[发明专利]一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置及其控制方法

权利要求书

1.一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置，其特征在于，由磁性接口的太阳能电路集成板、智能充电头两个组成部分，磁性接口的太阳能电路集成板与智能充电头通过具有导电功能的磁性导电接口连接，磁性接口的太阳能电路集成板之间通过磁性导电接口连接；

智能充电头包括MCU控制核心模块、DC/DC模块、电流和电压采集模块和充电接口，所述DC/DC模块的输入端与磁性接口的太阳能电路集成板的电压输出端连接，DC/DC模块的控制端与MCU控制核心模块连接；DC/DC模块通过采集端口经电流和电压采集模块与MCU控制核心模块连接；充电接口与DC/DC模块输出端连接；

磁性接口的太阳能电路集成板，采用多边形的结构，将电子线路、磁性接口和太阳能电池片进行集成，形成磁性接口的太阳能电路集成板，在磁性接口的太阳能电路集成板的每个边上设置两个具有导电功能的磁性接口，其中一个是正极，另一个是负极；磁性接口的太阳能电路集成板每条边都可以作为扩展接口与其它磁性接口的太阳能电路集成板进行连接，实现任意方向的扩展拼接。

2.根据权利要求1所述的一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置，其特征在于：所述智能充电头还包括显示模块，显示模块与MCU控制核心模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置，其特征在于：导电极相同的磁性接口的磁性相同。

4.根据权利要求1所述的一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置，其特征在于：所述充电接口为USB端口。

5.基于权利要求1所述的一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤:

Step1：利用MCU内部和外部的存储空间，存储系统运行过程中的PWM占空比序列、太阳能光伏电池板的电压Vin序列、充电母头的DC/DC模块输出电压U_i序列，构建系统运行的历史数据；

Step2：建立充电母头的DC/DC模块输出电压和PWM占空比和太阳能电池板输出电压Vin的非线性关系模型：

U(D·Vin)＝a₀+a₁(D·Vin)+a₃(D·Vin)²

式中为充电母头的DC/DC模块输出电压，D为占空比，a₀、a₁、a₂为模型方程系数；

Step3：预测计算太阳能电池输出电压Vin(n+1)＝Vin(n)

+[Vin(n)-Vin(n-1)]

其中Vin(n)是n时刻的太阳能电池输出电压，Vin(n-1)是(n-1)时刻的太阳能电池输出电压，Vin(n+1)是(n+1)时刻的太阳能电池输出电压，Vin(n-1)和Vin(n)是历史已知信号，Vin(n+1)是预测出来的(n+1)时刻太阳能电池输出电压；

Step4：通过构建模型和最小二乘法的抛物线拟合方法来求出方程系数a₀、a₁、a₂，从而得出充电母头的DC/DC模块输出电压U_i和(D·Vin)关系；

Step5：经过预测出来的太阳能电池输出电压，可以利用该信号对下一个开关周期的占空比D做超前控制，根据下一个期望的输出电压值U、预测出的太阳能电池板电压Vin，可以提前计算出对应的PWM的占空比D，使电路快速的输出期望的电压值；

Step6：MCU控制内部绘制开关频率f_S和转换效率n的特性曲线η＝F(f_S)的方法来判断最佳的开关频率，利用该方法可以实现开关频率自适应追踪最佳频率来实现高效率转换，完成充电控制。

6.根据权利要求5所述的一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置的控制方法，其特征在于：所述Step4中的构建模型的其矩阵形式表示为，

然后利用历史数据对应的占空比和太阳能电池输出电压的乘积(D·Vin)_i，i＝1,2，…m，以及充电母头的DC/DC模块输出电压U_i,i＝1,2，…m，分别计算：

将以上式子代入①式，三元线性方程组的矩阵形式变为：

。

7.根据权利要求1所述的一种可拼接扩展的太阳能光伏充电装置，其特征在于：所述Step6uti控制过程为，

Step6.1:在电路正常工作的前提下，选择一个固定的步进值Δf，起始开关频率f_Smin，结束开关频率f_Smax，运行时间ΔT，计时时间T_cntmax，扰动电压ΔU，功率阈值ΔP_th。从设定的起始开关频率f_Smin开始进行扫描，进入Step6.2。

Step6.2:将当前开关频率步进增加Δf，则在第n个开关频率f_S(n)＝f_Smin+nΔf，以开关频率f_S(n)运行ΔT的时间待运行稳定后，检测输入电压Vin、电流Iin和输出电压Vout、电流Iout计算出此时该频率对应的效率η(n)＝Vin*Iin/Vout*Iout，并将效率η(n)存入内存数组序列中；

Step6.3:将当前开关频率f_S与结束开关频率f_Smax进行比较，若f_S(n)＜f_Smax，则返回Step6.2继续进行频率扫描。

Step6.4:重复Step6.2-Step6.3的方法直到开关频率f_S(n)≥f_Smax。

Step6.5:对内存数组序列数据η(n)进行分析，以开关频率f_S(n)为横坐标，η(n)为纵坐标，绘制二维平面的效率曲线。

Step6.6:取Step6.5绘制的二维平面的效率曲线的最高点，即可获得最高效率η_max，η_max对应的开关频率f_Sbest即为最佳开关频率，以最佳开关频率f_Sbest作为电路最终选择运行的开关频率；

Step6.7:计时器T_cnt清零，然后开始计时。

Step6.8:对太阳能电池电压进行扰动，将太阳能电池电压即DC/DC模块输入电压Vin增加ΔU，然后检测输入电压Vin、电流Iin，计算输入功率P_pv＝Vin*Iin，接着继续将太阳能电池电压即DC/DC模块输入电压Vin增加ΔU，然后检测输入电压V′in、电流I′in，计算输入功率P′_pv＝V′in*I′in，计算ΔP＝P′_pv-P_pv。

Step6.9:若ΔP＞ΔP_th，则返回Step8，若ΔP＜-ΔP_th，则进入Step6.10，若-ΔP_th＜ΔP＜ΔP_th，则进入Step6.12。

Step6.10:对太阳能电池电压进行扰动，将太阳能电池电压即DC/DC模块输入电压Vin减少ΔU，然后检测输入电压Vin、电流Iin，计算输入功率P_pv＝Vin*Iin，接着继续将太阳能电池电压即DC/DC模块输入电压Vin减少ΔU，然后检测输入电压V′in、电流I′in，计算输入功率P′_pv＝V′in*I′in，计算ΔP＝P′_pv-P_pv。

Step6.11:若ΔP＞ΔP_th，则返回Step6.10，若ΔP＜-ΔP_th，则进入Step6.8，若-ΔP_th＜ΔP＜ΔP_th，则进入Step6.12。

Step6.12:判断T_cnt，若T_cnt≥T_cntmax，则返回Step6.2重新开始寻找最佳开关频率，否则返回Step8重新进行最大功率点追踪，以确保最大功率点的实时性。