基于Buck/Boost太陽能LED路燈控制器

德州學(xué)院機電工程學(xué)院 曲帥帥 王志坤

1.系統(tǒng)簡介

本作品的最大特點在于提高了太陽能電池板的光伏利用效率，最大限度的降低了控制電路本身的功耗，具有良好的實用性和較高的技術(shù)含量。系統(tǒng)采用了一種自適應(yīng)性算法的MPP最大功率追蹤控制法，實現(xiàn)了在同樣光照條件下太陽能電池發(fā)電量最大化的控制，設(shè)計了電池板智能追光與自動清潔板面的機械結(jié)構(gòu)，使各個時間段的光線與電池板都能保持最佳角度，做到了強光時降壓防過充、弱光時升壓繼續(xù)充的全功能充電控制，使相對昂貴的太陽能電池得到了最大限度的利用。采用了蓄電池剩余容量(SOC)控制法的最新技術(shù)，從而使蓄電池不會發(fā)生過充、過放現(xiàn)象，延長了蓄電池的使用壽命，提高了太陽能路燈系統(tǒng)運行可靠性，使該系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.研制背景及意義

近年來，隨著石油、煤碳等不可再生資源的枯竭，能源問題成為多方面關(guān)注的焦點。各國都在尋求解決能源危機的辦法。

目前被稱為第四代新光源的高亮度LED燈作為新型照明燈具有功耗低、亮度高、色彩艷麗、抗振動、壽命長(正常發(fā)光60000—100000h)，冷光源、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，是真正的“綠色照明”。以LED為光源的燈飾產(chǎn)品在21世紀(jì)的將來，必然取代白熾燈，成為人類照明史上的又一次革命。

我們根據(jù)太陽能利用和LED燈特點，在經(jīng)多方面的走訪調(diào)查、征求部分太陽能路燈廠家和客戶意見的基礎(chǔ)上，以最大限度提高能源利用，最佳節(jié)能減排環(huán)保精神為準(zhǔn)則，開發(fā)了該能適用于太陽能路燈的充電過程控制、點亮?xí)r間設(shè)定的全功能控制系統(tǒng)。

3.設(shè)計方案

我們制作的這個控制系統(tǒng)，功能強大，但電路設(shè)計簡單，外圍器件較少，這是主要考慮到控制系統(tǒng)本身的耗能問題。

3.1 控制模塊的選擇方案

采用AT89C51單片機進行控。AT89C51價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，且資料豐富，性能穩(wěn)定故采用AT89C51作為主控制芯片。采用STC12C5410AD單片機作為充電控制核心。STC12C5410AD單片機雖然也是一種8位單片機，但其具有獨特的AD功能，還可輸出PWM波，外圍電路簡單，編程方便且存儲空間大，抗干擾性能強。更適合做充電控制。

3.2 其他方案的選擇

根據(jù)系統(tǒng)要求，我們在電路設(shè)計上采用單片機輸出的PWM波對兩只VMOS管進行控制，一只控制太陽能電池板的充電全過程，一只控制蓄電池對LED燈點亮?xí)r間和電流大小的全功能控制。

為了設(shè)定LED燈點亮或半功率點亮?xí)r間，電路板上加了數(shù)碼管顯示連接接口。

為了方便調(diào)節(jié)各種參數(shù)和連接器件，電路上加了按鍵和輸出端口。

4.理論設(shè)計與計算

控制器系統(tǒng)由于采用了高性能的單片機，所以在各種功能控制上可以較為方便的實現(xiàn)。為了充分利用太陽能電池板進行能量轉(zhuǎn)換，對電池板設(shè)計了追光控制系統(tǒng)；并用最先進的蓄電池五步充電法給對蓄電池實施最佳充電管理。根據(jù)充電方式，控制器可分為開關(guān)型控制器和脈寬調(diào)制型(PWM)控制器兩種控制器都具有充滿斷開(HVD)欠壓斷開(LVD)和恢復(fù)功能也就是說，當(dāng)蓄電池電壓升至過充點時，控制器能自動切斷充電；當(dāng)蓄電池電壓降到過放點時，控制器能自動切斷負載，而當(dāng)蓄電池電壓回升到充電恢復(fù)點時，控制器能自動恢復(fù)對負載的供電，在程序上設(shè)置了特殊的調(diào)制信號脈沖，用以提高蓄電池的充電效率和容量減少老化效應(yīng)延長，并有修復(fù)電瓶的作用。為了節(jié)能，微控制器可對LED燈的點亮?xí)r間進行任意設(shè)定，并可對全功率點亮?xí)r間和任意功率點亮?xí)r間進行設(shè)定，系統(tǒng)使得LED燈點亮?xí)r間的控制具有很強的可控性；在程序編制上我們采用一種適應(yīng)性算法的MPP最大功率追蹤控制法。

圖2 充電電路

圖3 主控電路

同時實現(xiàn)了在同樣光照條件下太陽能電池發(fā)電量最大化的控制，并設(shè)計了電池板自動清潔板面的機械結(jié)構(gòu)。根據(jù)目前市場上普通充電控制器存在陽光最強時和光照不足時不能給電瓶充電的事實。從電路上和程序上均做到了強光時降壓、弱光時升壓全功能的充電控制。對由于蓄電池處于過放電而造成蓄電池壽命短和可靠性不高等問題，采用了蓄電池剩余容量(SOC)控制法的最新技術(shù)，編制了具有自適應(yīng)功能的新型太陽能路燈全新控制系統(tǒng)，從而使蓄電池不會發(fā)生過充、過放現(xiàn)象，延長了蓄電池的使用壽命，提高了太陽能路燈系統(tǒng)運行可靠性。蓄電池剩余容量控制法對蓄電池的放電過程進行控制。它所依據(jù)的理論是根據(jù)電化學(xué)原理導(dǎo)出的蓄電池放電過程中的余容量(SOC)與端電壓之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：

式中：a由于反應(yīng)物和生成物比例改變引起的電壓變化的常數(shù)，0.1～0.2；b為電化學(xué)極化項常數(shù)，0.1～0.15；c為內(nèi)阻極化項常數(shù)，0.08～0.15；Vr為蓄電池充電初始或放電終了的靜態(tài)電壓；SOC為蓄電池的荷電狀態(tài)或在任意時刻的容量；I為充電電流或放電電流；T為實際溫度；K為溫度系數(shù)；DOD為蓄電池放電深度。

5.電路設(shè)計方案

我們的控制系統(tǒng)，主要是以單片機為控制單元，以大功率VMOS管為執(zhí)行器件，根據(jù)太陽能電池板的光電特性，太陽能專用蓄電池充、放電性能特點進行了各種功能設(shè)定和控制，以使用方便、控制簡單，壽命長成本低等要求，以最簡潔的電路結(jié)構(gòu)，最人性化的程序保證，最實用的蓄電池充、放電規(guī)程，充電電路如圖2所示，主控電路如圖3所示。

[1]張國華,劉克銅,李雪霞.一款太陽能警示燈的設(shè)計和實現(xiàn)[J].電子科技,2010(12).

[2]宋振燦,鄒繼軍.太陽能充電器的設(shè)計[J].湖南農(nóng)機,2009(07).

[3]趙云麗,宋振燦.太陽能手機充電器的設(shè)計[J].電子質(zhì)量,2009(04).

[4]劉克銅,張國華.單片機設(shè)計與制作——太陽能警示燈[J].經(jīng)營管理者,2010(14).

[5]謝志義.基于MC68HC908JL3抽油煙機控制器設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2010(33).

[6]李鵬.基于單片機的太陽能充電裝置設(shè)計[J].科技信息,2009(20).

[7]劉巍,王志超,沈峘,朱天宇,卞新高.太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].水電能源科學(xué),2009(02).

[8]張華熊,汪亞明,張聿,章晨衍.基于單片機的貨運電梯控制器設(shè)計[J].測試技術(shù)學(xué)報,2008(03).

[9]闞玉懷,王占杰.基于STC5404AD的太陽能路燈控制器設(shè)計與實現(xiàn)[J].照明工程學(xué)報,2010(04).