CN109066847B - 一种光伏发电充放电控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光伏发电充放电控制电路。本申请提供的光伏发电充放电控制电路，包括：升压电路、开关管控制电路和最大功率点跟踪MPPT控制电路；其中，所述开关管控制电路与所述升压电路连接，用于控制所述升压电路的充放电状态；所述MPPT控制电路分别与光伏电源、所述升压电路和所述开关管控制电路连接，用于在所述升压电路处于放电状态时，采集所述光伏电源的开路电压，并依据所述开路电压调整所述光伏电源的输出电压，以使所述光伏电源以最大功率输出。本申请提供的光伏发电充放电控制电路，功耗较低。

Description

一种光伏发电充放电控制电路

技术领域

本申请涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏发电充放电控制电路。

背景技术

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源受到了广泛地青睐。太阳能光伏发电技术主要是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术。但是，太阳能电池(即光伏电源)的输出功率会随着环境温度、光照强度的变化而变化，呈现非线性的特点。因此，如何提高太阳能电池的输出功率成为光伏发电的重要环节。

目前，常采用光伏发电充放电控制器来使太阳能电池的输出功率达到最大。图1为相关技术公开的一种光伏发电充放电控制器的结构示意图。请参照图1，该光伏发电充放电控制器，包括升压电路和微控制器，其中，升压电路的输入端与光伏电源的输出端连接，升压电路的输出端与储能元件(例如，该储能元件可以为锂电池)连接；微控制器，主要用于检测光伏电源的输出电压和输出电流，进而根据检测到的输出电压和输出电流采用MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制算法(例如，采用扰动观察法)控制输入到升压电路控制端的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号的占空比，实现改变光伏电源输出电压和输出电流的目的，以使光伏电源以最大功率输出。

但是，现有的光伏发电充放电控制器，均设置有微控制器，需要通过微控制器运行MPPT控制算法来使光伏电源以最大功率输出，功耗较大。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种光伏发电充放电控制电路，以解决现有的光伏发电充放电控制器功耗较大的问题。

本申请提供一种光伏发电充放电控制电路，包括：升压电路、开关管控制电路和最大功率点跟踪MPPT控制电路；其中，

所述开关管控制电路与所述升压电路连接，用于控制所述升压电路的充放电状态；

所述MPPT控制电路分别与光伏电源、所述升压电路和所述开关管控制电路连接，用于在所述升压电路处于放电状态时，采集所述光伏电源的开路电压，并依据所述开路电压调整所述光伏电源的输出电压，以使所述光伏电源以最大功率输出。

本申请提供的光伏发电充放电控制电路，通过设置开关管控制电路和MPPT控制电路，进而通过开关管控制电路控制升压电路的充放电状态，通过MPPT控制电路在升压电路处于放电状态时，采集光伏电源的开路电压，并依据开路电压调整光伏电源的输出电压，以使光伏电源以最大功率输出。这样，通过模拟电路代替微控制器，使光伏电源以最大功率输出，不需要微控制器，也不需要运行MPPT算法，即可使光伏电源以最大功率输出，可降低功耗。

附图说明

图1为相关技术公开的一种光伏发电充放电控制器的结构示意图；

图2为本申请提供的光伏发电充放电控制电路实施例一的示意图；

图3为本申请一示例性实施例示出的光伏电源的I-V特性曲线；

图4为本申请提供的光伏发电充放电控制电路实施例二的示意图；

图5为本申请一示例性实施例示出的图4所示电路中PWM信号发生电路的示意图；

图6为本申请提供的光伏发电充放电控制电路实施例三的示意图；

图7为本申请一示例性实施例示出的图6所示电路中的PWM信号发生电路的示意图；

图8为本申请一示例性实施例示出的光伏电源的亮度特性图。

附图标记说明：

1：升压电路；

11：升压电路中的电感；

12：升压电路中的二极管；

121：二极管的正极；

122：二极管的负极；

13：升压电路中的电容；

14：升压电路中的第一开关管；

15：升压电路中的第四开关管；

2：开关管控制电路；

21：逻辑电路；

211：第一与门；

212：第二与门；

22：PWM信号发生电路；

221：误差放大器；

222：I/V转换电路；

223：PWM比较器；

224：逻辑芯片；

225：过流保护电路；

2251：过流比较器；

2252：第二开关管；

2253：第三开关管；

A、B：PWM信号发生电路的输入端；

C：PWM信号发生电路的PWM信号输出端；

D：第二开关管和第三开关管的控制端；

3：MPPT控制电路；

31：时钟电路；

311：时钟电路的输出端；

32：采样电路；

321：采样电路的控制信号输入端；

322：采样电路的模拟信号输入端；

323：采样电路的模拟信号输出端；

33：比例电路；

331：比例电路的输入端；

332：比例电路的输出端；

34：运算放大器电路；

341：运算放大器电路的同相输入端；

342：运算放大器电路的反相输入端；

343：运算放大器电路的输出端；

35：电压比较器；

351：电压比较器的同相输入端；

352：电压比较器的反相输入端；

353：电压比较器的输出端；

4：光伏电源；

5：储能元件；

6：第一基准电源；

7：第二基准电源；

8：第三基准电源；

9：分压电路；

R1：第一电阻；

R2：第二电阻；

R3：第三电阻。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

本申请提供一种光伏发电充放电控制电路，以解决现有的光伏发电充放电控制器功耗较大的问题。

下面给出几个具体的实施例，用以详细介绍本申请的技术方案，下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的方案或过程可能在某些实施例中不再赘述。

图2为本申请提供的光伏发电充放电控制电路实施例一的示意图。请参照图2，本实施例提供的光伏发电充放电控制电路，包括：升压电路1、开关管控制电路2和最大功率点跟踪MPPT控制电路3；其中，

所述开关管控制电路2与所述升压电路1连接，用于控制所述升压电路1的充放电状态；

所述MPPT控制电路3分别与光伏电源4、所述升压电路1和所述开关管控制电路2连接，用于在所述升压电路1处于放电状态时，采集所述光伏电源4的开路电压，并依据所述开路电压调整所述光伏电源4的输出电压，以使所述光伏电源4以最大功率输出。

具体的，升压电路1的具体电路结构可以参见相关技术中的描述，此处不再赘述。此外，开关管控制电路2可以与升压电路1的开关管连接，以控制升压电路1的充放电状态。例如，控制开关管导通时，升压电路1处于充电状态；控制开关管截止时，升压电路1处于放电状态。

此外，图3为本申请一示例性实施例示出的光伏电源的I-V特性曲线。请参照图3，当光伏电源的输出功率达到最大功率时，此时，该光伏电源的输出电压等于其开路电压的指定倍。参照图3，该光伏电源的输出电压等于其开路电压的0.8倍。因此，本申请中，可通过模拟电路来获取光伏电源的开路电压，进而根据该开路电压调整光伏电源的输出电压，以使光伏电源以最大功率输出。例如，可将光伏电源的输出电压调整至其开路电压voc的0.8倍，即光伏电源的输出电压等于0.8voc。这样，当光伏电源的输出电压被固定在0.8voc时，该光伏电源只能输出与该电压对应的电流。参照图3，这样，即可使光伏电源以最大功率输出。

本申请提供的光伏发电充放电控制电路，通过设置开关管控制电路和MPPT控制电路，进而通过开关管控制电路控制升压电路的充放电状态，通过MPPT控制电路在升压电路处于放电状态时，采集光伏电源的开路电压，并依据开路电压调整光伏电源的输出电压，以使光伏电源以最大功率输出。这样，通过模拟电路代替微控制器，使光伏电源以最大功率输出，不需要微控制器，也不需要运行MPPT算法，即可使光伏电源以最大功率输出，可降低功耗。

图4为本申请提供的光伏发电充放电控制电路实施例二的示意图。请参照图4，在上述实施例的基础上，本实施例提供的光伏发电充放电控制电路，开关管控制电路2包括逻辑电路21和脉冲宽度调制PWM信号发生电路22，其中，所述逻辑电路21的输入端分别与所述MPPT控制电路3和所述PWM信号发生电路22连接，输出端与所述升压电路1的控制端连接，用于依据来自所述MPPT控制电路3的信号和来自所述PWM信号发生电路22的PWM信号生成用于控制所述升压电路1的充放电状态的开关管控制信号；

所述PWM信号发生电路22还与所述MPPT控制电路3和所述升压电路1连接，用于依据所述MPPT控制电路3的输出电压和所述升压电路1的输出电流对应的电压生成PWM信号。

具体的，参见图4，在图4所示示例中，升压电路包括电感11、二极管12、电容13和第一开关管14，有关该升压电路的工作原理可以参见相关技术中的描述，此处不再赘述。在图4所示示例中，该第一开关管14为MOS管，该MOS管的G极为该升压电路1的控制端。具体的，参照图4，PWM信号发生电路22的一个输入端C端与升压电路1中二极管12的正极121连接。

可选地，在图4所示示例中，MPPT控制电路包括：时钟电路31、采样电路32，比例电路33和运算放大器电路34，其中，

所述时钟电路31的输出端311分别与所述逻辑电路21和所述采样电路32的控制信号输入端321连接；

所述采样电路32的模拟信号输入端322与所述光伏电源4连接，模拟信号输出端323与所述比例电路33的331输入端连接；所述采样电路32，用于在所述时钟电路31产生的时钟信号为低电平时工作在采样状态，在所述时钟电路31产生的时钟信号为高电平时工作在保持状态；

所述比例电路33的输出端332与所述运算放大器34电路的同相输入端341连接，所述运算放大器电路34的反相输入端342与所述光伏电源4连接，所述运算放大器电路34的输出端343分别与所述升压电路1的输出端和所述PWM信号发生电路22连接；

所述开关管控制电路2，用于在所述时钟信号为低电平时产生用于使所述升压电路1处于放电状态的开关管控制信号。

具体的，参照图4，运算放大器电路34的输出端343与PWM信号发生电路22的一个输入端A端连接。此外，升压电路1的输出端为升压电路1中的二极管12的负极122。

可选的，时钟信号的周期为1秒，在一个时钟周期内低电平持续时长为10微秒。具体的，参照图4，当升压电路1包括第一开关管14时，此时，逻辑电路21可以包括第一与门211，该第一与门211的两个输入端分别与所述时钟电路31的输出端311和所述PWM信号发生电路22的PWM信号输出端B端连接，所述第一与门211的输出端与所述第一开关管14的控制端连接。

参照图4，下面详细介绍一下该电路的具体工作原理。

具体的，当时钟信号为低电平时，采样电路32处于采样状态。这样，无论PWM信号为高电平还是低电平，第一与门211的输出端均输出低电平。在第一与门211输出低电平时，第一开关管14截止。进一步地，当第一开关管14截止时，光伏电源4处于放电状态。此时，储能元件5侧的电压高于光伏电源4侧的电压，二极管12截止。而二极管12截止时，认为光伏电源4处于开路状态。这样，采样电路32即可采集到光伏电源4的开路电压voc。

当采集电路32采集到光伏电源4的开路电压voc时，该开路电压voc被输入到比例电路33后，比例电路33可按比例将该开路电压voc进行放大，本实施例中，将该开路电压放大至0.8倍。即比例电路33的输出电压为0.8voc。进一步地，运算放大器电路34的同相输入端341与比例电路33连接，反相输入端342与光伏电源4连接，根据运算放大器电路的虚短特性，其反相输入端342的电压与同相输入端341的电压相等，此时，认为同相输入端342的电压等于0.8voc，即光伏电源4的输出电压为0.8voc。

进一步地，当时钟信号为高电平时，采样电路32进入保持状态，此时，开关管控制电路2输出的开关管控制信号完全由PWM信号决定。此时，整个电路进入正常工作模式。此时，由于光伏电源4的输出电压已经被固定在0.8voc。这样，参照图3，该光伏电源4只能以该电压(0.8voc)对应的电流输出，此时，该光伏电源4即以最大功率输出。

图5为本申请一示例性实施例示出的图4所示电路中PWM信号发生电路的示意图。请参照图5，在图4所示示例中，PWM信号发生电路22可以包括误差放大器221、I/V转换电路222、PWM比较器223和逻辑芯片224，其中，

I/V转换电路222的输入端即为该PWM信号发生电路22的一个输入端C端。参见前面的介绍，该I/V转换电路222的输入端与升压电路1连接(即与升压电路1中的二极管12的正极121连接)。此外，该I/V转换电路222的输出端与PWM比较器223的同相输入端连接；

进一步地，误差放大器221的反相输入端即为该PWM信号生成电路22的另一个输入端A端，其与运算放大器电路34的输出端343连接。此外，该误差放大器221的同相输入端通过一基准电源接地。

此外，PWM比较器223的输出端与逻辑芯片224的输入端连接，逻辑芯片224的输出端即为该PWM信号发生电路22的PWM信号输出端C端，其输出PWM信号(即逻辑芯片224的输出端与第一与门211的一个输入端连接)。

具体的，有关该PWM信号发生电路的具体工作原理可以参见相关技术的介绍，此处不再赘述。

图6为本申请提供的光伏发电充放电控制电路实施例三的示意图。图7为本申请一示例性实施例示出的图6所示电路中的PWM信号发生电路的示意图。

请同时参照图6和图7，在上述实施例的基础上，本实施例提供的光伏发电充放电控制电路，所述PWM信号发生电路22包括过流保护电路225，其中，所述过流保护电路225包括过流比较器2251和分别与所述过流比较器2251的同相输入端连接的第二开关管2252和第三开关管2253；所述第二开关管2251还与第一基准电源6连接，所述第三开关管2253还与第二基准电源7连接。

进一步地，所述第一基准电源6的电压大于所述第二基准电源7的电压；所述第一开关管2252在其控制端接入高电平导通，其控制端接入低电平时截止；所述第二开关管2253在其控制端接入高电平时截止，其控制端接入低电平时导通。

此外，所述MPPT控制电路还包括开路电压比较器35，所述开路电压比较器35的同相输入端351与所述采样电路31的模拟信号输出端313连接，反相输入端352与第三基准电源8连接，输出端353与所述第一开关管2252和所述第二开关管2253的控制端D连接。

具体的，第二开关管2252和第三开关管2253可以为MOS管，本实施例不对此作出限定。

参照图6和图7，根据前面的介绍可知，采样电路32输出光伏电源4的开路电压，进一步地，电压比较器35，通过将开路电压与第三基准电源8的电压进行比较，进而在开路电压大于第三基准电源8的电压时，输出高电平。在开路电压低于第三基准电源8的电压时，输出低电平。这样，开路电压大于第三基准电源8的电压时，电压比较器35输出的第一信号为高电平，此时，第二开关管2252导通，电流比较器2251依据第一基准电源6的电压进行过流保护。

进一步地，在开路电压小于第三基准电源8的电压时，电压比较器35输出的第一信号为低电平，此时，第三开关管2253导通，电流比较器2251依据第二基准电源7的电压进行过流保护。而第一基准电源6的电压值大于第二基准电源7的电压值。这样，即可实现在开路电压较大时，依据较大的基准电压进行过流保护，而在开路电压较小时，选择较小的基准电压进行过流保护，使过流保护所依据的基准电压与开路电路匹配。

进一步地，参见图8，图8为本申请一示例性实施例示出的光伏电源的亮度特性图。参照图8，环境亮度越低，光伏电源的开路电压越小，且环境亮度越低，短路电流越小。结合上面的介绍，使过流保护所依据的基准电压与开路电路匹配，即可使过流保护所依据的基准电压与环境亮度匹配，以防止在亮度低(此时，短路电流较小)时因基准电压过大导致限流保护功能不起作用，或者是，在亮度高时因基准电压过小限制电流的输出能力。

进一步地，请继续参照图6，本实施例提供的光伏发电充放电控制电路，升压电路1还包括第四开关管15；所述逻辑电路21还包括第二与门212；其中，所述第二与门212的两个输入端分别与所述第一与门211的输出端和所述开路电压比较器35的输出端353连接，所述第二与门212的输出端与所述第四开关管15的控制端连接。

具体的，参照图6，以及前面所介绍的图4所示电路图的工作原理，下面简单介绍一下图6所示电路图的工作原理。

具体的，当时钟信号为低电平时，此时，不论电压比较器35输出的第一信号为高电平还是低电平，由于第一与门211输出的为低电平，第二与门212输出的也为低电平。当第二与门212的输出为低电平时，第四开关管15也处于截止状态，这样，即可采集到光伏电源4的开路电压。

进一步地，当时钟信号为高电平，整个电路进入正常工作模式时，此时，第一与门211的输出完全受PWM信号控制。进一步地，当开路电压大于第三基准电源8的电压时，电压比较器35输出的第一信号为高电平，此时，第二与门212的输出完全受PWM信号控制。即第一开关管14和第四开关管15均进行开关动作。而当开路电压小于第三基准电源8的电压时，电压比较器35输出的第一信号为低电平，第二与门212输出低电平。当第二与门212的输出为低电平时，第四开关管15截止。此时，只有第一开关管14进行开关动作。

需要说明的是，为提高升压电路的效率，在低负载情况下，希望升压电路的开关管的面积尽可能的小，而在高负载时，希望升压电路的开关管的导通阻抗尽可能的小，而开关管的导通阻抗与其面积成反比，即在高负载时，希望升压电路中的开关管的面积尽可能的大。这样，参见前面的介绍，通过在升压电路中设置第一开关管和第四开关管，可在当前环境亮度较低时(即开路电压低时)，仅让第一开关管进行开关工作，在当前环境亮度较高时，让第一开关管和第四开关管进行开关工作，以使升压电路中的开关管的面积与当前负载匹配，以提高升压电路的效率。

可选地，请参照图6，所述光伏发电充放电电路还包括分压电路9，所述分压电路9设置在所述MPPT控制电路3和所述PWM信号发生电路22的误差放大器221之间，所述分压电路9与所述误差放大器221组成所述MPPT控制电路用相位补偿电路。

参见图6，分压电路9包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3；其中，

所述放大运算器电路的输出端343通过第一电阻R1和第二电阻R2与所述升压电路1的输出端(即升压电路1中二极管12的负极122)连接，所述放大运算器电路34的输出端343通过第一电阻R1与所述误差放大器221的反相输入端连接，所述第一电阻R1和第二电阻R2相连的一端与所述第三电阻R3的第一端连接，所述第三电阻R3的第二端接地。

具体的，分压电路9与误差放大器221组成所述MPPT控制电路用相位补偿电路。此时，误差放大器同相输入端的电压等于其反相输入端电压，这样，此时，通过电阻的分压作用和运算放大器电路34的调节作用，可使二极管12的负极122处的电压保持稳定。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种光伏发电充放电控制电路，其特征在于，包括升压电路、开关管控制电路和最大功率点跟踪MPPT控制电路；其中，

所述开关管控制电路与所述升压电路连接，用于控制所述升压电路的充放电状态；

所述MPPT控制电路分别与光伏电源、所述升压电路和所述开关管控制电路连接，用于在所述升压电路处于放电状态时，采集所述光伏电源的开路电压，并依据所述开路电压调整所述光伏电源的输出电压，以使所述光伏电源以最大功率输出；

所述开关管控制电路包括逻辑电路和脉冲宽度调制PWM信号发生电路，其中，

所述逻辑电路的输入端分别与所述MPPT控制电路和所述PWM信号发生电路连接，输出端与所述升压电路的控制端连接，用于依据来自所述MPPT控制电路的信号和来自所述PWM信号发生电路的PWM信号生成用于控制所述升压电路的充放电状态的开关管控制信号；

所述PWM信号发生电路还与所述MPPT控制电路和所述升压电路连接，用于依据所述MPPT控制电路的输出电压和所述升压电路的输出电流对应的电压生成PWM信号；

所述MPPT控制电路包括时钟电路、采样电路、比例电路和运算放大器电路，其中，

所述时钟电路的输出端分别与所述逻辑电路和所述采样电路的控制信号输入端连接；

所述采样电路的模拟信号输入端与所述光伏电源连接，模拟信号输出端与所述比例电路的输入端连接；所述采样电路，用于在所述时钟电路产生的时钟信号为低电平时工作在采样状态，在所述时钟电路产生的时钟信号为高电平时工作在保持状态；

所述比例电路的输出端与所述运算放大器电路的同相输入端连接，所述运算放大器电路的反相输入端与所述光伏电源连接，所述运算放大器电路的输出端分别与所述升压电路的输出端和所述PWM信号发生电路连接；

所述开关管控制电路，用于在所述时钟信号为低电平时产生用于使所述升压电路处于放电状态的开关管控制信号；

所述光伏发电充放电电路还包括分压电路，所述分压电路设置在所述MPPT控制电路和所述PWM信号发生电路的误差放大器之间，所述分压电路与所述误差放大器组成所述MPPT控制电路用相位补偿电路；

其中，所述分压电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；其中，

所述运算放大 器电路的输出端通过第一电阻和第二电阻与所述升压电路的输出端连接，所述运算放大 器电路的输出端通过第一电阻与所述误差放大器的反相输入端连接，所述第一电阻和第二电阻相连的一端与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端接地；

所述升压电路包括第一开关管，所述逻辑电路包括第一与门，所述第一与门的两个输入端分别与所述时钟信号的输出端和所述PWM信号发生电路的PWM信号输出端连接，所述第一与门的输出端与所述第一开关管的控制端连接；

所述PWM信号发生电路包括过流保护电路，所述过流保护电路包括过流比较器和分别与所述过流比较器的同相输入端连接的第二开关管和第三开关管；所述第二开关管还与第一基准电源连接，所述第三开关管还与第二基准电源连接，其中，

所述第一基准电源的电压大于所述第二基准电源的电压；所述第一开关管在其控制端接入高电平导通，其控制端接入低电平时截止；所述第二开关管在其控制端接入高电平时截止，其控制端接入低电平时导通；

所述MPPT控制电路还包括开路电压比较器，所述开路电压比较器的同相输入端与所述采样电路的模拟信号输出端连接，反相输入端与第三基准电源连接，输出端分别与所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述升压电路还包括第四开关管；所述逻辑电路还包括第二与门；其中，所述第二与门的两个输入端分别与所述第一与门的输出端和所述开路电压比较器的输出端连接，所述第二与门的输出端与所述第四开关管的控制端连接。

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