【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。設計時一般是先通過現場實驗，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，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，實現對LED燈的恒流驅動。其工作原理圖如圖41所示：圖41 路燈控制器工作原理圖 本章小結本章介紹了系統(tǒng)各部分的參數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)的硬件設計 充電電路充電電路由BuckBoost型降升壓電路和環(huán)路開關組成。該電路可以在多變的情況下實現最大功率點跟蹤，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)路開關作用是接通或者斷開環(huán)路，控制開始或結束充電并防止蓄電池向太陽能電池反充。電路結構如圖51所示。圖51 充電回路結構圖（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變換器開關閉合時的等效電路如圖53，開關斷開時的等效電路如圖54。開關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。開關斷開期間由于電感電流不能突變，電感反電勢呈現下正上負的極性，迫使二極管正偏導通，電感中的磁儲能經二極管饋向輸出端，一方面向負載供電，一方面補充在開關閉合期間電容C泄放掉的電荷。圖52 BuckBoost變換器電路圖53 開關閉合時等效電路 圖54 開關斷開時等效電路如果開關閉合時間比較短，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值之上；反之如果開關閉合時間比較長，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值之上。因此調節(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)時一個周期內電感電流凈波動量等于零的特點，建立開關閉合前后電感電流的關系式，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。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，當進入夜間時，充電回路斷開，蓄電池單獨為LED路燈供電，根據蓄電池及LED燈的參數關系，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。電路結構如圖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 放電回路電路結構圖（1）Boost電路工作原理 Boost型變換器也叫并聯(lián)開關變換器。與串聯(lián)式開關變換器相比，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。當開關斷開后，由于電感中的電流不能突變，將產生左負右正極性的電勢，這個電勢與輸入電源疊加并迫使二極管導通將電感儲能饋送至輸出端。 圖57 開關閉合狀態(tài)等效電路 圖58 開關斷開狀態(tài)等效電路開關閉合的時間越長，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，調節(jié)占空比D就可以調節(jié)輸出電壓，并可以在輸入變動時穩(wěn)定輸出電壓。（2）主要參數計算 根據文獻[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調節(jié)，參數由仿真試湊得到。 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轉換芯片可接受的數值。 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管，當檢測信號超過保護設定值時芯片控制斷開開關，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]。 本章小結本章主要介紹了硬件電路的設計思路，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)軟件設計概述 總體設計本控制器以單片機為核心。首先完成系統(tǒng)初始化，包括對內部資源模塊寄存器和對有關標志位的初始設置。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。負載工作時，還應時刻檢測負載電路中電流，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。之后檢測當前是否為照明設定時間，如果是照明時間，程序轉到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)軟件具體設計 充電控制程序對于一個蓄電池，選擇適當的充電方法，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換門限值Ic，則對蓄電池進行恒壓充電(CV)；若IIc，則轉換為浮充充電(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 驅動作了研究，并在此基礎上設計了一款集三階段充電法蓄電池充電、充放電保護和LED驅動控制的控制器。本文還對部分電路進行了仿真，結果基本符合要求，并設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)的分析與設計．青島大學碩士學位論文3 郝麗，陳超，崔永興．淺談太陽能發(fā)電技術及其在我國的應用發(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)電技術及其應用．應用能源技術．2010，（3）：4～85 亓立敏，尹成強，陳波．LED太陽能路燈控制器的設計．科技創(chuàng)新導報．2011，（12）：6～76 曹承棟．淺談國內外太陽能發(fā)電技術發(fā)展狀況及展望．通信電源技術．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)．西安電子科技大學碩士學位論文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 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