醒該鋰電池組20。
再請由第2圖與第5圖所示觀之，本創作更包括有 一雙接點開關50，該雙接點開關50設有一第三接點51、一第四接點52與一第五接點53，該第三接點51連接該單接點開關21之該第二接點212，且該第四接點52連接該變壓器23，而該第五接點53以一直接充電線路54連接至該太陽能板組10，又該第一控制器30連接該雙接點開關50而能控制該第三接點51可切換導通該第四接點52或該第五接點53，且該第一控制器30連接該變壓器23進行變壓控制。該太陽能板組10之額定電壓高於該鋰電池組10之額定電壓為15%至30%之間，於偵測該太陽能板組10之發電電壓低於該鋰電池組20之額定電壓達10%時，導通該雙接點開關50之該第三接點51與該第五接點53，進而讓該太陽能板組10之低照度發電能透過該直接充電線路54對該鋰電池組20進行低耗損的直接充電，又於偵測該太陽能板組10之發電電壓高於該鋰電池組20之額定電壓達10%時，導通該雙接點開關50之該第三接點51與該第四接點52，進而讓該太陽能板組10之高照度發電能透過該變壓器23而對該鋰電池組20進行高效能的降壓充電。再進一步說明，該鋰電池組20之額定電壓為48V，且該太陽能板組10之額定電壓為54.7V時，又該第一控制器30能直接設定該鋰電池組20之實際電壓55V為充電模式切換條件，當該太陽能板組10輸出的實際電壓介於42V至55V之間時，由該第一控制器30控制該雙接點開關50之第三接點51連接該第四接點52，使該太陽能板組10之發電由該直接充電線路54直接對該鋰電池組20充電，藉此在低照度環境下 進行微量充電，又當該太陽能板組20輸出的實際電壓介於55V至60V之間，由該第一控制器30控制該雙接點開關50之第三接點51連接該第五接點53，使該太陽能板組10之發電流經該調壓充電線路11與該變壓器23而對該鋰電池組20進行降壓充電，藉此在高照度環境下進行調壓充電，據此，該第一控制器30能利用電壓設定器31設定該太陽能板組10與該鋰電池組20之對應規格的設定值，就能達成該雙接點開關50於直接充電與調壓充電之切換機制，藉此兼具有簡化結構、低建置成本及高適用性之實用功效。
再請由第6圖所示，該第二控制器40利用該第二偵測線路22偵測該鋰電池組20之實際電壓，實際電壓高於該鋰電池組20之額定電壓達15%時判斷為過充狀態，由該第一控制器30控制該雙接點開關50呈斷開狀態，藉此形成該鋰電池組20直接對該直流負載進行供電。又該逆變器25另連接至一市電電網27，當該雙接點開關50之該第三接點51皆未連接該第四接點52及該第五接點53時，亦能由該市電電網27對該鋰電池組進行調壓充電，同時構成該鋰電池組20的高電位保護機制，此狀態下該太陽能板組10之發電仍可由該控制線路12輸入該第一控制器30，並以該第一控制器30每三十分鐘執行一次該雙接點開關50之該第三接點51與該第四接點52的導通，使該鋰電池組20未處於過充狀態時能導通該雙接點開關50。
綜上所述，本發明確實已達突破性之結構設計， 而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上之利用性與進步性，且本發明未見於任何刊物，亦具新穎性，當符合專利法相關法條之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請 鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。
唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10:太陽能板組
11:調壓充電線路
12:控制線路
13:第一偵測線路
14:降壓器
20:鋰電池組
21:單接點開關
211:第一接點
212:第二接點
22:第二偵測線路
23:變壓器
24:直流負載
25:逆變器
26:交流負載
27:市電電網
30:第一控制器
31:電壓設定器
32:時間設定器
40:第二控制器
41:備用電池
50:雙接點開關
51:第三接點
52:第四接點
53:第五接點
54:直接充電線路

Claims (10)

  1. 一種具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，包括：一太陽能板組，其連接有一調壓充電線路、一控制線路及一第一偵測線路；一鋰電池組，其連接有一單接點開關及一第二偵測線路，該單接點開關設有一第一接點與一第二接點，且該第一接點連接至該鋰電池組，又該第二接點耦接有一變壓器，且該變壓器連接至該調壓充電線路，於該鋰電池組電量不足時斷開該第一接點與該第二接點形成低電位保護狀態；一第一控制器，其連接該控制線路、該第一偵測線路及該單接點開關，該太陽能板組透過該控制線路提供該第一控制器之用電，且該第一控制器由該第一偵測線路偵測該太陽能板組之發電電壓達到電壓設定值時，該第一控制器觸發導通該單接點開關形成該鋰電池組的第一次喚醒，藉此消除低電位保護狀態；以及一第二控制器，其連接該第二偵測線路、該控制線路及該第一控制器，該太陽能板組透過該控制線路提供該第二控制器之用電，且該第二控制器由該第二偵測線路偵測該鋰電池組之電壓，第一次喚醒後偵測該鋰電池組之電壓未上升時，驅動該第一控制器導通該單接點開關，讓該鋰電池組進行第二次喚醒。
  2. 如請求項1之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中更包括有一雙接點開關，該雙接點開關設有一第三接點、一第四接點與一第五接點，該第三接點連接該單接點開關之該第二接點，且該第四接點連接該變壓器，而該第五接點以一直接充電線路連接至該太陽能板組，又該第一控制器連接該雙接點開關而能控制該第三接點可切換導通該第四接點或該第五接點，且該第一控制器連接該變壓器進行變壓控制。
  3. 如請求項2之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中該太陽能板組之額定電壓高於該鋰電池組之額定電壓為15%至30%之間，於偵測該太陽能板組之發電電壓低於該鋰電池組之額定電壓達10%時，導通該雙接點開關之該第三接點與該第五接點，進而讓該太陽能板組之低照度發電能透過該直接充電線路對該鋰電池組進行低耗損的直接充電，又於偵測該太陽能板組之發電電壓高於該鋰電池組之額定電壓達10%時，導通該雙接點開關之該第三接點與該第四接點，進而讓該太陽能板組之高照度發電能透過該變壓器而對該鋰電池組進行高效能的降壓充電。
  4. 如請求項1之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中更包括有至少一直流負載與一逆變器，上述直流負載與該逆變器皆連接於該單接點開關之第二接點，又該逆變器將該鋰電池組之直流電轉換為交流電，並由該逆變 器連接有至少一交流負載，透過該鋰電池組供應該交流負載之交流用電。
  5. 如請求項4之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中該第二控制器利用該第二偵測線路偵測該鋰電池組之實際電壓，實際電壓高於該鋰電池組之額定電壓達15%時判斷為過充狀態，由該第一控制器控制該雙接點開關呈斷開狀態，藉此形成該鋰電池組直接對該直流負載進行供電。
  6. 如請求項5之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中該雙接點開關之第三接點皆未連接該第四接點及該第五接點時構成該鋰電池組的高電位保護機制，此時該太陽能板組之發電仍可由該控制線路輸入該第一控制器，並以該第一控制器每三十分鐘執行一次該雙接點開關之該第三接點與該第四接點的導通，使該鋰電池組未處於過充狀態時能導通該雙接點開關。
  7. 如請求項4之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中該逆變器另連接至一市電電網，當該雙接點開關之該第三接點皆未連接該第四接點及該第五接點時，能由該市電電網對該鋰電池組進行調壓充電。
  8. 如請求項1之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中該第一控制器連接有一電壓設定器與一時間設定器，該電壓設定器用於調整該第一控制器觸發該單接點開 關的電壓設定值，且該時間設定器用於調整該第一控制器對該單接點開關的觸發持續時間，藉此依據不同的該太陽能板組與該鋰電池組規格進行手動設定。
  9. 如請求項1之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中更包括有一備用電池，該備用電池連接該太陽能板組且保持滿電狀態，又該備用電池連接至該第二控制器，該第一控制器透過計時機制於達到每日所設定時間，且該鋰電池組為低電位保護狀態時，讓該第一控制器在未達到電壓設定值時對該單接點開關形成該鋰電池組的第一次喚醒，藉此在低電壓發電狀態下消除低電位保護狀態。
  10. 如請求項1之具電池喚醒充電功能之太陽能發電系統，其中該控制線路連接有一降壓器，該太陽能板組之發電由該降壓器降壓至3.3V後分流至該第一控制器與該第二控制器，藉此穩定的提供該第一控制器與該第二控制器之運行電力。
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