太阳能LED路灯的智能设计方案

摘要：  介绍具有MPPT(Maximum Power Point Tacking)最大功率点跟踪和脉宽调制(PWM)的太阳能LED路灯的智能化设计，采用三段式算法去监控蓄电池 剩余荷电容量(SOC)的充电/放电法，在放电过程中象控制器在充电过程中一样，在不同的阶段用不同宽度的PWM信号输出控制，有效避免过充和过放。根据蓄电 池剩余荷电容量(SOC)的数学模型实时检测蓄电池的剩余容量而自动调整LED负载。半导体LED照明与太阳能的有机结合，使太阳能LED路灯更具独特的优势和良好 的应用前景。

关键字：  最大功率点跟踪，  太阳能LED路灯，  

介绍具有MPPT(Maximum Power Point Tacking)最大功率点跟踪和脉宽调制(PWM)的太阳能LED路灯的智能化设计，采用三段式算法去监控蓄电池 剩余荷电容量(SOC)的充电/放电法，在放电过程中象控制器在充电过程中一样，在不同的阶段用不同宽度的PWM信号输出控制，有效避免过充和过放。根据蓄电 池剩余荷电容量(SOC)的数学模型实时检测蓄电池的剩余容量而自动调整LED负载。半导体LED照明与太阳能的有机结合，使太阳能LED路灯更具独特的优势和良好 的应用前景。

0 引言

针对目前的太阳能LED路灯所存在的未能充分利用太阳能电池，对蓄电池的保护不够充分使蓄电池的寿命缩短，光电转换利用率低使得遇连续 阴雨天无法工作而造成整个路灯系统的可靠性差等问题，提出了解决问题 的方法和对策：采用最大功率点跟踪(MPPT)算法提升了太阳能电池板的 光电转换效率;采用具有MPPT的脉宽调制三段式监控法去监控蓄电池剩余 荷电容量(SOC)的充电/放电算法，有效避免了过充和过放，延长了蓄电池 的使用寿命。太阳能LED路灯与传统灯具相比有许多优点，但是价格昂贵 使其成为推广应用的瓶颈，因此如何降低太阳能LED路灯的成本是一个重 要的课题。如果可以分时、分压进行控制，根据夜晚不同时间段，人们对 照度的不同要求，控制太阳能LED路灯的输入功率，以及根据太阳能电池 白天吸收能量的大小，控制太阳能LED路灯的输出功率，根据蓄电池剩余 荷电容量(SOC)的数学模型实时检测蓄电池的剩余容量而自动调整LED负 载，根据SOC以及照明的需求对于LED进行调光控制可以进一步达到节能的 效果。达到用最小成本设计出能够满足最恶劣气象条件下人们对太阳能 LED路灯的最基本要求，即可解决上述问题。完成了硬件电路设计、算法 研究和软件控制，实现了对蓄电池的科学管理。

1 基于STC12C5412AD单片机的硬件设计总体方案

太阳能LED路灯照明控制系统在控制器的作用下，太阳能电池板向蓄 电池充电，晚上蓄电池提供电力给负载LED灯具。控制器能够在任何条件 下(阳光充足或长期阴雨天)确保蓄电池不因过充或过放而被损坏，最大程 度的利用太阳能。硬件电路主要由微处理器、主电路、辅助电路、信号处 理及AD采样电路、人机接口电路等部分组成。本系统微处理器采用深圳宏晶公司STC系列单片机STC12C5412AD作为核心控制芯片，负责对信息的采 集和充放电的控制，整个系统的结构如图1所示。

辅助电路：主要包括电源电路、复位电路和晶振电路。是单片机最小 系统能够运行的必要条件。

微处理器：负责整个系统的协调控制，包括最大功率充电控制、 LED灯具脉冲放电控制、响应用户操作和系统保护;

信号处理及AD采样电路：负责将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号等调制后转换为数字信号送 入微处理器;

主电路：由分时复用的Buck-Boost双向DC-DC变换器、功率管的驱动 电路和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和LED灯具的放电;

人机接口电路：作为控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息。

2 算法研究

2.1 太阳能电池最大功率点跟踪算法设计

通过对太阳能电池输出特性的深入研究，设计出一种跟踪快速、实现 简单的最大功率点跟踪算法增量电导法。

太阳能电池板是光能转换成电能的枢纽，因太阳能电池板在系统中属 于造价占80%的部件，它的转换效率直接决定整个光伏系统对太阳光能的 利用率。太阳能电池的转换效率很低，价格昂贵，初期投入大，在太阳能 电池价格居高不下的情况下，提高太阳能电池的利用率就成了一种最有效 的方法，太阳能电池输出能力控制是最重要的课题。因此有必要采用最大 功率点跟踪控制来提高光伏系统的效率。最大功率点跟踪(MPPT)研究的 目的是使太阳能电池尽可能多的输出电能，从而保证太阳能LED路灯系统 负载的工作时间及照明效果，真正做到充分利用太阳能。

太阳能电池的电压与电流是非线性的关系，在不同的日照强度、温 度、及组件老化等因素影响下，太阳能电池的输出功率受到很大影响。但 在不同条件下的工作曲线，均只有一个最大功率点，如图2所示。太阳能 电池表面温度、日照强度等因素因地而异，有时甚至瞬息万变，给最大功 率点跟踪造成了一定困难。在特定的温度和光照条件下，输出能否工作在 最大功率点取决于组件所带的负载大小。太阳能电池阵列带不同电阻负载 时工作点不同，根据线性电源的原理，当负载等效电阻与电源的等效内阻 相等时，电源输出功率达到最大值。虽然太阳能电池和控制器中的DCDC变换电路组成的电源具有非线性，但在极短的时间内可以认为是线性 的。因而通过调节DC-DC变换电路的脉宽调制(PWM)控制信号的占空比， 使负载的等效电阻与太阳能电池的等效内阻相等，即可使太阳能电池的输 出功率达到最大。

本文中我们采用增量电导法来实现太阳能电池的最大功率点跟踪控 制。增量电导法是根据太阳能电池的功率对电压的变化率与输出电压、电 流之间的关系来实现最大功率点追踪。太阳能电池输出功率与电压的数值 关系在整个工作区间内为一单峰函数，最大功率点处的斜率为0，即：

I/U为电导，dI/dU为电导变化率，则要使输出功率最大，必须使阵 列的电导变化率等于负的电导值。这种方法是通过比较输出电导的变化量 和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分析：

1)假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的左侧时，此时 有dP/dU>0即dI/dU>-I/U，说明参考电压应向着增大的方向变化。

2)同理，假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的右侧 时，此时有dP/dU<0，即dI/dU<-I/U，说明参考电压应向着减小的方向变 化。

3)假设当前太阳能电池的工作点位于最大功率点处(附近)，此时 将有dP/dU=0，此时参考电压将保持不变，即太阳能电池已工作在最大功率点上。

增量电导法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信 号。这种控制算法需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。算法控制精 确，响应速度快，适用于大气条件变化快的场合。最大的优点是在光照强 度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态 的振荡也比其他观测法小。具有算法稳定性高，振荡小的优点。增量电导 法流程图如图3所示：

2.2 蓄电池充电算法设计

结合太阳能电池输出最大功率点跟踪算法及蓄电池充电特性，设计出 了脉宽调制“三段式”充电算法，同时兼有温度补偿功能。此算法既能保 证充电效率，又能实现对蓄电池进行必要的保护。

第一阶段(25%

第二阶段(40%

第三阶段(SOC>95% )浮充充电：浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电 池的放电电流，又不能太大，以免影响蓄电池的寿命。由于蓄电池特性受 温度影响，在温差较大的地区，还应该进行适当的温度补偿。直到设定的过充阈值14.4V，进行过充保护。

2.3 蓄电池剩余容量(SOC)控制算法

蓄电池SOC控制法指的是蓄电池在使用过程中，系统始终在线检测蓄 电池的容量，当容量处于不同的程度时系统对其采取不同的措施，负载的 大小自动适应SOC的状态，在此通过参考文献(由于篇幅有限，在此选用成 熟的SOC数学模型)得出如下蓄电池剩余容量(SOC)放电和充电过程的数 学模型。

式中：a由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.10.2;

b-电化学极化项常数，0.1-0.15;

c-内阻极化项常数，0.08-0.15;

D-由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1-0.2;

e-电化学极化项常数，0.2-0.25;

f-内阻极化项常数，0.15-0.25;

SOC-蓄电池的荷电状态或蓄电池在任意时刻的容量，为了区别于蓄电 池的额定容量，本文称它为蓄电池的剩余容量。SOC用百分比表示(0～ 100%)。

DOD-蓄电池的放电深度，用百分比表示(0～100%)，DOD=l-SOC。

有了这样的通用性强的，能够反映各个物理化学参数连续变化对蓄电 池荷电状态影响的数学模型，就可以很方便地在线测量蓄电池。在放电 /驱动阶段，测量蓄电池电压，根据数学模型计算出蓄电池剩余荷电容量 (SOC)，计算各区间([80%， 100%]， [60%， 80%]， [40%， 60%]中驱 动并调节LED照明亮度的脉宽信号(PWM)的对应键值，当SOC处于40%以下时 候，应该做特殊处理，以最低亮度标准运行，并且一定要在过放之前切断 负载供电，在设计中，我们一般在剩余荷电容量(SOC)为25%时候就切断电 源，可完全避免过放。

2.4 本文所用综合算法 结合最大功率点跟踪算法、温度补偿、蓄电池充放电保护策略，本课 题设计的综合程序流程图如图4所示。

3 主电路设计

主电路模拟蓄电池化学反应过程，利用PWM方式调制蓄电池充电， STC12C5412AD单片机以前后间歇10-50ms、脉宽为1-5 ms正负脉冲PWM方式输出脉冲，目的是提供能够缩短蓄电池充电时间的脉充信号。利用蓄电池 充电时间和LED灯具供电时间的交错，分时复用同一个Buck-Boost双向DCDC变换器，同时实现太阳能电池板的最大功率输出和LED灯具的脉冲式供电，另外，该控制器可以根据蓄电池剩余容量和用户设定，自动调整 LED发光亮度，实现系统的高效运行，具体电路如图5所示：

具有如下功能：

1)采用DC-DC变换器改变太阳能电池板端电压，对蓄电池进行具有 MPPT和脉宽调制的“三段式”充电，可以提高太阳能电池板的利用率和蓄 电池的充电效率，从而延长了太阳能LED路灯的供电时间。

2)采用脉冲方式对太阳能LED路灯供电，可以在保持其亮度的基础 上，降低其损耗，达到节能的目的;根据蓄电池剩余容量和用户设定，动 态调整LED灯具的亮度，可以延长蓄电池的供电时间，有效地保护蓄电 池。

3)分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器，实现太阳能LED路 灯的充放电管理，提高了系统效率，减少了硬件成本。

4 软件实现

系统初始化后，系统首先从EEPROM数据存储区提取各个模块工作参 数，使各个功能模块进入工作模式[4]。然后系统对太阳能电池电压、蓄 电池电压进行检测，根据两者电压值做出充电模式的判断。系统便进入充 放电自动控制模式，同时系统开放所有功能中断，方便各种键盘操作能及 时对工作状态进行修正。系统总体流程图，如图6所示。

5 结论

太阳能LED路灯设计的核心是太阳能电池最大功率点跟踪算法和蓄电 池的智能充电算法的研究。只有高效、快速、准确的充电算法作为保证， 安全的蓄电池剩余容量在线检测和放电算法为基础，才能使控制器具备稳 定、准确、快速的工作特性。太阳能LED路灯进行智能设计工作是很有意 义的，它不但降低了太阳能路灯系统成本，而且提高了系统的可靠性。