【正文】 制( PWM)方式來調(diào)節(jié)亮度。此時通過白光LED的電流是由參考電壓值和電流感測電阻值來決定，可以通過對檢測電阻Rs的改變來調(diào)整LED電流。 太陽能路燈控制器如前所述，一套基本的太陽能路燈系統(tǒng)是由太陽能電池陣列、控制器、蓄電池(組)、路燈構(gòu)成?？刂破髦饕刂菩铍姵氐某浞烹?。充電時如果檢測到蓄電池端電壓上升到一定值時進行過充保護，當蓄電池充滿電之后，充電電路自動調(diào)整充電電流或斷開電路；放電時如果檢測到蓄電池端電壓下降到一定值進行過放保護，自動切斷負載。 本章小結(jié)本章介紹了獨立太陽能路燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成，介紹了太陽能電池的工作原理、等效電路、仿真模型及輸出特性，闡述了鉛酸蓄電池的工作原理和基本特性，介紹了白光LED的發(fā)光原理、特性和優(yōu)點，最后分析了系統(tǒng)中光伏電源控制器的重要性，為本課題控制器的研究與開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 恒電流充電法恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進行電流調(diào)整使之恒定不變。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，充電電流較大，隨著鉛酸蓄電池電爪的逐漸升高，電流逐漸減少。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。二階段充電方法在充電初期，鉛酸蓄電池不會出現(xiàn)很大的電流，在充電后期也不出現(xiàn)鉛酸蓄電池電壓過高，使鉛酸蓄電池產(chǎn)生析氣。 圖31 馬斯最佳充電曲線按照蓄電池可接受電流特性，采用智能控制的方法，使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對蓄電池影響較小，這樣的控制方法統(tǒng)稱為智能充電控制。因此智能充電方法在實際中還沒有得到廣泛應(yīng)用。PWM方式又可進一步演變成變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。根據(jù)馬斯充電曲線，由于充電前期蓄電池可接受的充電電流比較大，而太陽能電池輸出的功率也是有限的，只要最大功率點電流不超出蓄電池可接受的最大電流，既可以輸出的最大能量來給蓄電池充電。在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以在不同的電壓輸出，但只有在某一輸出電壓值時，其輸出功率才能達到最大值，即其達到輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點（MPP）因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤(MPPT——Maximum Power Point Tracking)。因此只要保持太陽能電池陣列輸出電壓為常數(shù)且等于某一日照強度下太陽能電池陣列最大功率點的電壓，就可以大致保證在該溫度下太陽能電池陣列輸出最大功率。因此對于四季溫差或日溫差較大的地區(qū)，CVT方式并不能完全跟蹤太陽能電池陣列最大功率點。圖33 擾動觀察法算法流程圖此方法結(jié)構(gòu)簡單可靠，容易實現(xiàn)，并且不需要知道太陽電池的特性曲線，能夠較普遍地應(yīng)用于光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制。只要在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在功率對電壓的導(dǎo)數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在導(dǎo)數(shù)等于零或非常接近于零的時候，電壓保持不變即可尋到最大功率點。這些方法在系統(tǒng)復(fù)雜度、成本、效率、以及其它方面都有著各自的不同的要求，各有利弊。 最大功率點跟蹤算法仿真本系統(tǒng)采用擾動觀察法，本文建立了具有最大功率點跟蹤控制的MATLAB仿真模型，如圖34所示，模型包括MPPT模塊和降升壓變換器模塊。并對所選用的跟蹤算法進行了仿真。（4）連續(xù)陰雨天 以秦皇島為例，連續(xù)陰雨天設(shè)定為5天。[25]由于條件所限，本文的光伏電池的容量Ws由式42得到：40％247。（2）系統(tǒng)可在無人看護的情況下自動切換工作模式，實現(xiàn)獨立工作。 硬件設(shè)計方案本課題研究的太陽能路燈控制器以51單片機為主控芯片。第5章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 充電電路充電電路由BuckBoost型降升壓電路和環(huán)路開關(guān)組成。圖51 充電回路結(jié)構(gòu)圖（1）BuckBoost電路工作原理 降升壓變換器可以看作是由降壓（Buck）變換器和升壓（Boost）變換器組合演變而來的。開關(guān)閉合期間能量從電源注入并存于電感L，此時二極管被反偏截止，由濾波電容放電提供負載電流。（2）主要參數(shù)計算 按照圖53和圖54的等效電路，利用變換器穩(wěn)態(tài)時一個周期內(nèi)電感電流凈波動量等于零的特點，建立開關(guān)閉合前后電感電流的關(guān)系式，得出電壓增益M的表達式為： (51)式中 ——輸出電壓值 ——輸入電壓值由上式得M的值為： (52)得 （53）電路中電感L的表達式為： (54)式中 R——負載阻值取45Ω ——開關(guān)頻率，取50KHZ δ——電感電流的相對波動度。 放電電路系統(tǒng)的放電回路即LED路燈的供電電路，當進入夜間時，充電回路斷開，蓄電池單獨為LED路燈供電，根據(jù)蓄電池及LED燈的參數(shù)關(guān)系，選擇Boost升壓電路作為放電回路的主電路，電流閉環(huán)為LED燈提供恒定的電流。與串聯(lián)式開關(guān)變換器相比，并聯(lián)式升壓變換器有較小的射頻干擾和較低的噪音。由于二極管D被反偏，負載電流圖56 Boost變換器電路完全由濾波電容通過釋放電荷的形式提供。（2）主要參數(shù)計算 根據(jù)文獻[27]中的分析方法，得出了計算Boost變換器的增益M的公式： (56)電路中電感L的計算公式為: (57)電容C計算公式為： (58)算得電容的值為280μF，取300μF。圖59 電壓采集電路（2）電流采集電路 本文的電流采集電路使用串小電阻的方式，再用一級放大電路將信號處理為AD轉(zhuǎn)換芯片可接受的數(shù)值。第6章 控制器的軟件開發(fā) 系統(tǒng)軟件設(shè)計概述 總體設(shè)計本控制器以單片機為核心。整個控制系統(tǒng)以兩種工作流程為主線，即白天的充電流程和夜間的放電流程。 總體軟件流程本系統(tǒng)包括三種工作狀態(tài)：太陽能對蓄電池的充電、蓄電池對LED的放電和系統(tǒng)等待狀態(tài)。之后檢測當前是否為照明設(shè)定時間，如果是照明時間，程序轉(zhuǎn)到LED燈照明控制子程序，否則檢測太陽能電池的端口電壓是否大于啟動電壓，若滿足充電條件，則系統(tǒng)對蓄電池充電，否則繼續(xù)對時鐘和太陽能電池輸出電壓進行檢測。其具體過程是：當檢測到蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限Uc時，實施MPPT充電；當檢測U=Uc時，如果此時充電電流大于轉(zhuǎn)換門限值Ic，則對蓄電池進行恒壓充電(CV)；若IIc，則轉(zhuǎn)換為浮充充電(VF)。= V，如果小于則關(guān)斷LED燈。參考文獻1 吳繼杭．太陽能—21世紀的主要能源．杭氧科技．2003，（3）：222 隋崗．小型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計．青島大學(xué)碩士學(xué)位論文3 郝麗，陳超，崔永興．淺談太陽能發(fā)電技術(shù)及其在我國的應(yīng)用發(fā)展．科技信息．2009，（17）：6974 張立文，張聚偉，田葳等．太陽能光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用．應(yīng)用能源技術(shù)．2010，（3）：4～85 亓立敏，尹成強，陳波．LED太陽能路燈控制器的設(shè)計．科技創(chuàng)新導(dǎo)報．2011，（12）：6～76 曹承棟．淺談國內(nèi)外太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展狀況及展望．通信電源技術(shù)．2011，28（1）：35～377 鐘君．智能型太陽能路燈光伏電源控制器的研究與開發(fā)．西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8 程莉莉，趙建龍，熊勇等．用太陽能電池供電的鋰電池充電管理集成電路的設(shè)計．中國集成電路．2010，（6）：48～529 黃琴．淺談太陽能發(fā)電．才智．2010，（23）：3310 張智峰．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計．科技創(chuàng)新導(dǎo)報．2010，（21）：11711 Benjamin Kroposki，Robert Margolis，Dan Ton．An Overview of Solar Technologies．IEEE power amp。我還要感謝我的父母和家人，是他們在生活和學(xué)習(xí)上給予的關(guān)愛和支持，讓我能順利完成畢業(yè)論文的研究工作。在畢業(yè)論文即將完成之際，謹向在此期間指導(dǎo)和幫助過我的老師、同學(xué)及朋友致以最崇高的敬意和深深的感謝！首先，要感謝***老師，閆老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)作風、廣博的理論知識、豐富的實踐經(jīng)驗、踏實的工作作風充分體現(xiàn)了師者風范，從論文的選題到論文的撰寫，無不傾注著閆老師的細心指導(dǎo)和不懈的支持，導(dǎo)師的悉心培養(yǎng)和不倦教誨將使我受益終生。圖61 系統(tǒng)主程序流程圖圖62 充電控制程序流程圖圖63 放電控制流程圖結(jié)論本文對太陽能路燈系統(tǒng)的各部分工作原理及特性進行了介紹，對常用的充電方法、蓄電池保護方式以及LED 驅(qū)動作了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款集三階段充電法蓄電池充電、充放電保護和LED驅(qū)動控制的控制器。 放電控制程序在LED工作的時候，需要實時檢測蓄電池的電壓，以免蓄電池過放電。 系統(tǒng)軟件具體設(shè)計 充電控制程序?qū)τ谝粋€蓄電池，選擇適當?shù)某潆姺椒?，不僅可以提高充電效率，而且能夠延長蓄電池的使用壽命。系統(tǒng)總體控制如下圖所示。夜間放電流程主要實現(xiàn)LED的不同放電工作模式，即控制PWM占空比和放電時間的長短。在白天，周期性的采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，系統(tǒng)根據(jù)不同的電壓組合狀態(tài)進入不同的控制流程。同時在太陽能電池回路中串聯(lián)一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管應(yīng)該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低[28]。 信號采集電路（1）電壓采集電路 本系統(tǒng)需要采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，采集電路使用電阻分壓電路，阻值的選擇由被采電壓范圍及AD轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓決定，電容C起濾波作用。 圖57 開關(guān)閉合狀態(tài)等效電路 圖58 開關(guān)斷開狀態(tài)等效電路開關(guān)閉合的時間越長，電感中的電流也就越大，磁儲能也就越多，因此輸出端的電壓也就越高。開關(guān)閉合狀態(tài)和斷開狀態(tài)的等效電路如圖5圖58所示。其中VT1控制電路輸出電流，VT2控制LED燈的工作模式。電容C計算公式為： (55)式中 γ——輸出紋波系數(shù)。圖52 BuckBoost變換器電路圖53 開關(guān)閉合時等效電路 圖54 開關(guān)斷開時等效電路如果開關(guān)閉合時間比較短，電感的磁儲能比較少，那么能向輸出端饋送的能量就少，穩(wěn)態(tài)時輸出端的電壓就維持在一個較低的數(shù)值之上；反之如果開關(guān)閉合時間比較長，閉合期間電感L的儲能比較多，則每個周期向輸出端饋送的能量就多一些，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓就可以維持在一個比較高的數(shù)值之上。其電路組成如圖52所示。環(huán)路開關(guān)作用是接通或者斷開環(huán)路，控制開始或結(jié)束充電并防止蓄電池向太陽能電池反充。而放電電路則采用Boost型升壓電路，實現(xiàn)對LED燈的恒流驅(qū)動。（4）蓄電池過放電保護功能 夜晚，蓄電池在控制器的控制下向LED路燈供電，控制器自動切斷LED路燈，避免蓄電池過放電。它的其他參數(shù)為：，最大功率100W，工作溫度40℃至85℃。 光伏電池的參數(shù)計算太陽能電池的容量，由選用的蓄電池組容量與工作地點的日照條件確定，必須保證在平均光照條件下，一天的日照能夠使蓄電池組完全充電。 蓄電池的參數(shù)計算蓄電池的容量由以下條件確定：（1）LED燈功率 本文選用的LED燈額定功率為21W。圖35 MPPT模塊原理圖仿真結(jié)果為： 本章小結(jié)本章首先介紹了常用的充電方法，在分析對比了不同方法性能差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計了三階段充電方法。擾動觀察法與增量電導(dǎo)法其算法過程較復(fù)雜，精度相對較高，但增量電導(dǎo)法的實現(xiàn)對硬件的要求相對較高，其要求傳感器的精度比較高、系統(tǒng)各個部分響應(yīng)速度比較快。電導(dǎo)增量法的缺點是：太陽能電池陣列可能存在一個局部的最大功率點，這種算法可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部的最大功率點；如同擾動觀察法一樣，電導(dǎo)增量法的變化步長也是固定的，步長過小會使跟蹤速度變慢，太陽能電池陣列較長時間工作在低功率輸出區(qū)；步長太長，又會使系統(tǒng)振蕩加劇，影響跟蹤精度。其次，難以選擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，光伏陣列可能長時問工作于低功率輸出區(qū)，步長過大，在最大功率點附近的震蕩又加大。然后，通過比較干擾周期前后太陽能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。 圖32 不同日照強度下最大功率點的變化情況恒電壓法具有控制簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點，較之不帶CVT的直接藕合要有利得多。[4] 最大功率點跟蹤方法比較最大功率點跟蹤的控制方法很多，目前使用的太陽能電池最大功率點跟蹤方法主要有恒電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法以及其它的一些跟蹤方法。該充電方法既提高了太陽能電池利用率，保證了充電速度，又避免了充電后期電流過大對蓄電池造成的損害，減少了析氣，提高