一种光伏能量收集管理系统

技术领域

本发明涉及能量管理技术领域，尤其是涉及一种光伏能量收集管理系统。

背景技术

近年来，随着传感器、微处理器、射频芯片等器件功耗的不断降低，以及微能量管理技术的突破，基于微能量收集的无线传感器自供能技术已逐渐成为国内外研究热点，目前主流的微能量收集装置主要利用热能、声能、电磁波能、振动能、光能、微风能等进行能量装换。其中，光伏能量收集技术充分利用自然环境的光照特点，适用条件低、使用限制少，已经得到快速发展，应用前景十分广阔。

但是，光照能量具有不连续、不确定等特点，不能直接为无线传感器节点供电，需要对不稳定、不确定的微能量进行处理，才能被应用于低功耗电子器件供电。现有技术中的光伏能量收集管理系统，具有电路设计复杂、损耗过高、功率过高的缺陷，会极大的降低微能量存储效率，而且极不稳定，会降低储能电路的效率并且会对无线节点运行稳定性造成损害。

由此可见，如何改善现有技术中的光伏能量收集管理系统的缺陷与不足，已经成为本领域技术人员所要亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种光伏能量收集管理系统，解决了现有的光伏能量收集管理系统设计复杂、损耗过高、功率过高、且会极大的降低微能量存储效率的技术问题，通过设计由太阳能电池板、储能单元、DC/DC变换器和微功耗控制器相互配合的系统结构，能够得到具有宽电压、高增益、低损耗的高效通用充放电控制系统，且提高了能量的存储效率。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光伏能量收集管理系统，包括若干数量的太阳能电池板、储能单元、DC/DC变换器和微功耗控制器；

各个所述太阳能电池板的输出端与所述DC/DC变换器的第一端口连接；

所述储能单元，其与所述DC/DC变换器的第二端口连接，且所述储能单元用于收集光伏能量；

所述微功耗控制器包括微功耗单片机控制器、直流负载、以及分别与所述微功耗单片机控制器的控制端连接的第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、第三A/D转换电路、PWM驱动电路；

所述DC/DC变换器的第三端口通过所述第一A/D转换电路与所述直流负载连接；所述微功耗单片机控制器通过所述第二A/D转换电路与所述太阳能电池板的控制端连接；所述微功耗单片机控制器通过所述第三A/D转换电路与所述储能单元的控制端连接。

作为其中一种优选方案，所述太阳能电池板为单晶硅太阳能电池板。

作为其中一种优选方案，所述单晶硅太阳能电池板的额定功率为1000mW。

作为其中一种优选方案，所述单晶硅太阳能电池板的输出额定电压为5V。

作为其中一种优选方案，所述储能单元为充放电式磷酸铁锂电池。

作为其中一种优选方案，所述充放电式磷酸铁锂电池的工作电压为3.0V～4.2V。

作为其中一种优选方案，所述充放电式磷酸铁锂电池的额定容量为2600mAh。

作为其中一种优选方案，所述微功耗单片机控制器为STM32单片机。

作为其中一种优选方案，所述DC/DC变换器包括第一继电器开关、第二继电器开关、电池、第一耦合电感、第二耦合电感、第一场效应管、第二场效应管、第一电容、第二电容和二极管；

所述第一继电器开关的一端与所述太阳能电池板的输出端连接；

所述第一继电器开关的另一端分别与所述电池的负极、所述第一耦合电感的一端连接；

所述电池的正极通过所述第二继电器开关与所述第二场效应管的漏极连接；

所述第一耦合电感的另一端分别与所述第二场效应管的源极、所述第一场效应管的漏极连接；

所述第一场效应管的源极通过所述第一电容与所述第二电容的一端连接；所述第二场效应管的漏极还分别与所述第二电容的一端、所述第二耦合电感的一端连接；

所述第二耦合电感的另一端通过所述二极管与所述第二电容的另一端连接；

所述第二电容的另一端还通过所述直流负载与所述第一电容连接。

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于以下所述中的至少一点：

(1)设计由太阳能电池板、储能单元、DC/DC变换器和微功耗控制器相互配合的系统结构，其中各个所述太阳能电池板的输出端与所述DC/DC变换器的第一端口连接；所述储能单元与所述DC/DC变换器的第二端口连接；所述微功耗控制器包括微功耗单片机控制器、直流负载、以及分别与所述微功耗单片机控制器的控制端连接的第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、第三A/D转换电路、PWM驱动电路；所述DC/DC变换器的第三端口通过所述第一A/D转换电路与所述直流负载连接；所述微功耗单片机控制器通过所述第二A/D转换电路与所述太阳能电池板的控制端连接；所述微功耗单片机控制器通过所述第三A/D转换电路与所述储能单元的控制端连接，相较于现有设计，能够得到简单完善的系统结构。

(2)本发明采用低功耗和低损耗的器件，设计了宽电压、高增益的光伏、储能及直流输出的三端口DC/DC变换系统，采用微功耗控制器能够实现不同场景下光储混合微能量综合利用，满足了微能量储存和高效充放电控制的需要，实现了稳定的直流电压输出与能量供给。

(3)整个系统装置体积小且便于安装，保证了低功耗电子器件输入能量的可靠自供给，可用于多种野外环境下多类型数据采集、监测、通信，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明其中一种实施例中的光伏能量收集管理系统的结构框图；

图2是本发明其中一种实施例中的DC/DC变换器及相关部件的电路结构示意图；

附图标记：

其中，1、太阳能电池板；2、储能单元；3、DC/DC变换器；31、第一继电器开关；32、第二继电器开关；33、电池；34、第一耦合电感；35、第二耦合电感；36、第一场效应管；37、第二场效应管；38、第一电容；39、第二电容；40、二极管；4、微功耗控制器；41、微功耗单片机控制器；42、直流负载；43、第一A/D转换电路；44、第二A/D转换电路；45、第三A/D转换电路；46、PWM驱动电路；A、第一端口；B、第二端口；C、第三端口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明一实施例提供了一种光伏能量收集管理系统，具体的，请参见图1，图1示出为本发明其中一种实施例中的光伏能量收集管理系统的结构框图，其包括若干数量的太阳能电池板1、储能单元2、DC/DC变换器3和微功耗控制器4；各个所述太阳能电池板1的输出端与所述DC/DC变换器3的第一端口A连接；所述储能单元2，其与所述DC/DC变换器3的第二端口B连接，且所述储能单元2用于收集光伏能量；所述微功耗控制器4包括微功耗单片机控制器41、直流负载42、以及分别与所述微功耗单片机控制器41的控制端连接的第一A/D转换电路43、第二A/D转换电路44、第三A/D转换电路45、PWM驱动电路46；所述DC/DC变换器3的第三端口C通过所述第一A/D转换电路43与所述直流负载42连接；所述微功耗单片机控制器41通过所述第二A/D转换电路44与所述太阳能电池板1的控制端连接；所述微功耗单片机控制器41通过所述第三A/D转换电路45与所述储能单元2的控制端连接。

应当说明的是，本发明实施例中的太阳能电池板，其数量可以为一个或多个，由实际的产品应用场景和产品设计需求决定，在此不再额外赘述。由上可知，太能电池板1和储能单元2分别接入三端口DC/DC变换器3的输入端，微功耗控制器4接入DC/DC变换器3的输出端，同时微功耗控制器4采集对应的各端口的电压信号，并输出PWM信号控制三端口DC/DC变换器3进行电压变换，DC/DC变换器3控制太阳能电池板1、储能单元2及输出直流负载42之间的能量交换。

进一步地，在上述实施例中，所述太阳能电池板1优选采用单晶硅太阳能电池板，其额定功率为1000mW，输出额定电压为5V，当然，所述太阳能电池板的型号和参数由实际的产品应用场景和产品设计需求决定，在此不再额外赘述。

进一步地，在上述实施例中，储能单元2，优选采用磷酸铁锂电池，其工作电压为3.0V～4.2V，额定容量为2600mAh，具有充放电功能。当然，所述储能单元的型号和参数由实际的产品应用场景和产品设计需求决定，在此不再额外赘述。

在上述实施例中，DC/DC变换器3具有三个端口A、B和C，其至少由两个MOSEFT开关器件、一个二极管、两个电容和一对耦合电感组成，后续会详细介绍具体的电路结构。

DC/DC变换器3有一个单向输入端连接太阳能电池板1，一个双向输入端连接储能单元2，一个双向输出端连接直流负载42。微功耗控制器4包含微功耗单片机控制器41，其型号优选为STM32单片机，当然，所述微功耗单片机控制器41的型号由实际的产品应用场景和产品设计需求决定，在此不再额外赘述。此外，DC/DC变换器3还包括A/D转换电路(即上述第一A/D转换电路43、第二A/D转换电路44和第三A/D转换电路45)与PWM驱动电路46，其运行功耗小于100mW，可控制DC/DC变换器3工作于光伏-负荷、电池-负荷两种单输入单输出模式，以及光伏电池-负荷、光伏-电池负荷、光伏-电池-负荷三种混合输入输出模式。

进一步地，请参见图2，图2示出为本发明其中一种实施例中的DC/DC变换器及相关部件的电路结构示意图，所述DC/DC变换器3包括第一继电器开关31、第二继电器开关32、电池33、第一耦合电感34、第二耦合电感35、第一场效应管36、第二场效应管37、第一电容38、第二电容39和二极管40；所述第一继电器开关31的一端与所述太阳能电池板1的输出端连接；所述第一继电器开关31的另一端分别与所述电池33的负极、所述第一耦合电感34的一端连接；所述电池33的正极通过所述第二继电器开关32与所述第二场效应管37的漏极连接；所述第一耦合电感34的另一端分别与所述第二场效应管37的源极、所述第一场效应管36的漏极连接；所述第一场效应管36的源极通过所述第一电容38与所述第二电容39的一端连接；所述第二场效应管37的漏极还分别与所述第二电容39的一端、所述第二耦合电感35的一端连接；所述第二耦合电感35的另一端通过所述二极管40与所述第二电容39的另一端连接；所述第二电容39的另一端还通过所述直流负载42与所述第一电容38连接。

下面详细介绍本发明实施例的工作原理，在光伏能量收集管理系统工作时，太阳能电池板1采集太阳能并转化为电能接入三端口DC/DC变换器3的第一端口A，三端口DC/DC变换器3通过控制第一场效应管36及第二场效应管37的通断在第一电容38上产生电压V1，同时耦合电感器34和35和二极管40组成的倍压电路将电压进一步抬升并在第二电容39上产生更高的电压V2，由第一电容38和第二电容39串联向微功耗控制器4及其他直流负载42提供稳定的供电电压。根据第一场效应管36、第二场效应管37不同的开断状态，三端口DC/DC变换器3将工作于光伏-负荷、电池-负荷两种单输入单输出以及光伏电池-负荷、光伏-电池负荷、光伏-电池-负荷三种混合输入输出共计5种工作模式下。

需要说明的是，工作模式的选择及场效应管的控制策略，均由微功耗控制器4根据A/D转换电路对应采集的3个端口的电压及分析的电池SOC状态进行自主判断，并生成对应的场效应管控制PWM信号，由PWM驱动电路46输出控制三端口DC/DC变换器3中各场效应管的开断，在此不再详细赘述。

具体的，在上述光伏-负荷单输入单输出模式下，光伏只向负荷供电，电池33处于非工作状态，微功耗控制器4控制第一继电器开关31闭合、第二继电器开关32断开，并输出PWM信号控制第一场效应管36及第二场效应管37交替通断，当第一场效应管36闭合、第二场效应管37断开时，光伏向耦合电感充电，第一电容38和第二电容39串联向直流负载42供电，输出电压降低，当第一场效应管36断开、第二场效应管37闭合时，光伏和耦合电感分别向第一电容38和第二电容39充电，并向联合负载供电，输出电压升高。此外，微功耗单片机控制器41通过比例积分控跟踪反馈输出电压误差，通过PWM驱动电路46生成PWM信号，通过控制第一场效应管36及第二场效应管37的开断时长来实现输出电压稳定。

具体的，在上述电池-负荷单输入单输出模式下，只有电池33向负荷供电，光伏处于非工作状态，微功耗控制器4控制第一继电器开关31断开、第二继电器开关32闭合，并输出PWM信号控制第一场效应管36及第二场效应管37交替通断，当第一场效应管36闭合、第二场效应管37断开时，电池33向第一电容38充电，电池33和第二电容39向负载供电，当第一场效应管36断开、第二场效应管37闭合时，电池33向耦合电感和第二电容39充电，第一电容38和耦合电感联合向负载供电。微功耗单片机控制器41通过比例积分控跟踪反馈电压误差，通过PWM驱动电路46生成PWM信号，通过控制第一场效应管36及第二场效应管37的开断时长实现输出电压稳定。

具体的，在上述光伏电池-负荷双输入单输出模式下，光伏和电池33联合向负荷供电，微功耗控制器4控制第一继电器开关31、第二继电器开关32闭合，并输出PWM信号控制第一场效应管36及第二场效应管37交替通断，当第一场效应管36闭合、第二场效应管37断开时，光伏向耦合电感充电，光伏、电池33及第一电容38与第二电容39串联向负载供电，当第一场效应管36断开、第二场效应管37闭合时，光伏和电池33向第一电容38充电，耦合电感向第二电容39充电，并向由电池33和光伏联合向负载供电。微功耗单片机控制器41通过比例积分控跟踪反馈输出电压误差，通过PWM驱动电路46生成PWM信号，通过控制第一场效应管36及第二场效应管37的开断时长实现输出电压稳定。

具体的，在上述光伏-电池负荷单输入双输出模式下，光伏向电池33和负荷供电，微功耗控制器4控制第一继电器开关31、第二继电器开关32闭合，并输出PWM信号控制第一场效应管36及第二场效应管37交替通断，当第一场效应管36闭合、第二场效应管37断开时，光伏向耦合电感充电，第一电容38向电池33充电，第一电容38和第二电容39联合向负载放电，输出电压降低；当第一场效应管36断开、第二场效应管37闭合时，光伏向第一电容38和电池33充电，耦合电感向第二电容39充电，并向由光伏和耦合电感联合向负载供电，输出电压升高。微功耗单片机控制器41通过比例积分控跟踪反馈输出电压误差，通过PWM驱动电路46生成PWM信号，通过控制第一场效应管36及第二场效应管37的开断时长实现输出电压稳定。

具体的，在上述光伏-电池-负荷多输入多输出模式下，系统交替工作于光伏电池-负荷双输入单输出模式和光伏-电池负荷单输入双输出模式下，两种模式平均工作，并将光伏-电池-负荷多输入多输出模式作为系统的首选模式。

通过上述具体实施方式反复实验测试，本发明提供的光伏能量收集管理系统具有宽电压、高增益、低损耗的高效通用充放电控制系统，其具有灵活的输入输出模式和高于90％的转换效率，不会降低储能电路的效率，且不会对无线节点运行稳定性造成伤害，并具备光伏最大功率追踪的功能，可以基于光储微能量收集，向直流负载提供稳定的电力供应，满足了各类型传感器工作需要。

本发明实施例提供的光伏能量收集管理系统，有益效果在于以下所述中的至少一点：

(1)设计由太阳能电池板、储能单元、DC/DC变换器和微功耗控制器相互配合的系统结构，其中各个所述太阳能电池板的输出端与所述DC/DC变换器的第一端口连接；所述储能单元与所述DC/DC变换器的第二端口连接；所述微功耗控制器包括微功耗单片机控制器、直流负载、以及分别与所述微功耗单片机控制器的控制端连接的第一A/D转换电路、第二A/D转换电路、第三A/D转换电路、PWM驱动电路；所述DC/DC变换器的第三端口通过所述第一A/D转换电路与所述直流负载连接；所述微功耗单片机控制器通过所述第二A/D转换电路与所述太阳能电池板的控制端连接；所述微功耗单片机控制器通过所述第三A/D转换电路与所述储能单元的控制端连接，相较于现有设计，能够得到简单完善的系统结构。

(2)本发明采用低功耗和低损耗的器件，设计了宽电压、高增益的光伏、储能及直流输出的三端口DC/DC变换系统，采用微功耗控制器能够实现不同场景下光储混合微能量综合利用，满足了微能量储存和高效充放电控制的需要，实现了稳定的直流电压输出与能量供给。

(3)整个系统装置体积小且便于安装，保证了低功耗电子器件输入能量的可靠自供给，可用于多种野外环境下多类型数据采集、监测、通信，具有良好的应用前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。