太陽能路燈蓄電池組調(diào)度研究

劉坤，鞠魯粵，司曉夏，王彪

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

新書介紹

太陽能路燈蓄電池組調(diào)度研究

劉坤，鞠魯粵，司曉夏，王彪

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

蓄電池管理是太陽能路燈控制器最重要的功能之一，為減少蓄電池充放電次數(shù)并延長其使用壽命，提出了具有調(diào)度功能的蓄電池管理系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的工作原理、硬件電路及軟件流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)提高了蓄電池使用效率，延長了太陽能路燈系統(tǒng)使用壽命。

太陽能路燈；調(diào)度算法；蓄電池；微處理器

太陽能路燈在長期運(yùn)行中，系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)為蓄電池組件[1]，目前廣泛使用的VRLA蓄電池循環(huán)次數(shù)實(shí)際只有500次左右[2]。傳統(tǒng)控制器對(duì)蓄電池每天充放電1次，該方式簡單地將蓄電池與系統(tǒng)直接相連，沒有考慮蓄電池的工作特性：在長期小充電率、小放電率下易形成酸分層及難溶PbSO4結(jié)晶顆粒[3]，蓄電池壽命將很快被消耗殆盡，縮短了系統(tǒng)整體維護(hù)周期。為解決上述問題，本文提出了一種具有調(diào)度功能控制系統(tǒng)，可降低蓄電池充放電頻率及長期低充電率/放電率對(duì)蓄電池壽命的影響。系統(tǒng)采用低導(dǎo)通電阻MOSFET替代繼電器實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。測試結(jié)果驗(yàn)證了該方法及電路的有效性。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 太陽能路燈工作原理

太陽能路燈主要由燈桿、太陽電池、蓄電池、照明組件及控制器組成[4]，如圖1所示。白天由太陽電池將光能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在蓄電池中，晚上由蓄電池組提供照明用電。其中控制器檢測周圍環(huán)境光照強(qiáng)度、蓄電池電壓、時(shí)間等控制量，確保路燈正常運(yùn)行。

為維持一定的連續(xù)陰雨天照明時(shí)間，在進(jìn)行太陽能路燈匹配設(shè)計(jì)時(shí)通常使太陽電池功率為照明功率4倍左右，蓄電池容量為單日照明耗電量5倍左右[5]，當(dāng)蓄電池容量較大時(shí)使用2組或多組蓄電池。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

現(xiàn)有的各種太陽能路燈控制器均將蓄電池直接接入系統(tǒng)中[6]，控制器只能對(duì)蓄電池組整體進(jìn)行充放電，其充放電頻率如表1所示。可見使用此方法蓄電池組每天充放電各1次。

表1 傳統(tǒng)太陽能路燈充放電頻率

1.2 調(diào)度系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為降低蓄電池充放電頻率，使用調(diào)度管理功能對(duì)蓄電池組充放電進(jìn)行控制。圖2所示為所提出的調(diào)度系統(tǒng)電路圖(以接入3組蓄電池為例)。調(diào)度系統(tǒng)硬件主要由MOSFET和下拉電阻組成。

由圖2可見，電路中蓄電池組為共陽極、隔陰極接入方式。系統(tǒng)運(yùn)行前，PORT1-PORT3口下拉電阻使GS=0，控制器地與LED/太陽電池地互相斷開。只有蓄電池組對(duì)應(yīng)PORT口變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，才能將該組蓄電池接入主電路中。

2 系統(tǒng)工作流程

蓄電池基本使用要求為防止過充/過放電[7]。為降低充放電頻率同時(shí)均衡使用每一組蓄電池，調(diào)度系統(tǒng)需在滿足單組蓄電池使用要求的同時(shí)使各組蓄電池充放電次數(shù)保持相同。

圖2 調(diào)度電路原理圖

2.1 整體軟件結(jié)構(gòu)

由于調(diào)度時(shí)需綜合考慮當(dāng)前蓄電池電壓、上一次充/放電蓄電池、各組蓄電池充放電次數(shù)等參數(shù)，因此使用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將總程序按功能分為初始化、充電和放電3部分?？刂瞥绦蛘w架構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制程序流程框圖

2.2 各模塊功能

程序初始化時(shí)，系統(tǒng)依次測量各組蓄電池電壓，選擇電壓最低蓄電池組為初始充電組，電壓最高組為初始供電組。運(yùn)行時(shí)將各組蓄電池電壓、蓄電池充電次數(shù)/放電次數(shù)等數(shù)據(jù)分開保存在不同數(shù)組中。

循環(huán)調(diào)度程序連續(xù)檢測當(dāng)前蓄電池電壓，當(dāng)充/放電至極限電壓后使用循環(huán)次數(shù)最少的充/放電蓄電池組替代當(dāng)前組繼續(xù)運(yùn)行，并優(yōu)先選用不同組分別充放電。充電時(shí)段調(diào)度程序流程如圖4所示。

放電時(shí)段蓄電池調(diào)度流程與充電時(shí)段流程不同之處在于，當(dāng)所有蓄電池組都放電至極限電壓時(shí)，將啟用低亮度照明方案，以減少電能消耗保護(hù)蓄電池。為處理搜索最小充/放電次數(shù)蓄電池組時(shí)多組蓄電池次數(shù)相同情況，使用小于等于其他組的充放電次數(shù)作為判斷條件。

圖4充電調(diào)度算法流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出電路及調(diào)度算法的有效性，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置如表2所示。

表2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)使用XC836單片機(jī)作為主控制器，它具有8路AD轉(zhuǎn)換及6路PWM輸出功能[8]。同時(shí)低壓MOS管選用IPB042N10N3G，在GS=5 V時(shí)，DS≈6 mΩ，可最大限度減少額外損耗。圖5所示為系統(tǒng)運(yùn)行中各組蓄電池端電壓變化曲線。通過單片機(jī)串口上傳的數(shù)據(jù)顯示調(diào)度結(jié)果為4天內(nèi)蓄電池A/B/C各充電1次，蓄電池B/C各放電一次，與蓄電池端電壓變化曲線相同，滿足了均衡使用要求。

圖5 端電壓變化曲線

使用調(diào)度功能后蓄電池充電方式從整組充電變?yōu)楦鹘M分別充電，兩種方式充電率單日變化曲線如圖6所示。當(dāng)光照強(qiáng)度一定時(shí)，使用調(diào)度方法可以提高單組蓄電池充電率，調(diào)度后單組蓄電池放電率同樣得到提高。

圖6 充電電流曲線

4 結(jié)論

使用調(diào)度功能可在等同使用條件下降低太陽能路燈蓄電池充放電頻率，同時(shí)避免蓄電池組長期在小充電率、小放電率下工作，延長了蓄電池使用壽命，進(jìn)一步提高太陽能路燈實(shí)用性。

[1]ANDERSSON B,GENERICS C,PERERS B,et al.Lead-acid battery guide for stand-alone photovoltaic systems[R]．Report IEA PVPS TaskⅢ,1999:1-33.

[2]陳維，沈輝，鄧幼俊.太陽能光伏應(yīng)用中的儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[J].蓄電池，2006(3):21-27

[3]TAKEHARA Z.Dissolution and precipitation reactions of lead sulfate in positive and negative electrodes in lead acid battery[J].J Power Sources,2002(85):29-37.

[4]劉德雄，楊華，胡思福，等.太陽能路燈的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011,24(4)：489-492.

[5]王貴路，陳子平，彭路明，等.太陽能路燈工程的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)[C]//第十屆中國太陽能光伏會(huì)議論文集.杭州：浙江大學(xué)出版社，2008:799-802.

[6]扈志遠(yuǎn)，王松，王曉陽，等.中國太陽能路燈研究綜述[J].綠色科技，2011(5)：195-198.

[7]歐陽名三.獨(dú)立光伏系統(tǒng)中蓄電池管理的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004:24-26.

[8]Infineon Technologies AG.XC83xMicroprocessor User Manual[EB/ OL].[2010-09-01].http://www.infineon.com.

Research on scheduling of batteries in solar street lamps

LIU Kun,JU Lu-yue,SI Xiao-xia,WANG Biao

Battery management was one of the most important components in the controller of solar street lamps.In order to reduce the charge-discharge times and prolong the service life of the battery,a battery scheduling function for the control system was proposed.System principle and the corresponding hardware circuit and software framework were presented.Experimental results show that the battery efficiency and prolong the service life of solar street lamps can be proposed by the system.

solar street lamps;scheduling algorithm;storage battery;microprocessor

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0293-02

2013-06-26

劉坤(1988—)，男，江西省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娫醇夹g(shù)、信號(hào)與信息處理。