帶有溫控效應(yīng)的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)研究

韓文穎，趙明君，春 蘭

1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000

2.山西省電力公司檢修分公司，山西 太原 030000

0 引言

太陽能路燈系統(tǒng)是將太陽能作為電能量來源的路燈系統(tǒng)，其能源不受供電影響，而且具有資源豐富、適合遠(yuǎn)距離供電、清潔、可再生等特點[1-3]，對照明行業(yè)的能源短缺問題起到一定的作用。目前，太陽能路燈已在國內(nèi)受到廣泛應(yīng)用，但大多沒有考慮到能源合理利用問題[4]。基于此，文章設(shè)計了一種以C8051F320為主控制器的太陽能LED路燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用帶有PID溫度保護(hù)的最大功率點跟蹤（MPPT）充電方法，既能實現(xiàn)對蓄電池充電的合理化化管理，又能防止控制器在充電過程中由于溫度過高而損壞，導(dǎo)致嚴(yán)重影響控制器的使用壽命。

1 系統(tǒng)的整體方案

太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由太陽能電池板、路燈控制器、蓄電池、LED負(fù)載、LoRa節(jié)點和LoRa網(wǎng)關(guān)組成。控制器根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，選擇合適的時間充電或者放電，同時還采用PID溫控保護(hù)。此外，控制器與LoRa節(jié)點和網(wǎng)關(guān)相連，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離雙向傳輸。

圖1 太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的選擇

目前，常用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為LoRa、NB-IoT與ZigBee。其中，ZigBee技術(shù)適合用于距離短的無線傳輸[5]；NB-IoT技術(shù)雖然在技術(shù)更新方面略強，但其運營成本較高；LoRa技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、運營成本低、續(xù)航時間長等優(yōu)點。綜合考慮，選擇LoRa技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。

1.2 路燈控制器的設(shè)計

根據(jù)太陽能電池P/V特性曲線、鉛酸蓄電池的可接受充電電流曲線，選擇合適的充電方式，對能源合理化應(yīng)用以及鉛酸蓄電池壽命起著決定性作用?；诖耍捎迷诜闲铍姵氐目山邮艹潆婋娏髑€條件下，進(jìn)行帶有擾動觀察法的MPPT充電方式，統(tǒng)稱MPPT充電方式。在高溫天氣進(jìn)行MPPT充電時，會增大控制器中芯片的表面溫度，在超過芯片溫度設(shè)定值時，會導(dǎo)致芯片無法正常工作，因此需實時觀測芯片表面溫度，若溫度高于設(shè)定值，需采用PID溫度控制方式充電。PID的輸出與輸入偏差的關(guān)系式如下：

式中：e(t)為控制偏差；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；u(t)為輸出即偏差PID的線性組合。

從式（1）可以看出，采用PID控制，對溫控過程中產(chǎn)生的干擾有良好的控制效果。

路燈控制器的單片機(jī)選擇C8150F320，通過改變占空比實現(xiàn)合理充電。將太陽能轉(zhuǎn)換為鉛酸蓄電池所需要的充電電壓，還需要用到DC/DC變換器，選擇采用MAX668變換器。溫度傳感器選擇DS18B20，負(fù)責(zé)采集溫度并觀察是否超過設(shè)定值。以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，根據(jù)收集的信息，決定采用MPPT充電還是PID溫度控制充電，實現(xiàn)溫度保護(hù)的智能充電。

2 具有溫度保護(hù)的軟件設(shè)計

具有溫度保護(hù)的軟件設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 具有溫度保護(hù)的軟件流程圖

該系統(tǒng)實時檢測充電電壓U、充電電流I、控制器芯片的溫度T，如果控制器芯片溫度T超過設(shè)定值溫度TC，啟動PID溫度控制方式充電，否則進(jìn)行MPPT方式充電。在進(jìn)行PID溫度控制方式充電時，系統(tǒng)輸出合適的占空比D，以降低輸出功率，從而使溫度下降，當(dāng)溫度降低至設(shè)定的下限值時，啟動MPPT充電方式。在進(jìn)行MPPT方式充電時，系統(tǒng)檢測充電電流I是否小于當(dāng)前蓄電池可接受的充電電流IC，如果I＜IC，啟動帶有擾動觀察法的MPPT方式充電，否則采用IC充電。由此，通過采用帶有溫度保護(hù)充電方式，使該系統(tǒng)的溫度得到有效控制，同時提高控制系統(tǒng)的充電效率，延長其使用壽命。

3 仿真

選擇在夏季某一天進(jìn)行仿真，采用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建仿真模型，得出仿真結(jié)果。仿真對比不帶PID溫度保護(hù)的MPPT充電方式和帶有PID溫度保護(hù)的MPPT充電方式進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。圖3中，P1、TI為不帶PID溫度保護(hù)MPPT的輸出功率和控制器芯片表面溫度，P2、T2為帶有PID溫度保護(hù)MPPT的輸出功率和控制器芯片表面溫度。

如圖3所示，在8：00～12：00，隨著光照強度的不斷增強和氣溫的不斷上升，系統(tǒng)所采集的輸出功率和芯片溫度也在不斷增加，隨后，在光照強度的不斷增強、地表溫度的不斷升高的情況下，芯片已經(jīng)達(dá)到較高的溫度，如果此時繼續(xù)采用MPPT方式充電，芯片由于需要進(jìn)行MPPT，會增加其功耗，將進(jìn)一步加重芯片發(fā)熱的情況。由圖3可知，溫度可達(dá)85 ℃，但是芯片的工作溫度范圍一般為0～80 ℃，長時間的高溫將導(dǎo)致芯片受損，而該系統(tǒng)采用帶有PID溫度保護(hù)的充電方法，初始啟動MPPT充電方式進(jìn)行充電，當(dāng)檢測到芯片溫度上升至70 ℃時，啟動PID溫度控制，使太陽能電池的輸出功率和控制器芯片表面溫度形成動態(tài)平衡，在下午2:30左右，由于光照強度和氣溫的下降，系統(tǒng)又啟動MPPT方式充電。仿真結(jié)果表明，這種根據(jù)溫度的變化自動調(diào)整充電方式的智能控制系統(tǒng)符合設(shè)計要求。

圖3 兩種充電方式的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

綜上所述，帶有溫控效應(yīng)的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)溫度的變化自動調(diào)整充電方式，當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度時系統(tǒng)采用PID溫控方式充電，可以在一定程度上保護(hù)DC/DC芯片硬件的使用壽命，延長路燈的使用周期；當(dāng)溫度恢復(fù)正常時，啟動MPPT方式充電，從而有效保護(hù)芯片的使用壽命，降低路燈設(shè)備更換的頻率。