NL8702353A

NL8702353A - Monitoring and switching circuit for solar powered supply - controls charging and discharging of internal battery via power MOSFET

Info

Publication number: NL8702353A
Application number: NL8702353A
Authority: NL
Original assignee: R & S Renewable Energy Systems
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1987-10-02
Publication date: 1989-05-01

Abstract

The solar panel output can be connected to the load directly as well as the battery or can be used to charge the battery during off-load periods. The panel output can also be totally disconnected when battery discharge is required. The present application concerns the load voltage monitoring and switching circuit. The battery terminals (W1,W2) are connected to the circuit load (RL) via a power MOSFET (T1). The load voltage (VD) is fed to one input of a differential amplifier (A1), the other input being fed by a reference voltage (K). The difference voltage (VA) is fed to the external control circuit and the resultant control signal (Z) is fed to the MOSFET gate via a blocking diode (D1).

Description

* - 1 - T 5861 NET Kk* - 1 - T 5861 NET Kk

ACCUBEWAKING BIJ FOTO-VOLTAISCHE ZONNE-ENERGIESYSTEMENBATTERY MONITORING FOR PHOTO-VOLTAIC SOLAR ENERGY SYSTEMS

De uitvinding heeft betrekking op een accubewaking bij foto-voltaische zonne-energiesystemen.The invention relates to battery monitoring in photovoltaic solar energy systems.

Dergelijke systemen berusten op het algemeen bekende foto-voltaische principe waarbij licht (bijvoorbeeld zonlicht) dat valt 5 op een klein dun schijfje halfgeleider materiaal (bijvoorbeeld silicium) een electrische spanning opwekt.Such systems are based on the well known photovoltaic principle whereby light (for example sunlight) falling on a small thin disc of semiconductor material (for example silicon) generates an electric voltage.

Op deze wijze kan lichtenergie direct worden omgezet in electrisch energie zonder dat er behoefte bestaat aan bewegende delen.In this way, light energy can be directly converted into electrical energy without the need for moving parts.

10 Foto-voltaische zonne-energie kan gebruikt worden in combina tie met accu's. De accu's worden bij een dergelijke toepassing regelmatig geladen en ontladen.10 Photovoltaic solar energy can be used in combination with batteries. The batteries are regularly charged and discharged in such an application.

Terwille van de levensduur van de accu wordt zowel het laad-als het ontlaadproces bewaakt door een electronische regelaar, 15 bestaande uit een over- en onderlaadregelaar. De onderlaadregelaar schakelt de stroomtoevoer naar de op de accu aangesloten verbruikers af als de ladingstoestand van de accu beneden een bepaald niveau komt, terwijl de overlaadregelaar voorkomt dat de accu bij het laadproces wordt overladen. Bij dergelijke 20 beveiligingen is het wenselijk dat in het onderlaadbeveiligingscircuit de volgende functies zijn verenigd: la) Kortsluit- en overbelastingsbeveiliging: als de accu ontlaad-stroom een. vooraf ingestelde waarde overschrijdt, wordt de stroomtoevoer onderbroken.For the life of the battery, both the charging and discharging process is monitored by an electronic controller, consisting of an over- and under-charge controller. The under-charge controller cuts the power to the consumers connected to the battery when the battery charge level falls below a certain level, while the over-charge controller prevents the battery from being overcharged during the charging process. With such protections, it is desirable that the following functions are combined in the undercharge protection circuit: la) Short-circuit and overload protection: if the battery discharges current a. exceeds the preset value, the power supply is interrupted.

25 lb) Temperatuur afhankelijke stroombegrenzing: de maximum ontlaad- stroom is afhankelijk van de temperatuur, hoe hoger de temperatuur, hoe lager de maximale stroom.25 lb) Temperature dependent current limitation: the maximum discharge current depends on the temperature, the higher the temperature, the lower the maximum current.

2) Schakelelement: een stuursignaal van de regelaar kan de verbruikers uitschakelen.2) Switching element: a control signal from the controller can switch off the consumers.

87023538702353

*'J* 'J

- 2 - 3) Communicatie: parallel schakelen van gelijksoortige circuits is mogelijk zonder dat extra communicatie verbindingen t.b.v. gelijktijdig schakelen nodig zijn.- 2 - 3) Communication: parallel switching of similar circuits is possible without the need for additional communication connections for simultaneous switching.

4) Geheugen: als een van bovengenoemde functies een schakelactie 5 veroorzaakt, wordt de schakelactie onthouden.4) Memory: If any of the above functions cause a switching action 5, the switching action will be remembered.

Bij gebruikelijke ontwerpen die bovengenoemde functies verrichten, wordt voor elke functie een aparte deelschakeling gebruikt.In conventional designs that perform the above functions, a separate partial circuit is used for each function.

Het is nu een doel van de uitvinding om een schakeling van een 10 onderlaadbeveiliging in foto-voltaische zonne-energiesystemen te verschaffen waarbij alle functies door één circuit worden verricht.It is now an object of the invention to provide a circuit of a undercharge protection in photovoltaic solar systems in which all functions are performed by one circuit.

De uitvinding voorziet derhalve in een fotovoltaisch zonne-energiesysteem voorzien van tenminste een zonnepaneel, tenminste een accu, aansluitingen voor een of meer verbruikers, een electro-15 nische regelaar voor het bewaken van het laad- en ontlaadproces van de accu, met het kenmerk dat de regelaar bestaat uit een circuit dat bevat: middelen voor het onderbreken van de stroomtoevoer als de accu-ontlaadstroom een vooraf ingestelde waarde overschrijdt; middelen voor temperatuur-afhankelijke stroombegrenzing; middelen 20 voor het uitschakelen van de verbruiker(s); middelen voor het parallel schakelen van gelijksoortige circuits; en middelen voor het onthouden van een schakelactie.The invention therefore provides a photovoltaic solar energy system comprising at least one solar panel, at least one battery, connections for one or more consumers, an electronic controller for monitoring the charging and discharging process of the battery, characterized in that the controller consists of a circuit containing: means for interrupting the power supply if the battery discharge current exceeds a preset value; temperature-dependent current limiting means; means 20 for shutting down the consumer (s); means for connecting similar circuits in parallel; and means for remembering a switching action.

De uitvinding zal nu aan de hand van de tekeningen en de beschrijving in het volgende nader worden toegelicht.The invention will now be explained in more detail below with reference to the drawings and the description.

25 Fig. 1 geeft schematisch weer het principe van een foto voltaisch acculaad systeem; en Fig. 2 geeft schematisch weer de schakeling volgens de uitvinding.FIG. 1 schematically illustrates the principle of a photovoltaic battery charging system; and FIG. 2 schematically shows the circuit according to the invention.

Met verwijzing naar fig. 1, is een zonnepaneel 1 enerzijds verbonden met de positieve pool van een accu 2, en anderzijds met 30 de negatieve pool van deze accu. Op de accu 2 zijn een of meer verbruikers 3 aangesloten. Voorts is een regelaar 4 aanwezig, die op daartoe geschikte plaatsen de verbinding kan onderbreken. De regelaar 4 bestaat uit een over- en onderlaadregelaar en bewaakt de ladingstoestand van de accu 1.With reference to Fig. 1, a solar panel 1 is connected on the one hand to the positive pole of a battery 2, and on the other hand to the negative pole of this battery. One or more consumers 3 are connected to battery 2. A regulator 4 is also present which can interrupt the connection at suitable places. The controller 4 consists of an over- and under-charge controller and monitors the state of charge of the battery 1.

8702353 > - 3 -8702353> - 3 -

Fig. 2 toont nu de schakeling volgens de uitvinding, die deel uitmaakt van de onderlaadregeling van de regelaar 4. Een eerste aansluiting D van een schakelelement is verbonden met een negatieve aansluiting voor de verbruiker (die schematisch 5 weergegeven is als belasting RL). De negatieve accupool is verbonden met een tweede aansluiting S van het schakelelement dat behalve als schakelaar ook dienst doet als meetopnemer voor stroomsterkte en temperatuur, en onderdeel is van de geheugenfunctie .Fig. 2 now shows the circuit according to the invention, which forms part of the underload control of the controller 4. A first connection D of a switching element is connected to a negative connection for the consumer (which is schematically shown as load RL). The negative battery terminal is connected to a second connection S of the switching element which, in addition to being a switch, also serves as a measuring sensor for current and temperature, and is part of the memory function.

10 Aan een derde aansluiting G van het schakelelement kan een stuursignaal worden toegevoerd via de aansluiting Z en een diode D^. De positieve accupool is verbonden met een positieve aansluiting voor de verbruiker RL.A control signal can be applied to a third terminal G of the switching element via the terminal Z and a diode D ^. The positive battery terminal is connected to a positive terminal for the consumer RL.

De negatieve verbruikersaansluiting is voorts verbonden met 15 een ingang van een differentiel-versterker waarvan eveneens een ingang is verbonden met een aansluitpunt K van de regelaar.The negative consumer terminal is further connected to an input of a differential amplifier, an input of which is also connected to a terminal K of the controller.

Aan deze aansluiting kan een referentiespanning worden aangelegd. De uitgang van A^ is verbonden via een weerstand R^ met de derde aansluiting van het schakelelement T^.A reference voltage can be applied to this connection. The output of A ^ is connected via a resistor R ^ to the third terminal of the switching element T ^.

20 In een voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding bestaat het schakelelement uit een "power MOSFET". In dat geval worden de eerste, tweede en derde aansluiting van het schakelelement gevormd door respectievelijk de "drain", "source” en "gate" van de "power MOSFET".In an advantageous embodiment of the invention, the switching element consists of a "power MOSFET". In that case, the first, second and third terminals of the switching element are formed by the "drain", "source" and "gate" of the "power MOSFET", respectively.

25 De werking van de schakeling is als volgt:25 The circuit operates as follows:

In de normale toestand is opengestuurd: «'V^ > 4V.In the normal state open: «'V ^> 4V.

gedraagt zich dan als een weerstand ter grootte van bijvoorbeeld 0,1 ohm. De weerstand wordt groter bij toenemende temperatuur. Spanning is recht evenredig met de (verbruikers-)stroom 1^ en 30 enigszins afhankelijk van de temperatuur. Deze spanning wordt m.b.v. A^ vergeleken met referentie spanning zodra VD > Vrefthen behaves like a resistor of, for example, 0.1 ohm. The resistance increases with increasing temperature. Voltage is directly proportional to the (consumer) current 1 ^ and 30 somewhat depending on the temperature. This voltage is measured with A ^ compared to reference voltage as soon as VD> Vref

(ID=IDmax) wordt uitgeschakeld (overbelasting en kortsluitbe-veiliging). Stroom Ιβ wordt 0 A maar omdat in praktische situaties de "uit" weerstand van T. veel groter is dan RT, geldt: V_« V(ID = IDmax) is switched off (overload and short-circuit protection). Current wordtβ becomes 0 A but because in practical situations the "off" resistance of T. is much greater than RT, the following applies: V_ «V

J- L U SCCUJ- L U SCCU

8702353 - 4 -8702353 - 4 -

' A' A

> V ^ zodat de uittoestand van gehandhaafd blijft (geheugen functie).> V ^ so that the off state of is maintained (memory function).

Uitgaande van de normale toestand (T^ is "aan") kan, als 1^ < I χΙ ket zelfde bereikt worden door het stuursignaal (afkomstig 5 van de regelaar) al dan niet kortstondig 0 V te maken (schakel functie t.b.v. onderlaadbeveiliging).Assuming the normal state (T ^ is "on"), if 1 ^ <I χΙ the same can be achieved by making the control signal (5 from the controller) 0 V for a short period of time (switch function for underload protection).

Bij het parallel schakelen van gelijksoortige circuits zullen bij het uitschakelen van één of meer van de circuits de overige circuits ook uitschakelen als de gevraagde verbruiksstroom niet 10 meer door die circuits kan worden gebracht (communicatie).When paralleling similar circuits, when one or more of the circuits are switched off, the other circuits will also switch off if the requested consumption current can no longer be passed through those circuits (communication).

87023538702353

Claims

Photovoltaic solar energy system provided with at least one solar panel, at least one battery, connections of one or more consumers, an electronic controller for monitoring the charging and discharging process of the battery, characterized in that the controller 5 consists of a circuit it includes: means for interrupting the power supply when the battery discharge current exceeds a preset value; temperature-dependent current limiting means; means for switching off the consumer (s); means for connecting 10 like circuits in parallel; and means of remembering a switching action.

System according to claim 1, characterized in that the circuit of the controller consists of a switching element, a first connection of which is connected to a negative consumer connection, and a second connection of which is connected to the negative pole of the battery, while the negative consumer connection is further connected to an input of a differential amplifier, the other input of which is connected to a reference connection of the controller, and the output of which is connected to a third connection of the switching element, and that this third connection of the switching element is connected to a control signal connection of the controller, and that a positive consumer connection is connected to the positive pole of the battery.

System according to claim 2, characterized in that the switching element is a "power MOSFET" and in that the first, second and third connection of the switching element are formed by the "drain", "source" and "gate" respectively of the "power MOSFET". T2 / T5861NET.txt 8702353