专利名称：太阳能充电装置以及充电方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能利用领域，尤其涉及一种太阳能充电装置以及充电方法。
背景技术：
节能、环保、绿色能源等，是当今能源应用领域的发展主题和趋势。太阳能作为一 种环保的自然能源，其利用方式和方法也受到了更多的关注。在现在的电子应用领域，为了更合理的利用能源，可以通过太阳能为电子设备提 供能源；一般都是通过太阳能给充电电池充电并存储，再给电子设备供电。此外，有些仪器 设备在野外环境下工作，不可能利用常规市电供电，利用太阳能供电就成为首选。参见图1，在相同的照射条件下，太阳能电池的开路电压Umax为最大可输出电压， 短路时的电流Imax为最大输出电流。短路电流与开路电压一起定义了太阳能电池的工作 性能，因此太阳能电池被认为是“电流受限”的电源。输出电流增加，输出电压则降低，直到 最终减少为零。输出功率是输出电压和电流的乘积，在太阳能输出电压_电流曲线中，U与I乘积 最大的点，就是最大功率点Pmax。为了提高太阳能利用效率，在用太阳能电池给储能装置 充电时，总希望找到最大功率点，让太阳能电池以最大功率给电池充电。这需要在实际使用 时，首先要对太阳能板性能进行测试，做出光照各种条件下的电流_电压曲线，确定各种条 件下的最大功率Pmax点及其对应的电流，参见图2。申请号为01138685. 1，发明名称为“太阳能充电系统”的专利，就通过测量特定太 阳能电池在各种光照条件下的电压-电流曲线，并给出各种光照条件下的最大输出功率， 通过预设拟合线来控制太阳能电池在最大输出功率附近输出电压和电流。这种方法所需要 的电路复杂，太阳能在各种调整电路上的能量损耗也比较大，而且需要针对特定的太阳能 板做预先测试和拟合分析。申请号为200710091016. 8，发明名称为“太阳能充电电池”的专利揭示了通过对太 阳能电池进行DC-DC(直流-直流)变换升压后再进行充电的技术，但是由于引入了 DC-DC 变换，降低了太阳能电池能量的利用效率。本发明则提供一种新的技术用以改善或解决上述的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种改进的太阳能充电装置及充电方法，其可 以有效提供太阳能利用效率，并实现方法简单。本发明通过这样的技术方案解决上述的技术问题一种太阳能充电装置，其中，所述装置包括太阳能电池、功率控制模块、充电电池、 电压调整电路、电压比较控制电路以及基准电压产生电路；太阳能电池将太阳能转换为电能，为充电电池提供充电电源；功率控制模块连接在太阳能电池和充电电池之间，用于开启或关闭太阳能电池提供给充电电池的充电电源；充电电池与电压调整电路连接，电压调整电路与电压比较控制电路连接；电压调整电路调整充电电池的当前电压获得比较电压，并将所述比较电压提供至电压比较控制电 路的第一输入端；基准电压产生电路与电压比较控制电路连接，提供基准电压至电压比较控制电路 的第二输入端；电压比较控制电路的输出端连接到功率控制模块的控制输入端，其通过比较第一 和第二输入端的基准电压和比较电压，输出电压控制信号至功率控制模块的控制输入端； 如果比较电压小于基准电压，电压比较控制电路输出开启充电的信号至功率控制模块以开 启充电电源；如果比较电压大于或等于基准电压，电压比较控制电路输出停止充电的信号 至功率控制模块以关闭充电电源。作为本发明的一种改进，充电电池还连接到电压比较控制电路，充电电池可为电 压比较控制电路和电压调整电路提供工作电源。作为本发明的一种改进，基准电压产生电路可与充电电池连接，由充电电池的正 极电压作为输入，通过基准电压产生电路产生基准电压。作为本发明的一种改进，基准电压产生电路为电池，以电池电压作为基准电压，连 接至电压比较控制电路的第二输入端。作为本发明的一种改进，所述电池的电压为1.5V。作为本发明的一种改进，所述装置还包括一个防反向控制模块，其连接在功率控 制模块和充电电池之间，用于防止充电电池反向放电。作为本发明的一种改进，所述功率控制模块为P沟道耗尽型场效应管，所述的防 反向控制模块为防反向二极管。作为本发明的一种改进，太阳能电池连接P沟道耗尽型场效应管的源极，P沟道耗 尽型场效应管的栅极与电压比较控制电路的输出端相连，漏极与防反向二极管相连。作为本发明的一种改进，电压调整电路包括两个调整电阻以及电位器，电位器串 联在两个调整电阻之间。作为本发明的一种改进，充电电池的当前电压通过两个调整电阻以及电位器调节 分压后输出比较电压，所述比较电压输出至电压比较控制电路的第一输入端。一种太阳能充电方法，其中，电压比较控制电路比较第一和第二输入端的基准电压和比较电压；如果比较电压小于基准电压时，即判断为充电电池电量不足，电压比较控制电路 输出开启充电的信号至功率控制模块以开启充电电源；如果比较电压等于或者大于基准电压时，即判断为充电电池处于饱和态，电压比 较控制电路输出关闭充电的信号至功率控制模块以关闭充电电源。作为本发明的一种改进，在太阳能电池进行充电之前，还包括确定电路调整的步 骤获取充电电池在处于饱和态时的最大电压；在电压调整电路的输入端输入恒定的最大电压；通过控制电压调整电路和基准电压产生电路，使电压比较控制电路第一和第二输入端的比较电压与基准电压之间的差值大于等于0V，同时小于0. 1V。作为本发明的一种改进，所述的充电电池达到饱和态时的最大电压小于充电电池 循环使用后再充电时的最大允许充电电压和充电电池在浮充时的最大允许充电电压中的 其中一个电压值。与现有技术相比较，在本发明中根据所需充电电池的要求，选择合适的太阳能电 池，不经过电压转换，除了必要的功率控制和防反向电路外，利用太阳能电池直接给充电电 池充电，支持充电电池循环使用完毕后再充电以及以浮充方式充电，提高太阳能利用效率， 实现方法简单。
图1为现有技术中相同日照条件下太阳能电池的输出特性。图2为现有技术中各种日照条件下太阳能电池的输出特性。图3为本发明提供的太阳能充电装置的架构示意图。图4为本发明提供的太阳能充电装置的具体电路示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式
。请参阅图3，所述太阳能充电装置包括太阳能电池1、功率控制模块2、防反向控制 模块3、电压调整电路4、基准电压产生电路5、电压比较控制电路6以及充电电池7。太阳能电池1连接到功率控制模块2的第一输入端，功率控制模块2的输出端连 接到防反向控制模块3的输入端，防反向控制模块3的输出端连接到充电电池7的输入端。 充电电池7的输出端连接到电压调整电路4的输入端，电压调整电路4的输出端连接到电 压比较控制电路6的第一输入端。充电电池7的输出端同时连接到基准电压产生电路5的 输入端以及电压比较控制电路6的电源输入端。基准电压产生电路5的输出端连接到电压 比较控制电路6的第二输入端。电压比较控制电路6的输出端连接到功率控制模块2的第 二输入端。太阳能电池1将太阳能转换为电能，为充电电池7提供充电电源。功率控制模块2用于开启或关闭太阳能电池1提供的充电电源。防反向控制模块3用于防止充电电池7反向放电。充电电池7为电压比较控制电路6、电压调整电路4和基准电压产生电路5提供工作电源。此外，充电电池7与电压调整电路4连接，电压调整电路4用于调整充电电池7的 当前电压Ul获得一个比较电压U2，并提供该比较电压U2至电压比较控制电路6的第一输 入端。充电电池7的当前电压Ul还提供给基准电压产生电路5，产生基准电压Uref，Uref 输出至电压比较控制电路6的第二输入端。电压比较控制电路6通过比较两个输入电压U2 和Uref，输出电压控制信号至功率控制模块2的输入端，功率控制模块2根据电压控制信号 开启或关闭充电电源，实现对充电电池7的充电和过充保护。如果比较电压U2低于基准电 压Uref，则表明充电电池7处于非饱和态，需要充电，功率控制模块2根据电压控制信号开 启充电电源。如果比较电压U2上升到与基准电压Uref相等或者超过了基准电压Uref，则 表明充电电池7处于饱和态，无需充电，电压比较控制电路6发送关闭的电压控制信号给功率控制模块2以关闭充电电源，防止充电电池7过充。在本发明的其他实施例中，基准电压Uref可以不通过充电电池7的当前电压 Ul产生，而以标准纽扣电池代替基准电压产生电路5，以标准纽扣电池电压作为基准电压 Uref，连接至电压比较控制电路6的输入端。请阅图4，为本发明太阳能充电装置的一个具体电路实施例。包括太阳能电池1’， P沟道耗尽型场效应管Ql，防反向二极管Dl，电压比较控制电路OPl，上拉电阻Rl，电压调 整电路4’，基准电压产生电路LDO (Low Dropout LinearRegulator，低压差线性稳压器)， 以及充电电池7’。电压调整电路4’包括调整电阻R2、R3以及电位器RP1，电阻R2、电位器 RP和电阻R3依次串联，电位器RP的输出端连接到电压比较控制电路OPl的输入端。电压 比较控制电路OPl的集电极开路设有上拉电阻R1，使电压比较控制电路OPl的输出级做I/ 0 口使用，并具有带载能力。太阳能电池1’连接P沟道耗尽型场效应管Ql的源极，P沟道耗尽型场效应管Ql 的栅极与电压比较控制电路OPl的输出端相连，漏极与防反向二极管Dl相连。防反向二极 管Dl的输出端连接至充电电池7’的正极。充电电池7，的当前电压Ul与电压调整电路4，的输入端连接，通过R2，RPl和R3 调节分压，电压调整电路4’输出调整后的电压U2，连接至电压比较控制电路OPl的正相输 入端。充电电池V与基准电压产生电路LDO的输入端连接，当前电压Ul通过基准电压 产生电路LDO产生基准电压Uref，基准电压Uref提供至电压比较控制电路OPl的反相输入端。本实例中可用标准纽扣电池代替基准电压产生电路LD0，例如标准1. 5V纽扣电池 电压作为基准电压Uref输出至电压比较控制电路OPl的反相输入端，而不必利用充电电池 V通过基准电压产生电路LDO产生基准电压Uref。不同类型的充电电池7’在处于充电饱和态时，电压达到的最大值Ubmax是不同 的。因此，在电路确定前，需要根据不同充电电池7’的Ubmax进行电路状态的调整。首先根据充电电池7 ’的Ubmax，在电压调整电路4’的输入端输入恒压Ubmax，通过 调整R2、R3或者RPl，使电压比较控制电路OPl的正相输入端的电压U2m与基准电压Urefm 近似相等。根据精度要求进行设计，比如要求U2m减去Urefm的值大于等于0V，并且小于 0. IV :0V ( U2m-Uref m < 0. IV。电路确定后，该电路可为同类型充电电池进行充电。在本实施例中，对选用的充电电池性V能有一定的要求，包括电池V在循环使用 后再充电时的最大允许充电电压Ucmax，最大允许充电电流Icmax，以及电池在浮充时的最 大允许充电电压Ufmax。设Umax为循环使用再充电最大允许充电电压Ucmax和浮充时的最 大允许充电电压Ufmax中的较小的一个，即Umax = min {Ucmax, Ufmax}。充电电池7’达到 充电饱和时，电压达到允许的最大值为Ubmax。实际上Ubmax小于Umax。当充电电池V电量不足，不能使电压比较控制电路OPl及基准电压产生电路LDO 正常工作时，由于Rl的连接，电压比较控制电路OPl输出的电压始终为低电平，P沟道耗尽 型场效应管Ql导通，太阳能电池1’输出的充电电压经由反向二极管Dl为充电电池V进 行充电。当充电电池7’电量不足但是还可以支持电压比较控制电路OPl及基准电压产生电路LDO正常工作时，电压比较控制电路OPl正相输入端的电压U2小于基准电压Uref，电 压比较控制电路OPl输出的电压始终为低电平，P沟道耗尽型场效应管Ql导通，太阳能电 池1’输出的充电电压经由防反向二极管Dl为充电电池V进行充电。如果太阳能电池1’输出的充电电压过低，由于反向二极管Dl的防反作用，防止充 电电池7’放电。随着充电电池7’电压不断上升，达到Ubmax时，电压调整电路4’输出电压U2与基准电压Uref相等，电压比较控制电路OPl输出的电压变为高电平，P沟道耗尽型场效应 管Ql截止，停止充电。在充电过程中，只要充电电池7 ’没有达到饱和，充电电池7 ’电压就低于Ubmax，达到饱和后，充电断开，保证充电电压始终小于等于Ubmax，也小于充电电池7’最大允许充电 电压Umax。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
一种太阳能充电装置，其特征在于，所述装置包括太阳能电池、功率控制模块、充电电池、电压调整电路、电压比较控制电路以及基准电压产生电路；太阳能电池将太阳能转换为电能，为充电电池提供充电电源；功率控制模块连接在太阳能电池和充电电池之间，用于开启或关闭太阳能电池提供给充电电池的充电电源；充电电池与电压调整电路连接，电压调整电路与电压比较控制电路连接；电压调整电路调整充电电池的当前电压获得比较电压，并将所述比较电压提供至电压比较控制电路的第一输入端；基准电压产生电路与电压比较控制电路连接，提供基准电压至电压比较控制电路的第二输入端；电压比较控制电路的输出端连接到功率控制模块的控制输入端，其通过比较第一和第二输入端的基准电压和比较电压，输出电压控制信号至功率控制模块的控制输入端；如果比较电压小于基准电压时，电压比较控制电路输出开启充电的信号至功率控制模块以开启充电电源；如果比较电压大于或等于基准电压时，电压比较控制电路输出停止充电的信号至功率控制模块以关闭充电电源。
2.根据权利要求1所述的太阳能充电装置，其特征在于充电电池还连接到电压比较 控制电路，充电电池可为电压比较控制电路和电压调整电路提供工作电源。
3.根据权利要求1所述的太阳能充电装置，其特征在于基准电压产生电路可与充电 电池连接，由充电电池的正极电压作为输入，通过基准电压产生电路产生基准电压。
4.根据权利要求1所述的太阳能充电装置，其特征在于基准电压产生电路为电池，以 电池电压作为基准电压，连接至电压比较控制电路的第二输入端。
5.根据权利要求4所述的太阳能充电装置，其特征在于所述电池的电压为1.5V。
6.根据权利要求1所述的太阳能充电装置，其特征在于所述装置还包括一个防反向 控制模块，其连接在功率控制模块和充电电池之间，用于防止充电电池反向放电。
7.根据权利要求6所述的太阳能充电装置，其特征在于所述功率控制模块为P沟道 耗尽型场效应管，所述的防反向控制模块为防反向二极管。
8.根据权利要求7所述的太阳能充电装置，其特征在于太阳能电池连接P沟道耗尽 型场效应管的源极，P沟道耗尽型场效应管的栅极与电压比较控制电路的输出端相连，漏极 与防反向二极管相连。
9.根据权利要求8所述的太阳能充电装置，其特征在于电压调整电路包括两个调整 电阻以及电位器，电位器串联在两个调整电阻之间。
10.根据权利要求9所述的太阳能充电装置，其特征在于充电电池的当前电压通过两 个调整电阻以及电位器调节分压后输出比较电压，所述比较电压输出至电压比较控制电路 的第一输入端。
11.一种采用如权利要求1至10任一项所述的太阳能充电装置进行的充电方法，其特 征在于电压比较控制电路比较第一和第二输入端的基准电压和比较电压；如果比较电压小于基准电压，即判断为充电电池电量不足，电压比较控制电路输出开 启充电的信号至功率控制模块以开启充电电源；如果比较电压等于或者大于基准电压，即判断为充电电池处于饱和态，电压比较控制 电路输出关闭充电的信号至功率控制模块以关闭充电电源。
12.根据权利要求11所述的充电方法，其特征在于在太阳能电池进行充电之前，还包 括确定电路调整的步骤获取充电电池在处于饱和态时的最大电压； 在电压调整电路的输入端输入恒定的最大电压；通过控制电压调整电路和基准电压产生电路，使电压比较控制电路第一和第二输入端 的比较电压与基准电压之间的差值大于等于0V，同时小于0. IV。
13.根据权利要求11所述的充电方法，其特征在于所述的充电电池达到饱和态时的 最大电压小于充电电池循环使用后再充电时的最大允许充电电压和充电电池在浮充时的 最大允许充电电压中的其中一个电压值。
全文摘要
本发明提供一种太阳能充电装置以及充电方法，涉及太阳能利用领域，可有效提高太阳能利用效率。所述太阳能充电装置包括太阳能电池，功率控制模块，电压调整电路，基准电压产生电路，电压比较控制电路和充电电池。太阳能电池将太阳能转换为电能，经由功率控制模块为充电电池提供充电电源。充电电池通过电压调整电路产生的调整电压和通过基准电压产生电路产生的基准电压输出至电压比较控制电路，电压比较控制电路通过比较两个输入电压输出电压控制信号以开启或关闭功率控制模块，实现对充电电池的充电和过充保护。本发明还提供一种采用该太阳能充电装置的充电方法。
文档编号H02J7/00GK101989748SQ20091005571
公开日2011年3月23日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者何宁, 冯改玲, 王漫, 裴俊, 郭斌 申请人:上海市计算技术研究所