【正文】 ——蓄電池工作電壓 L——蓄電池組充放電效率，通常取0. 9 U——蓄電池組的放電深度，通常取0. 6 ——線路損失，通常取0. 98求得C的值為121A?h，選用12V，120 A?h的閥控密封式鉛酸蓄電池。 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。設(shè)計時一般是先通過現(xiàn)場實驗，測定單位面積的太陽能電池，在工作地點實際日照條件下不同時間段的輸出電流值，再由此計算平均日照條件下的輸出電流值和平均日照時間值，結(jié)合蓄電池的容量確定需要的太陽能電池板面積。[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。120％=217 (42)算得的值為89W，選用12V，100W的單晶硅太陽電池。它的其他參數(shù)為：，，最大功率100W，工作溫度40℃至85℃。 系統(tǒng)總體要求本系統(tǒng)為太陽能供電LED路燈控制器，控制芯片采用單片機進行智能化管理和控制，具體要求如下：（1）采用科學(xué)有效的充電模式，在不影響蓄電池使用壽命的前提下充分利用太陽能電池，并保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)。（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。（3）蓄電池過充電保護功能 白天，光伏板在控制器的控制下向蓄電池充電，控制器自動切斷充電回路，防止過充電，保護蓄電池，延長其壽命。（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。（5）LED 路燈自動通斷功能與恒流控制功能[26]。 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。由于太陽能電池的最大功率點電壓高于蓄電池的充電電壓，為達到提高太陽能電池的利用率的目的，充電電路采用了基于BuckBoost型的DCDC降升壓電路的MPPT控制技術(shù)，同時DCDC變換器的引入還可以對蓄電池的充電方式加以控制，實現(xiàn)恒壓充電以及浮充的充電方法，提高蓄電池的充電速度，并延長蓄電池的使用壽命。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。其工作原理圖如圖41所示：圖41 路燈控制器工作原理圖 本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)各部分的參數(shù)計算及主要器件的選擇，闡述了控制器的主要功能及系統(tǒng)的工作原理。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。該電路可以在多變的情況下實現(xiàn)最大功率點跟蹤，充分利用太陽能電池的能量，提高太陽能電池的利用率，并且在不損壞蓄電池的前提下，加快充電速度。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。電路結(jié)構(gòu)如圖51所示。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。它的電感器同時起著濾波和升壓的雙重作用。其電路組成如圖52所示。BuckBoost變換器開關(guān)閉合時的等效電路如圖53，開關(guān)斷開時的等效電路如圖54。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(fù)載電流。開關(guān)斷開期間由于電感電流不能突變，電感反電勢呈現(xiàn)下正上負(fù)的極性，迫使二極管正偏導(dǎo)通，電感中的磁儲能經(jīng)二極管饋向輸出端，一方面向負(fù)載供電，一方面補充在開關(guān)閉合期間電容C泄放掉的電荷。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。因此調(diào)節(jié)占空比D就可以改變輸出電壓，并保持電壓穩(wěn)定。（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(fù)載阻值取45Ω ——開關(guān)頻率，取50KHZ δ——電感電流的相對波動度。，取1mH。電容C計算公式為： (55)式中 γ——輸出紋波系數(shù)。求得C的值為215F，取300μF。 放電電路系統(tǒng)的放電回路即LED路燈的供電電路，當(dāng)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。電路結(jié)構(gòu)如圖55所示。其中VT1控制電路輸出電流，VT2控制LED燈的工作模式。圖55 放電回路電路結(jié)構(gòu)圖（1）Boost電路工作原理 Boost型變換器也叫并聯(lián)開關(guān)變換器。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。其電路組成如圖56所示。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。開關(guān)閉合時能量從電源注入并存儲于電感L之中。由于二極管D被反偏，負(fù)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。當(dāng)開關(guān)斷開后，由于電感中的電流不能突變，將產(chǎn)生左負(fù)右正極性的電勢，這個電勢與輸入電源疊加并迫使二極管導(dǎo)通將電感儲能饋送至輸出端。 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。這樣，調(diào)節(jié)占空比D就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，并可以在輸入變動時穩(wěn)定輸出電壓。（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。充放電電路閉環(huán)都采用PI調(diào)節(jié)，參數(shù)由仿真試湊得到。 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。具體電路如圖59所示。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。 保護電路系統(tǒng)的保護主要靠單片機完成，在充電回路和放電回路的環(huán)路上都接有一個開關(guān)管，當(dāng)檢測信號超過保護設(shè)定值時芯片控制斷開開關(guān)，從而保護電路。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]。 本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設(shè)計思路，包括主控電路，充電電路，放電電路，信號采集電路及保護電路。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。首先完成系統(tǒng)初始化，包括對內(nèi)部資源模塊寄存器和對有關(guān)標(biāo)志位的初始設(shè)置。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。在夜間，周期性的采集蓄電池的端電壓及LED燈側(cè)的供電電流，完成路燈的不同功率控制以及蓄電池的放電保護。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。結(jié)合蓄電池的電壓狀態(tài)和充電電流情況，充電流程又分為MPPT、恒電壓充電和浮充三個子流程，給蓄電池快速而有效得補充能量。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。負(fù)載工作時，還應(yīng)時刻檢測負(fù)載電路中電流，避免發(fā)生過載或短路，若發(fā)生過載或短路，系統(tǒng)會自動采取相應(yīng)的措施，保護電路。 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)。系統(tǒng)等待狀態(tài)是指：太陽能既不滿足對蓄電池的充電條件，也沒有到照明設(shè)定時間，此時蓄電池只對控制系統(tǒng)供電。系統(tǒng)總體控制如下圖所示。系統(tǒng)上電后首先進行初始化，包括各存儲單元初始化、外部時鐘初始化和溫度傳感器初始化等。之后檢測當(dāng)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。流程圖如圖61所示。 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(dāng)?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。本文根據(jù)太陽能電池的輸出特性和蓄電池的輸入特性，采用最大功率充電(MPPT)、恒壓充電和浮充充電三種充電控制方式。其具體過程是：當(dāng)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(dāng)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)。，充電控制流程如圖62所示。 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。進入放電子程序后首先點亮LED燈，然后判斷此時的蓄電池端口電壓是否大于最小閾值電壓U。= V，如果小于則關(guān)斷LED燈。流程圖如圖63所示。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。本文還對部分電路進行了仿真，結(jié)果基本符合要求，并設(shè)計了主要器件的硬件電路。參考文獻1 吳繼杭．太陽能—21世紀(jì)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?fàn)顩r及展望．通信電源技術(shù)．2011，28（1）：35～377 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