複合電源多級電壓輸出裝置及多電源選擇控制方法

2023-08-02 22:56:36 1

專利名稱：複合電源多級電壓輸出裝置及多電源選擇控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用於綜合太陽能光伏電池、交流市電和鋰電池組供電的複合電源 多級電壓輸出裝置，為手提設備和野外無線監控設備長時間供電。
背景技術：
太陽能光伏發電技術的成熟和成規模化的商業推廣使用為本設計的研究奠定了 基礎。目前，野外無線測控等設備主要使用鋰蓄電池供電，其存儲的電量有限，持續使用時 間短並且充電方式主要通過人工拆卸，使用220V交流市電充電器，特別體現在野外設備的 使用時便顯得極其不便，增加了工作複雜度並浪費人力資源。本設計能夠解決太陽能供電 電壓的不穩定性，使用太陽能最大功率點跟蹤方法提供太陽能電池功率的最大輸出，並且 與交流市電、鋰電池組相結合，實現了長時間全天候多環境下為低壓負載設備提供穩定的 電壓，輸出電壓種類基本滿足了當前低壓直流設備的不同需求。

發明內容
本設計的目的在於為低壓手提和野外無線監控設備提供一種使用複合電源包括 太陽能光伏電池、交流市電和鋰電池組進行供電的多級電壓輸出的電源裝置，增強了太陽 能光伏供電設備的電壓穩定性，完成了鋰電池組的充放電自動控制，解決了為多梯次電壓 負載設備提供穩定電量並對電源選擇控制設備進行實時自動控制的難題。為了實現以上目的，本項設計提供了的一種使用太陽能光伏電池、交流市電和鋰 電池組進行供電的複合電源多級電壓輸出電源裝置和多電源選擇控制方法，其特徵在於通 過ADC0809模數轉換模塊採集太陽能電壓和交流市電電壓數據後，根據優先級設置方法所 建立的模糊判斷規則集對數據進行處理，微處理器可向轉換控制開關發送控制指令從而實 現對三種供電電源的自動選擇和跟蹤鋰電池狀況並對其實現實時充電功能；同時電源電壓 經過DC-DC線性穩壓模塊系列後對負載設備提供12V、9V、5V和3. 3V安全穩定的電壓量輸 出ο本發明的有益效果為本設計在太陽能光伏供電技術基礎上融合交流市電和鋰 電池組作為系統設備的附加電源裝置，通過微處理器進行信號採集和控制，是一種以新型 綠色能源為主體，專為野外無線檢測設備和低壓手提設備設計的電源裝置。本設計能夠自 動跟蹤太陽能電池電壓，並進行反饋，保證太陽能光伏電量輸出時，其功率在最大功率點附 近，同時在太陽能光伏電池電量信號低下時能夠自動選擇使用交流市電或鋰電池組供電， 並且可以實時通過外加電源對鋰電池進行充電，保證電量充足；電源電壓通過DC-DC線性 穩壓模塊系列後，提供的電壓波形穩定，最大誤差控制在左右。本設計使用三種供電電 源複合為手提低壓設備和野外無線監控設備提供了極其充足的能量來源，極大地延長了無 人情況下負載設備的工作時長，節省了巨大的人力和物力資源，並為綠色能源的使用及推 廣做出了一定貢獻。


圖1為本發明的組成模塊示意圖。圖2、圖3、圖4、圖5為本發明的硬體設計示意圖。圖6為本發明的系統軟體總流程圖
具體實施例方式以下結合附圖及實例對本發明作進一步描述。複合電源多級電壓輸出裝置，在溫度為25°C的條件下，選取最大功率為15W的太 陽能電池和4節3. 7V2000mAh的鋰電池串聯成的電池組作說明，其組成模塊示意圖如圖1 所示，主要有太陽能電池模塊、交流市電模塊、鋰電池組模塊、ATMEL89C51微處理器模塊、 ADC0809模數信號採集模塊、多級電源選擇模塊和四級電壓多路輸出模塊。其中太陽能電池 模塊包括太陽能電池和直流穩壓電路；交流市電模塊包括交流電接口、變壓整流電路和直 流穩壓電路；鋰電池模塊包括一個鋰電池組和由充電晶片組成的充電電路；多電源選擇模 塊分為一級和二級電源選擇電路，受微處理器模塊控制。圖2為微處理器模塊和信號採集模塊的電路部分。其中，ADC0809的1附口的接口 ⑧和IN2 口的接口⑥分別採集太陽能電池和交流市電的電壓情況，將電壓信號轉為數字信 號傳入微處理器；同時，單線數字溫度傳感器DS18B20也將數字溫度量傳入微處理器，微處 理器通過與ADC0809和DS18B20的通訊連接獲取所需數據。微處理器的I/O 口 PL UPl. 0 控制一級和二級多電源選擇模塊，而Pl. 2通信智能充電晶片部分。單片機和ADC0809由接 口①處鋰電池組通過AMSl 117-5輸出的5V電壓供電，且當系統電量不足時，通過LED燈熄 滅來進行報警工作。圖3為太陽能電池模塊、交流電模塊和一級多電源選擇模塊的電路部分。交流市 電經過220V/18V變壓器、橋式電路輸出的18V電壓通過接口⑥被ADC0809採集，再經過由 LM2576-15組成的線性穩壓電路後輸出穩定15V電壓；太陽能電池通過接口⑧被ADC0809 採集，再經過由LM2576-15組成的線性穩壓電路後輸出穩定15V電壓。兩路電壓輸出通過 9013三極體和15V繼電器組成的一級多電源選擇電路選通，該電路由接口⑦連接單片機進 行控制，常閉口選通太陽能電池，上電啟動後選通交流電且由市電電源提供工作電量。圖4為二級多電源選擇電路和四級電壓多路輸出模塊電路。其中接口④連接鋰 電池組，後通過AMS1117-5為單片機與ADC0809等器件提供5V電。二級多電源選擇電路 器件組成與一級相同，由接口②連接單片機進行控制，常閉口選通鋰電池組，上電啟動後 選通一級多電源選擇模塊選通的輸出電源且由以上電源提供工作電量。後續電路通過由 LM2576-12、LM7809、AMSl 117-5和AMSl 117-3. 3線性穩壓晶片組成的四級電壓多路輸出模 塊電路後，輸出穩定的12V、9V、5V、3. 3V電壓。圖5所示鋰電池模塊，其主要根據智能充電晶片MAX1924和鋰電池組為主建立充 電電路，接口③為充電電壓輸入端。該晶片為鋰電池智能充電晶片，最多可同時充電四節鋰 電池，在鋰電池過放電情況下可進行具有保護功能的涓流充電，並根據當前電池電量選擇 是否充電，使用接口⑤與單片機通信，接收使能控制信號。圖6為系統程序流程圖。本系統程序基於多電源選擇控制方法設計，算法中將交 流電、太陽能電池和鋰電池電源由高至低分為三個等級，如程序流程圖中所示，首先判斷交
4流市電電壓是否高，電壓高則表示交流市電接入設備，使用其供電並使能充電晶片，否則進 入下一流程；其次判斷太陽能電池電壓情況，由於太陽能電池輸出電量隨太陽光照強度變 化而變化，當光照強度弱如陰雨天，太陽能電池的電量輸出並不能為負載提供足夠功率，本 發明使用基於模糊聚類理論的太陽能最大功率點跟蹤控制方法選通太陽能電池的最大功 率輸出，該方法採用一定的控制算法預測當前條件下可能的最大功率輸出，是一種需要進 行大量前期基礎實驗的自動尋優過程，通過選取功率對電壓的變化量E(k)和變化率的變
化量ΔΕΟΟ作為系統的輸人變量風 = uHk—:、； ΔΕΟΟ =E(k)-E(k-l)，將目
標數據集κ v ；^根據最小二次方公式八("，「)二[1<11 -\11
進行最小隸屬度函數劃分，然後利用模糊計算技術，採用三角形隸屬函數，對計算得到的最 小隸屬度進行模糊計算，得出將太陽能輸出電壓劃分為包含5個非線性狀態元素的模糊控 制子集(如下表所示，T = 25°c)表1、太陽能輸出電壓模糊控制集合 又由實驗得知太陽能電池最大功率點及該點電壓隨溫度的降低而升高，則在此基 礎上根據相似性聚類建立IF…THEN…的控制規則集，如下所示IF T小於250C AND X屬於區間
時，THEN判斷太陽能輸出功率低下，電量不 足；IF T小於25°C AND X屬於區間[3，4]時，THEN判斷太陽能輸出功率良好，電量充 足；IF T大於250C AND X屬於區間
時，THEN判斷太陽能輸出功率低下，電量不 足；IF T大於25°C AND X = 4時，THEN判斷太陽能輸出功率良好，電量充足；根據上述規則集所示，當太陽能電池功率輸出複合要求時，使用其供電並使能充 電晶片，否則進入下一流程，使用鋰電池組供電並關閉充電晶片。本發明裝置採用的主要技術如下1.嵌入式技術
5
對於系統整個裝置的設計，是基於嵌入式技術進行的。嵌入式的優點是可處理大 量採集信號，處理速度快，實時性好，主控制器採用ATMEL89C51，51單片機以測控為其專 長，通過嵌入整個系統模塊，運用自身的布爾處理功能(布爾變量也即開關變量，它是以位 (bit)為單位進行操作的)來達到智能控制的效果，定時器可以實現對溫度和光電信號採 集時間定時功能，當定時時間到時伴隨其強大的中斷功能觸發系統採集傳感器信號或者控 制繼電選擇開關。2.多電源選擇控制方法多電源選擇控制方法將交流市電、太陽能電池和鋰電池電源由高至低設定功能優 先級，根據具體電壓採集情況選擇供電電源，其中太陽能電池的輸出功率檢測使用最大功 率點跟蹤控制(MPPT)策略，首先預測各種電壓條件下太陽能電池的最大功率輸出，隨後將 採集的太陽能電池電壓代入預測機制判斷，以滿足最大功率輸出的要求。此算法是一個自 動尋優過程，即通過檢測三類電源的接入與功率輸出情況，使設備在各種不同條件下進行 功率最優化輸出。本發明中，為簡化計算複雜度，提高系統效率，以基於模糊聚類MPPT方法 為基礎，集合複合電源的分級機制，建立模糊規則集，設計多電源選擇控制方法，實現精確 控制。
權利要求
複合電源多級輸出裝置，其特徵在於該裝置綜合太陽能光伏電池、交流市電和鋰電池組三類電源複合循環供電，依據多路電源的控制算法，使用ATMEL89S51進行電源選擇的智能控制，結合智能充電晶片對鋰電池組進行自動充電管理，提供四級電壓多路輸出。
2.複合電源多級輸出裝置，其特徵在於使用單片機兩個I/O口分別控制串聯繼電器開 關組的選通達到三類電源智能選擇的目的，即單片機I/O 口外接三極體和繼電器的硬體 電路部分及其串行連接方式。
3.複合電源多級輸出裝置，其特徵在於能夠同時提供3.3V、5V、9V和12V四級電壓多 路輸出，即在系統硬體的輸出端分接DC-DC線性穩壓晶片AMSl 117-3. 3、LM2576_5、LM7809 和LM2576-12，產生多級電壓輸出的硬體電路連接部分。
4.複合電源多級輸出裝置，其特徵在於設計的將交流市電、太陽能電池和鋰電池電源 由高至低設定功能優先級、根據具體電壓採集情況選擇供電電源的以結合模糊聚類理論的 太陽能最大功率點跟蹤策略為基礎的多電源選擇控制方法，即三類電源的優先級設置方 式、推理演算出的算法控制規則集及其相應的系統程序設計。
全文摘要
本發明綜合太陽能光伏電池、交流市電和鋰電池組三類電源複合循環供電，以太陽能最大功率點跟蹤理論為基礎設計多路電源的控制算法，建立推理規則集，使用微處理器模塊進行電源選擇的智能控制，結合智能充電晶片對鋰電池組進行自動充電管理，在裝置輸出端並行連接多路不同類別DC-DC線性穩壓模塊，提供四級電壓多路輸出。本系統專為室內外等不同環境下的各種低壓設備的實際需要進行設計，提供長時間安全穩定的能量輸出，安全環保、高效可靠、方便耐用，解決了多路電源共同使用時能量利用最優化這一難題。
文檔編號H02J7/35GK101902065SQ201010227000
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者馮國富, 卜濤, 孔祥紅, 朱文婷, 王明, 陳明 申請人:上海海洋大學