本實用新型涉及物聯(lián)網(wǎng)、光伏照明技術(shù)領(lǐng)域，具體地是涉及一種超容太陽能控制器。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，可再生能源的應(yīng)用越來越受青睞。其中太陽能作為一種清潔、安全、綠色的可再生能源，被認(rèn)為是世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。傳統(tǒng)的路燈采用高壓市電供電，必須鋪設(shè)大量的電纜，并挖掘大量的電纜溝。這勢必增加整個系統(tǒng)的安裝成本與維護(hù)成本。而太陽能路燈不用鋪設(shè)復(fù)雜的線路，只需要一個安裝基座即可，節(jié)省了安裝成本，并且太陽能路燈以免費(fèi)的太陽能作為能源，綠色環(huán)保，無需支付電費(fèi)。因此太陽能路燈在城市道路、工業(yè)園區(qū)、綠化帶、廣場等場所的照明中將帶來明顯的可利用優(yōu)勢。

由于太陽能光伏(Photovol taic，簡稱PV)面板轉(zhuǎn)換效率較低，一般為18％左右。因為太陽能是一種寶貴的資源，為了充分利用太陽能，需要使用一種高轉(zhuǎn)換效率的太陽能控制器來對太陽能進(jìn)行跟蹤，以最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。利用控制方法實現(xiàn)光伏面板的最大功率輸出運(yùn)行的技術(shù)被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術(shù)。目前使用的太陽能路燈控制器大多采用串聯(lián)式PWM脈寬調(diào)制方式，對太陽能的利用率為60％左右，大大浪費(fèi)了寶貴的太陽能。而采用MPPT技術(shù)能夠顯著提高太陽能的利用率，因此采用MPPT技術(shù)實現(xiàn)的太陽能路燈控制器具有廣泛的市場前景。

由于太陽能轉(zhuǎn)換成電能的成本是比較昂貴的，1W光伏面板的成本為12元左右，因此PV面板轉(zhuǎn)換出來的電能是寶貴的。采用傳統(tǒng)方式對其利用率不高，浪費(fèi)了大量的能量。

因此，本實用新型的實用新型人亟需構(gòu)思一種新技術(shù)以改善其問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型旨在提供一種超容太陽能控制器，其可以降低器件損耗，提升充電效率。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是：

一種超容太陽能控制器，包括：太陽能電池板、輸入防反接電路、同步整流BUCK降壓電路、輸出防反接防電流倒灌電路、蓄能模組、半橋驅(qū)動電路、MCU電路、BOOST升壓驅(qū)動電路和LED模組，其中所述太陽能電池板的輸出端與所述輸入防反接電路連接，所述輸入防反接電路與所述同步整流BUCK降壓電路連接，所述同步整流BUCK降壓電路分別與所述輸出防反接防電流倒灌電路和所述半橋驅(qū)動電路連接，所述輸出防反接防電流倒灌電路與所述蓄能模組連接；所述半橋驅(qū)動電路與所述MCU電路連接，所述MCU電路與所述BOOST升壓驅(qū)動電路連接，所述BOOST升壓驅(qū)動電路與所述LED模組連接。

優(yōu)選地，所述輸出防反接防電流倒灌電路包括穩(wěn)壓二極管DZ2、穩(wěn)壓二極管DZ10、穩(wěn)壓二極管DZ3、二極管D7、二極管D8、MOS管Q6、MOS管Q7、放大器U5B、電阻R44、電阻R45、電阻R46、電阻R47，其中穩(wěn)壓二極管DZ2的負(fù)極端與所述同步整流BUCK降壓電路連接，其正極端與二極管D7的正極連接，二極管D7的負(fù)極與二極管D8的負(fù)極連接；MOS管Q6的源極與穩(wěn)壓二極管DZ2的負(fù)極端連接，其漏級與MOS管Q7連接；穩(wěn)壓二極管DZ10一端設(shè)置在MOS管Q6和MOS管Q7之間，另一端設(shè)置在二極管D7和二極管D8之間；穩(wěn)壓二極管DZ3的一端與MOS管Q7連接，另一端與二極管D8連接；MOS管Q6的柵極通過電阻R44后與放大器U5B連接；電阻R45一端與MOS管Q7連接，另一端依次串聯(lián)電阻R46、電阻R47后與放大器U5B連接。

優(yōu)選地，所述同步整流BUCK降壓電路包括MOS管Q4、MOS管Q5、鐵芯電感L1、電阻R37、電阻R39，其中MOS管Q4的漏極與所述輸入防反接電路連接，其源極分別與鐵芯電感L1和MOS管Q5的漏級連接；電阻R37設(shè)置在MOS管Q4的源極和柵極之間，電阻R39設(shè)置在MOS管Q5的源極和柵極之間。

優(yōu)選地，所述輸入防反接電路包括二極管D5、穩(wěn)壓二極管DZ1、電阻R33、電阻R105、MOS管Q3，其中二極管D5的正極端通過一接插件與所述太陽能電池板連接，二極管D5的負(fù)極端通過電阻R33后與MOS管Q3的柵極連接；穩(wěn)壓二極管DZ1和電阻R105并聯(lián)設(shè)置在MOS管Q3的柵極和源極之間。

優(yōu)選地，所述BOOST升壓驅(qū)動電路包括芯片U7、芯片U8、MOS管Q12、MOS管Q13、穩(wěn)壓二極管D13、穩(wěn)壓二極管D14、穩(wěn)壓二極管D16、穩(wěn)壓二極管DZ8、二極管D12、電感L6、電阻R103，其中芯片U7的第三腳與所述MCU電路連接，其第四腳經(jīng)二極管D12后與MOS管Q13連接，MOS管Q13的柵極與所述MCU電路連接，其第七腳依次經(jīng)過穩(wěn)壓二極管DZ8、穩(wěn)壓二極管D16后與電感L6連接，其第八腳經(jīng)過電阻R103后與芯片U8的第六腳連接，芯片U8與MOS管Q12連接；穩(wěn)壓二極管D13和穩(wěn)壓二極管D14并聯(lián)，其一端與MOS管Q12的漏級連接，另一端經(jīng)過穩(wěn)壓二極管D16后與電感L6連接，電感L6通過一接插件與所述LED模組連接。

優(yōu)選地，還包括一輸入過壓保護(hù)器件，其設(shè)置在所述太陽能電池板和所述輸入防反接電路之間。

優(yōu)選地，還包括一通訊模塊和電源模塊，所述通訊模塊與所述MCU電路連接，所述電源模塊為所述通訊模塊、所述MCU電路、所述BOOST升壓驅(qū)動電路提供電能。

優(yōu)選地，所述通訊模塊為ZigBee通訊模塊。

優(yōu)選地，MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q12的型號為SUD50N06-09L，MOS管Q6和MOS管Q7的型號均為SUD50P06-15L。

優(yōu)選地，所述蓄能模組為超級電容。

采用上述技術(shù)方案，本實用新型至少包括如下有益效果：

本實用新型所述的超容太陽能控制器，在產(chǎn)品軟件算法上采用新穎的電流擾動MPPT算法以獲取PV面板的最大輸出功率，在硬件設(shè)計上采用大量MOS管替代傳統(tǒng)的肖特基二極管進(jìn)行電流整流和續(xù)流極大的降低了器件損耗，相對于傳統(tǒng)太陽能充電器充電效率得到極大的提升。

附圖說明

圖1為本實用新型所述的超容太陽能控制器的原理圖；

圖2為本實用新型所述的MCU電路的電路圖；

圖3為本實用新型所述的超容太陽能控制器的部分電路圖；

圖4為本實用新型所述的超容太陽能控制器的部分電路圖；

圖5a為本實用新型所述的電源模塊的電路圖；

圖5b為本實用新型所述的電源模塊的電路圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。

如圖1至圖5所示，為符合本實用新型的一種超容太陽能控制器，包括：太陽能電池板、輸入防反接電路、同步整流BUCK降壓電路、輸出防反接防電流倒灌電路、蓄能模組、半橋驅(qū)動電路、MCU電路、BOOST升壓驅(qū)動電路和LED模組，其中所述太陽能電池板的輸出端與所述輸入防反接電路連接，所述輸入防反接電路與所述同步整流BUCK降壓電路連接，所述同步整流BUCK降壓電路分別與所述輸出防反接防電流倒灌電路和所述半橋驅(qū)動電路連接，所述輸出防反接防電流倒灌電路與所述蓄能模組連接；所述半橋驅(qū)動電路與所述MCU電路連接，所述MCU電路與所述BOOST升壓驅(qū)動電路連接，所述BOOST升壓驅(qū)動電路與所述LED模組連接。

其中圖2為MCU電路的電路圖，圖3包含輸入防反接電路、同步整流BUCK降壓電路、輸出防反接防電流倒灌電路和半橋驅(qū)動電路。

優(yōu)選地，所述輸出防反接防電流倒灌電路包括穩(wěn)壓二極管DZ2、穩(wěn)壓二極管DZ10、穩(wěn)壓二極管DZ3、二極管D7、二極管D8、MOS管Q6、MOS管Q7、放大器U5B、電阻R44、電阻R45、電阻R46、電阻R47，其中穩(wěn)壓二極管DZ2的負(fù)極端與所述同步整流BUCK降壓電路連接，其正極端與二極管D7的正極連接，二極管D7的負(fù)極與二極管D8的負(fù)極連接；MOS管Q6的源極與穩(wěn)壓二極管DZ2的負(fù)極端連接，其漏級與MOS管Q7連接；穩(wěn)壓二極管DZ10一端設(shè)置在MOS管Q6和MOS管Q7之間，另一端設(shè)置在二極管D7和二極管D8之間；穩(wěn)壓二極管DZ3的一端與MOS管Q7連接，另一端與二極管D8連接；MOS管Q6的柵極通過電阻R44后與放大器U5B連接；電阻R45一端與MOS管Q7連接，另一端依次串聯(lián)電阻R46、電阻R47后與放大器U5B連接。優(yōu)選地，MOS管Q7的源極通過一接插件J2與所述蓄能模組連接。其中電阻R45和電阻R46之間為一電壓采集點(diǎn)CV，其與MCU電路中的芯片U3的第五腳連接。電阻R47為一電流采樣電阻，經(jīng)過放大器后輸出端與MCU電路中的芯片U3的第二腳連接，其為一電流采集點(diǎn)CCI。半橋驅(qū)動電路如圖3所示，其包括驅(qū)動信號互鎖電路和芯片U4、芯片U10、芯片U11等，半橋驅(qū)動電路的PH和PL端與MCU電路中的芯片U3的第23腳和第20腳連接。其他具體連接關(guān)系如圖所示，此處不再贅述。

優(yōu)選地，所述同步整流BUCK降壓電路包括MOS管Q4、MOS管Q5、鐵芯電感L1、電阻R37、電阻R39，其中MOS管Q4的漏極與所述輸入防反接電路連接，其源極分別與鐵芯電感L1和MOS管Q5的漏級連接；電阻R37設(shè)置在MOS管Q4的源極和柵極之間，電阻R39設(shè)置在MOS管Q5的源極和柵極之間。

優(yōu)選地，所述輸入防反接電路包括二極管D5、穩(wěn)壓二極管DZ1、電阻R33、電阻R105、MOS管Q3，其中二極管D5的正極端通過一接插件J1與所述太陽能電池板連接，二極管D5的負(fù)極端通過電阻R33后與MOS管Q3的柵極連接；穩(wěn)壓二極管DZ1和電阻R105并聯(lián)設(shè)置在MOS管Q3的柵極和源極之間。

優(yōu)選地，如圖4所示，所述BOOST升壓驅(qū)動電路包括芯片U7、芯片U8、MOS管Q12、MOS管Q13、穩(wěn)壓二極管D13、穩(wěn)壓二極管D14、穩(wěn)壓二極管D16、穩(wěn)壓二極管DZ8、二極管D12、電感L6、電阻R103，其中芯片U7的第三腳與所述MCU電路(LED EN)連接，其第四腳經(jīng)二極管D12后與MOS管Q13連接，MOS管Q13的柵極與所述MCU電路(PWM)連接，其第七腳依次經(jīng)過穩(wěn)壓二極管DZ8、穩(wěn)壓二極管D16后與電感L6連接，其第八腳經(jīng)過電阻R103后與芯片U8的第六腳連接，芯片U8與MOS管Q12連接；穩(wěn)壓二極管D13和穩(wěn)壓二極管D14并聯(lián)，其一端與MOS管Q12的漏級連接，另一端經(jīng)過穩(wěn)壓二極管D16后與電感L6連接，電感L6通過一接插件J3與所述LED模組連接。所述LED模組為實際的用電單元，如多個LED燈管等，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，故此次不再贅述。圖4中標(biāo)注為A、B、C的三個模塊均為輔助電路，其用于輸出防反接、防短路等。其中CDI端用于采集輸出電流，其與MCU電路中的芯片U3的第六腳連接。

優(yōu)選地，還包括一輸入過壓保護(hù)器件R85，其設(shè)置在所述太陽能電池板和所述輸入防反接電路之間，用于實現(xiàn)過壓保護(hù)，進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的安全性能。

優(yōu)選地，還包括一通訊模塊和電源模塊，所述通訊模塊與所述MCU電路連接，所述電源模塊為所述通訊模塊、所述MCU電路、所述BOOST升壓驅(qū)動電路提供電能。由于電源模塊是現(xiàn)有技術(shù)中比較常規(guī)的手段，其體電路結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際的使用情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和設(shè)計，圖5a-5b提供了2種不同的電源模塊的電路圖，當(dāng)然還有其他多種形式的電路結(jié)構(gòu)可供使用，本實施例對此不作限定。

優(yōu)選地，所述通訊模塊為ZigBee通訊模塊，其通過接插件J4與MCU電路實現(xiàn)連接。

優(yōu)選地，MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q12的型號為SUD50N06-09L，MOS管Q6和MOS管Q7的型號均為SUD50P06-15L。

優(yōu)選地，所述蓄能模組為超級電容。

本實用新型主要是針對超級電容模組特性進(jìn)行的研發(fā)，在產(chǎn)品軟件算法上采用新穎的電流擾動MPPT算法以獲取PV面板的最大輸出功率，在硬件設(shè)計上采用大量MOS管替代傳統(tǒng)的肖特基二極管進(jìn)行電流整流和續(xù)流極大的降低了器件損耗，相對于傳統(tǒng)太陽能充電器充電效率得到極大的提升；電源和LED驅(qū)動部分特別針對低壓超級電容組設(shè)計了電路組件，能夠在最低4.5V電壓狀況下輸出20W的驅(qū)動功率。眾所周知，太陽能轉(zhuǎn)換成電能的成本是比較昂貴的，1W光伏面板的成本為12元左右，因此PV面板轉(zhuǎn)換出來的電能是寶貴的。采用傳統(tǒng)方式對其利用率不高，浪費(fèi)了大量的能量。采用MPPT算法實現(xiàn)的太陽能控制器能夠?qū)⑻柲芾寐曙@著提高，而其增加的硬件成本卻遠(yuǎn)低于浪費(fèi)的PV面板成本，因此MPPT控制的意義是很明顯的。

為了提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，就必須使系統(tǒng)保持運(yùn)行在PV面板最大功率點(diǎn)附近。最大功率點(diǎn)的跟蹤控制本質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程，即通過測量電流、電壓和功率，判定出當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，并調(diào)節(jié)工作點(diǎn)電壓(或電流)，使其向峰值功率點(diǎn)靠攏，從而使光伏系統(tǒng)運(yùn)作在峰值功率點(diǎn)附近。常用的MPPT算法有恒壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等。它們的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)如下表1所示。

表1

由于恒壓法精度低，而電導(dǎo)增量法硬件要求高，因此本實用新型采用了擾動觀察法。傳統(tǒng)的擾動觀察法容易產(chǎn)生振蕩與誤判，在傳統(tǒng)的擾動觀察法上改變擾動觀察機(jī)制，從輸入電流電壓采集轉(zhuǎn)換為充電電流擾動、采集；該方法是基于短時間內(nèi)超級電容模組電壓幾乎不變?yōu)榍疤?，充電電流最大時，PV模組輸出功率也最大。因為只需要采集一個電流參數(shù)，軟件采集速度得到提升，可以快速的在一個快速擾動周期采集當(dāng)前值、低一階占空比電流值和高一階占空比電流值三個數(shù)值進(jìn)行比對，快速找到最大功率點(diǎn)；并能有效的應(yīng)對PV模組輸出功率突變。

本實用新型的改進(jìn)點(diǎn)在于：

1.用獨(dú)特的最大功率追蹤(MPPT)方法，在同等光照條件下可從光伏板獲取更多的電能輸出功率。

傳統(tǒng)的太陽能路燈控制器采用串聯(lián)式PWM脈寬調(diào)制方式。該方式的原理是通過調(diào)整電路中MOS管的占空比來調(diào)節(jié)充電電流的大小。該方式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，成本低，但是它存在一些無法克服的缺點(diǎn)：

由于采用串聯(lián)PWM控制方式，PV面板通過雙MOS管直接連接到電池，因此充電紋波電流很大，電池壽命受到影響；

當(dāng)太陽輻照變化劇烈時，太陽能利用率很低。

另外傳統(tǒng)太陽能路燈控制器大多采用電壓擾動法MPPT算法，監(jiān)控控制器輸入功率，進(jìn)而尋找PV面板的MPP，優(yōu)點(diǎn)是能找到PV面板的MPP；缺點(diǎn)是但需要采集輸入電壓和電流兩個參數(shù)，硬件電路和算法相對復(fù)雜，容易產(chǎn)生電流震蕩。

本實用新型經(jīng)過大量的實驗論證，基于在極短時間內(nèi)電池電壓基本不變化的原則，采用獨(dú)特的快速擾動充電電流的方式尋找PV板的MPP。優(yōu)點(diǎn)為：硬件電路簡單，算法簡單，可以使用普通8位單片機(jī)實現(xiàn)MPPT算法，降低了硬件成本和算法復(fù)雜程度，響應(yīng)迅速，充電電流、電壓十分穩(wěn)定。

2.充電回路采用MOS同步整流技術(shù)，相對于傳統(tǒng)肖特基二極管整流技術(shù)，顯著降低器件損耗，實現(xiàn)了電能的高效率轉(zhuǎn)換。

例如在電流為10A時，使用低VF肖特基二極管功率損耗大約為10(A)*0.5(V)＝4W；而采用MOS同步整理時損耗則低于10(A)*0.1(V)＝1W；極大降低了器件損耗。

3.輸入防反接采用MOS管替代傳統(tǒng)大電流肖特基二極管，降低了器件功率損耗。

例如在電流為5A時，使用低VF肖特基二極管功率損耗高達(dá)5(A)*0.5(V)＝2.5W；而采用MOS管功率損耗僅為5(A)*0.1(V)＝0.5W；極大降低了器件損耗。

4.輸出防反接/防倒流電路采用兩顆低RDSON PMOS和若干模擬器件實現(xiàn)，相對于從傳統(tǒng)大電流肖特基二極管，極大降低了器件功率損耗。

例如在電流為10A時，使用低VF肖特基二極管功率損耗高達(dá)10(A)*0.5(V)＝5W，而且還不能防蓄電池電流倒灌；而采用MOS管功率損耗僅為10(A)*0.2(V)＝2W，切能夠做到防止蓄電池電流倒灌。

5.產(chǎn)品整合有BOOST升壓驅(qū)動電路，可支援常見的10-20串80W以內(nèi)LED燈具夜間工作需要。

6.產(chǎn)品電源部分，采用4.5V-75V寬壓電源電路，可以在極寬電壓范圍內(nèi)工作，相對于傳統(tǒng)太陽能充電器，可以支援低壓蓄能模組夜間驅(qū)動LED模組工作。

7.產(chǎn)品整合有Zigbee物聯(lián)網(wǎng)通訊模組，可實現(xiàn)產(chǎn)品的大范圍組網(wǎng)監(jiān)控、參數(shù)修改。

8.產(chǎn)品軟件開放性高，即可實時采集充放電工作參數(shù)，也可以對工作參數(shù)進(jìn)行讀取和再配置，使用非常靈活。

本實用新型可以取得的有益效果在于：

1.充電效率相較傳統(tǒng)太陽能充電器提升30％以上。

2.轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97％以上。

3.支持所有類型的PV面板，如單晶硅、多晶硅、非晶硅等。

4.PV面板輸入電壓范圍廣：9～25V或18～50V。

5.除了支持超級電容模組外，還可編程支持所有類型的蓄電池，如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池等。

6.支持各種電壓型號的電池，如5.4V、8.1V、10.8V、12V、24V、36V、48V等。

7.科學(xué)的電池充電管理方式，可依據(jù)蓄能模組類型，配置為最大功率法、兩階段充電法、三階段充電法、四階段充電法、恒壓、恒流等充電方式。

8.豐富的負(fù)載工作模式：如時控、純光控、光控+時控、手動、調(diào)試模式、長開模式、遠(yuǎn)程實時調(diào)控等。

9.良好的電路保護(hù)功能，包括PV反接保護(hù)、PV過流保護(hù)、電池反接保護(hù)、電池過壓保護(hù)、電池過放保護(hù)、負(fù)載過流保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)等。

10.支持ZigBee物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、控制功能，可實現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程工作狀態(tài)監(jiān)控和參數(shù)配置，使用及其方便。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。