太陽能LED照明系統(tǒng)充電控制器設(shè)計

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（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院 自動控制系，江蘇 蘇州 215137；2.華中科技大學 控制科學與工程系，湖北 武漢 430074）

太陽能LED照明系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、LED照明設(shè)備、充電電路、LED驅(qū)動電路、控制器組成。太陽能電池板是整個系統(tǒng)最昂貴的部件，為有效利用太陽能，需要對系統(tǒng)進行最大功率點跟蹤；蓄電池是整個系統(tǒng)最脆弱的部件，為延長蓄電池的使用壽命，需要根據(jù)蓄電池特性對蓄電池進行充電和放電；蓄電池輸出需要采用一定的驅(qū)動電路才能保證LED照明設(shè)備可靠穩(wěn)定地工作；以上所有控制功能均由控制器實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)組成及特性分析

太陽能LED照明系統(tǒng)主要由太陽能電池板、DC－DC變換電路、蓄電池、LED驅(qū)動電路、LED光源、控制器等組成。

1.1 太陽能電池特性

太陽能電池無需外加電壓，可以直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并驅(qū)動負載工作，太陽能電池的工作機理是光生伏特效應，即吸收光輻射而產(chǎn)生電動勢。根據(jù)太陽能電池的工作原理，以及影響太陽能電池工作效能的因素，可以用下面的數(shù)學方程來表示太陽能電池的輸出電流與輸出電壓的關(guān)系：

式中：I為太陽能電池板的輸出電流，A；V為太陽能電池板的輸出電壓，V；q為一個電子所含的電荷量，1.6×10－19C；K為波爾茲曼常數(shù)，1.38×10－23J／K；T為太陽能電池板表面溫度，K；n為太陽能電池板的理想因數(shù)，n＝1～5；I0為太陽能電池板的逆向飽和電流。

在Matlab中建立太陽能電池數(shù)學模型［1］，寫成嵌入函數(shù)的形式，并根據(jù)數(shù)學模型，繪制不同輻照度和不同溫度條件下的I－V如圖1所示，P－V曲線如圖2所示。

圖1 太陽能電池I－V特性曲線Fig.1 I－Vcharacteristic curves of Solar cells

圖2 太陽能電池P－V特性曲線Fig.2 P－Vcharacteristic curves of solar cells

由圖1和圖2特性曲線可以看出輻照度主要影響太陽能電池的短路電流，溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，特定光照和溫度條件下太陽能電池供電系統(tǒng)存在單峰值最大功率點，這為我們進行最大功率點跟蹤找到了理論依據(jù)。

1.2 DC－DC變換電路

常見的DC－DC變換電路主要有Buck電路（降壓型）、Boost電路（升壓型）、Cuk電路（升降壓型）。太陽能LED照明系統(tǒng)由于受日照強度及環(huán)境溫度變化的影響，其電壓（電流）變化很大。為了在負載變化較大時系統(tǒng)有較大的靈活性和較高的轉(zhuǎn)換效率，本系統(tǒng)的主電路選用Cuk電路［2］，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Cuk電路原理圖Fig.3 Cuk circuit schematic

Cuk斬波電路輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，脈動很小，且Cuk斬波電路能量的儲存和傳遞同時在2次開關(guān)動作期間和2個回路中進行，這種對稱性使變換器效率很高。當開關(guān)管Q1處于通態(tài)時，Vin－L1－Q1回路和Vo－L2－C1－Q1回路分別流過電流；當開關(guān)管Q1處于斷態(tài)時，Vin－L1－C1－D1回路和Vo－L2－D1回路分別流過電流。Cuk電路輸入、輸出電壓關(guān)系為

由于Cuk變換器的負載為蓄電池，Vo的值將被鉗位于蓄電池兩端的電壓。則Vin由Q1的占空比D確定，調(diào)節(jié)D就能找到太陽能電池最大功率點的電壓值Vm和電流值Im，此時太陽能電池以最大功率對蓄電池進行充電。

1.3 蓄電池

蓄電池作為太陽能LED照明系統(tǒng)的儲能元件，白天蓄電池將太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學能儲存起來，到夜晚時，控制器啟動LED驅(qū)動電路，LED光源開始照明，蓄電池釋放電能。一天中，控制器的電源一直由蓄電池供給。目前光伏系統(tǒng)多采用閥控密封式鉛酸（valve regulated lead acid battery，VRLA）蓄電池，VRLA蓄電池采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長，正常運行時毋需對電解液進行檢測和調(diào)酸加水，又稱為“免維護”蓄電池。

2 充電算法及實現(xiàn)

2.1 充電控制算法

對于一個蓄電池，選擇適當?shù)某潆姺椒?，不僅可提高充電效率，而且能夠延長蓄電池的使用壽命。其中最理想的充電方式為3段式充電法，即恒流，恒壓，浮充3個階段充電［3］。

第1階段恒流充電：在此階段，充電電路的輸出等效于電流源。蓄電池的充電電流通常由蓄電池的總?cè)萘看_定，為蓄電池最大可接受電流Imax。充電過程中，通過實時監(jiān)控蓄電池電壓，當蓄電池荷電狀態(tài)到達相應狀態(tài)后，充電進程進入恒壓充電階段。第2階段恒壓充電：在恒壓階段，充電電路對蓄電池提供一個較高電壓，同時檢測充電電流，該電壓對應于蓄電池充滿時對應的端電壓值。當充電電流降到低于閾值電流IC時，可以認為蓄電池電量已充滿，充電狀態(tài)進入下一階段。第3階段浮充：在浮充階段，電路給蓄電池提供一個精確的、帶溫度補償功能的浮充電壓，以補償蓄電池自放電的損失。浮充電壓VF計算如下：

式中：VF0，T0分別為基準點的電壓和溫度值；C為電壓溫度系數(shù)。

3段式充電法與蓄電池本身特性最為匹配，更有利于延長蓄電池使用壽命，成為以市電充電中應用最廣泛的方法。若將3段式充電法直接應用于太陽能照明系統(tǒng)，最大問題是無法實現(xiàn)最大效率利用太陽能電池板的輸出；蓄電池的最大可接收電流Imax一般很大，第1階段的恒流充電亦無法實現(xiàn)。蓄電池智能充電策略必須最大限度提升太陽能電池板功率輸出，同時最大程度延長蓄電池使用壽命。論文借鑒上述3段式充電法，同時結(jié)合光伏系統(tǒng)實際情況，給出一種有效的充電方法［4］。

對于太陽能LED照明系統(tǒng)來說，晚上蓄電池對照明燈供電，并且控制電路始終由蓄電池供電，因而當檢測到太陽能電池滿足供電條件，DC－DC轉(zhuǎn)換電路開始工作時，蓄電池總為非滿狀態(tài)，此時蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限UM（U＜UM），此時實施最大功率充電（MPPT）；當檢測U＝UM時，如果此時的I＞IC，則對蓄電池進行恒壓充電（CV）；若I＜IC，則轉(zhuǎn)換為浮充充電（VF）。總之，采用何種充電方式是由蓄電池的充電條件和當前狀態(tài)決定的，蓄電池的充電控制流程如圖4所示，其中MPPT算法采用了擾動觀察法。

圖4 蓄電池充電控制流程圖Fig.4 Battery charging control flow chart

2.2 充電算法實現(xiàn)

2.2.1 MPPT充電實現(xiàn)

光伏系統(tǒng)MPPT算法主要有固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。固定電壓簡單但跟蹤效果較差，已較少使用；模糊控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法跟蹤效果較好，但實現(xiàn)困難。擾動觀察法和電導增量法均屬于自尋優(yōu)算法，擾動觀察法雖性能稍差于電導增量法，但其簡單、容易實現(xiàn)、對硬件要求低，且太陽能LED系統(tǒng)對MPPT性能要求不高。綜合以上因素選擇擾動觀察法作為太陽能LED照明系統(tǒng)MPPT算法。

擾動觀察法（perturbation and observation）原理是每隔一定的時間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，這一過程稱為“干擾”，并觀測之后其輸出功率變化方向，若ΔP＞0，說明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向“干擾”；若ΔP＜0，說明參考電壓調(diào)整的方向錯誤，需要改變“干擾”的方向。其跟蹤流程如圖5所示。

圖5 擾動觀察法流程圖Fig.5 Perturbation ＆ observation algorithm flow chart

2.2.2 恒壓、浮充實現(xiàn)

由2.1分析可知恒壓充電和浮充充電均向蓄電池提供一個固定電壓值，有2種實現(xiàn)方法，一是，如果系統(tǒng)精度要求不高，只要向Cuk電路提供一個固定的占空比即可，二是，如果系統(tǒng)精度要求很高，可以采用反饋方式來實現(xiàn)，即檢測實際輸出電壓值與給定值進行比較，再通過程序調(diào)整占空比使輸出電壓穩(wěn)定為某一具體數(shù)值。為降低系統(tǒng)的復雜度，提高可靠性，本系統(tǒng)選擇第1種實現(xiàn)方法。

3 實驗調(diào)試

3.1 系統(tǒng)容量確定

系統(tǒng)各部分容量選取配合是系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵，需要綜合考慮成本、效率和可靠性，并留有一定的裕量。

3.1.1 太陽能電池型號

太陽能電池選擇Solarex MSx60 60W電池板，在標準測試條件下，即光強1 000W／m2，溫度為25℃，其參數(shù)：最大功率Pm＝59.9W，峰值工作電流Im＝3.5A，峰值工作電壓Vm＝17.1V，短路電流Isc＝3.74A，開路電壓Uoc＝21.0V。

3.1.2 LED光源類型

太陽能LED照明系統(tǒng)光源為高性價比的1W白光LED 36只，采用6串6并混連方式進行連接，恒流方式進行驅(qū)動［5］。

3.1.3 蓄電池容量

本設(shè)計采用閥控密封式鉛酸蓄電池（VR－LA）。設(shè)計容量越大，工作越處于淺循環(huán)，壽命越長，但成本也相對較高，實際安裝時酌情選擇。蓄電池容量計算如下所示［6］：

式中：Bc為蓄電池容量；A為安全系數(shù)，一般為1.1～1.4；Q1為日耗電量，即工作電流乘以日工作小時數(shù)；T0為溫度系數(shù)，一般0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；Cc為放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。

此處蓄電池額定電壓為12V，設(shè)計容量當連續(xù)5天陰雨仍可工作，考慮到上一次放電后夜間未能充電，所以N1＝6，計算如下式：

因此取300A·h。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

使用3.1計算參數(shù)配置構(gòu)建實驗系統(tǒng)，以太陽光照較強的一整天為測試對象，對實驗數(shù)據(jù)進行記錄。早上8∶30之前一般為系統(tǒng)啟動階段，晚上6∶00以后因光線不足系統(tǒng)將停止充電，所以系統(tǒng)著重研究8∶30～17∶30時的實驗數(shù)據(jù)。表1為充電控制器實測數(shù)據(jù)，表1中列出整點時刻數(shù)據(jù)，實為一段時間內(nèi)的平均值，蓄電池的初始荷電狀態(tài)（SOC）為70%。由表1可以看出，充電控制器能夠依照圖4給出的控制流程根據(jù)蓄電池所處工作狀態(tài)在MPPT充電，恒壓充電，浮充3種工作方式之間切換。既充分利用了太陽能，又有利于延長蓄電池使用壽命。

表1 充電控制器實測數(shù)據(jù)Tab.1 The measured data of charge controller

采用MPPT算法充電可以提高太陽能電池的利用率，MPPT充電算法和恒壓充電算法數(shù)據(jù)對比如表2所示。由于蓄電池兩端電壓基本相同，所以表2只列出兩種算法充電電流。數(shù)據(jù)顯示采用MPPT算法充電較采用恒壓充電太陽能電池的利用率平均提高了15.96%。

表2 MPPT算法與恒壓算法充電電流對比Tab.2 Compare of charging current between MPPT and constant voltage

實驗表明，作者所設(shè)計的充電控制器能夠根據(jù)蓄電池所處的工作狀態(tài)進行充電算法的切換，當蓄電池剩余電量不足時采用MPPT算法充電，以充分利用太陽能，當蓄電池快充滿時采用恒壓充電以保護蓄電池，當蓄電池已充滿時采用浮充維持其電量。通過對比MPPT算法和恒壓算法充電電流，發(fā)現(xiàn)采用MPPT算法太陽能電池的利用率有較大幅度的提高。

4 結(jié)論

論文首先介紹太陽能LED照明系統(tǒng)主要組成部分，并對其進行特性分析，可知太陽能LED照明系統(tǒng)充電控制電路設(shè)計既要充分利用太陽能，又要滿足蓄電池充電特性。隨后論文給出一種充電控制方案，即當端電壓較低時采用MPPT算法充電；當端壓電壓上升一定數(shù)值之后且充電電流較大時采用恒壓充電；當充電電流下降到某一閾值時采用浮充方式。最后根據(jù)太陽能電池板和LED負載容量，計算確定蓄電池容量，構(gòu)建實驗系統(tǒng)，測試表明，控制器可以根據(jù)蓄電池狀態(tài)準確地在MPPT、恒壓、浮充算法之間切換，對比MPPT充電和恒壓充電其充電效率提高約16%?？傊?，該控制器既實現(xiàn)了太陽能的有效利用，又延長了蓄電池的使用壽命。

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