【正文】 過(guò)放保護(hù)，自動(dòng)切斷負(fù)載?？刂破鬟€可以依據(jù)外界環(huán)境溫度調(diào)整蓄電池充電電流。 本章小結(jié)本章介紹了獨(dú)立太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成，介紹了太陽(yáng)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(diǎn)，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(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。充電控制方法的優(yōu)劣不僅影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，同時(shí)也關(guān)系到鉛酸蓄電池的使用壽命。 恒電流充電法恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過(guò)程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種充電方式的不足之處在于：鉛酸蓄電池開(kāi)始充電電流偏小，使整個(gè)充電過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)，在充電后期允電電流又偏大，充電電壓偏高，電池析氣量增加，影響電池壽命。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。相對(duì)恒流充電來(lái)說(shuō)，此法的允電電流自動(dòng)減少，所以充電過(guò)程中析氣量小，允電時(shí)問(wèn)短。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。 階段充電法階段充電法一般分為二階段和三階段充電，這種方法克服了恒流與恒壓充電的缺點(diǎn)。二階段充電方法在充電初期，鉛酸蓄電池不會(huì)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(guò)高，使鉛酸蓄電池產(chǎn)生析氣。 智能充電法．MAS(馬斯)研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。 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(duì)蓄電池影響較小，這樣的控制方法統(tǒng)稱為智能充電控制。比常規(guī)的充電的時(shí)問(wèn)縮短了很多。因此智能充電方法在實(shí)際中還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而在問(wèn)歇期，蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣又有時(shí)間重新化合而被吸收掉，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。PWM方式又可進(jìn)一步演變成變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。該充電方法實(shí)際上是一種融合了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、恒電壓和浮充的三階段充電控制方法。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(yáng)能電池輸出的功率也是有限的，只要最大功率點(diǎn)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(lái)給蓄電池充電。該充電方法既提高了太陽(yáng)能電池利用率，保證了充電速度，又避免了充電后期電流過(guò)大對(duì)蓄電池造成的損害，減少了析氣，提高了充電效率。在一定的光照強(qiáng)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(shí)，其輸出功率才能達(dá)到最大值，即其達(dá)到輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)（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(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT——Maximum Power Point Tracking)。[4] 最大功率點(diǎn)跟蹤方法比較最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法很多，目前使用的太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法主要有恒電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法以及其它的一些跟蹤方法。因此只要保持太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池陣列最大功率點(diǎn)的電壓，就可以大致保證在該溫度下太陽(yáng)能電池陣列輸出最大功率。 圖32 不同日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)的變化情況恒電壓法具有控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，較之不帶CVT的直接藕合要有利得多。因此對(duì)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(yáng)能電池陣列最大功率點(diǎn)。然后，通過(guò)比較干擾周期前后太陽(yáng)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(guò)程，如果檢測(cè)到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。圖33 擾動(dòng)觀察法算法流程圖此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，容易實(shí)現(xiàn)，并且不需要知道太陽(yáng)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(diǎn)跟蹤控制。其次，難以選擇合適的變化步長(zhǎng)，步長(zhǎng)過(guò)小，跟蹤的速度緩慢，光伏陣列可能長(zhǎng)時(shí)問(wèn)工作于低功率輸出區(qū)，步長(zhǎng)過(guò)大，在最大功率點(diǎn)附近的震蕩又加大。只要在功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在功率對(duì)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(shí)候，電壓保持不變即可尋到最大功率點(diǎn)。電導(dǎo)增量法的缺點(diǎn)是：太陽(yáng)能電池陣列可能存在一個(gè)局部的最大功率點(diǎn)，這種算法可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)局部的最大功率點(diǎn)；如同擾動(dòng)觀察法一樣，電導(dǎo)增量法的變化步長(zhǎng)也是固定的，步長(zhǎng)過(guò)小會(huì)使跟蹤速度變慢，太陽(yáng)能電池陣列較長(zhǎng)時(shí)間工作在低功率輸出區(qū)；步長(zhǎng)太長(zhǎng)，又會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇，影響跟蹤精度。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。擾動(dòng)觀察法與增量電導(dǎo)法其算法過(guò)程較復(fù)雜，精度相對(duì)較高，但增量電導(dǎo)法的實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的要求相對(duì)較高，其要求傳感器的精度比較高、系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度比較快。 最大功率點(diǎn)跟蹤算法仿真本系統(tǒng)采用擾動(dòng)觀察法，本文建立了具有最大功率點(diǎn)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。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(duì)比了不同方法性能差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三階段充電方法。并對(duì)所選用的跟蹤算法進(jìn)行了仿真。 蓄電池的參數(shù)計(jì)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。（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。 光伏電池的參數(shù)計(jì)算太陽(yáng)能電池的容量，由選用的蓄電池組容量與工作地點(diǎn)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。[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。它的其他參數(shù)為：，最大功率100W，工作溫度40℃至85℃。（2）系統(tǒng)可在無(wú)人看護(hù)的情況下自動(dòng)切換工作模式，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作。（4）蓄電池過(guò)放電保護(hù)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(dòng)切斷LED路燈，避免蓄電池過(guò)放電。 硬件設(shè)計(jì)方案本課題研究的太陽(yáng)能路燈控制器以51單片機(jī)為主控芯片。而放電電路則采用Boost型升壓電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的恒流驅(qū)動(dòng)。第5章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 充電電路充電電路由BuckBoost型降升壓電路和環(huán)路開(kāi)關(guān)組成。環(huán)路開(kāi)關(guān)作用是接通或者斷開(kāi)環(huán)路，控制開(kāi)始或結(jié)束充電并防止蓄電池向太陽(yáng)能電池反充。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(lái)的。其電路組成如圖52所示。開(kāi)關(guān)閉合期間能量從電源注入并存于電感L，此時(shí)二極管被反偏截止，由濾波電容放電提供負(fù)載電流。圖52 BuckBoost變換器電路圖53 開(kāi)關(guān)閉合時(shí)等效電路 圖54 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效電路如果開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間比較短，電感的磁儲(chǔ)能比較少，那么能向輸出端饋送的能量就少，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出端的電壓就維持在一個(gè)較低的數(shù)值之上；反之如果開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間比較長(zhǎng)，閉合期間電感L的儲(chǔ)能比較多，則每個(gè)周期向輸出端饋送的能量就多一些，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓就可以維持在一個(gè)比較高的數(shù)值之上。（2）主要參數(shù)計(jì)算 按照?qǐng)D53和圖54的等效電路，利用變換器穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電感電流凈波動(dòng)量等于零的特點(diǎn)，建立開(kāi)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(dá)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(dá)式為： (54)式中 R——負(fù)載阻值取45Ω ——開(kāi)關(guān)頻率，取50KHZ δ——電感電流的相對(duì)波動(dòng)度。電容C計(jì)算公式為： (55)式中 γ——輸出紋波系數(shù)。 放電電路系統(tǒng)的放電回路即LED路燈的供電電路，當(dāng)進(jìn)入夜間時(shí)，充電回路斷開(kāi)，蓄電池單獨(dú)為L(zhǎng)ED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L(zhǎng)ED燈提供恒定的電流。其中VT1控制電路輸出電流，VT2控制LED燈的工作模式。與串聯(lián)式開(kāi)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。開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)的等效電路如圖5圖58所示。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(guò)釋放電荷的形式提供。 圖57 開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)等效電路 圖58 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)等效電路開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間越長(zhǎng)，電感中的電流也就越大，磁儲(chǔ)能也就越多，因此輸出端的電壓也就越高。（2）主要參數(shù)計(jì)算 根據(jù)文獻(xiàn)[27]中的分析方法，得出了計(jì)算Boost變換器的增益M的公式： (56)電路中電感L的計(jì)算公式為: (57)電容C計(jì)算公式為： (58)算得電容的值為280μF，取300μF。 信號(hào)采集電路（1）電壓采集電路 本系統(tǒng)需要采集太陽(yáng)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(jí)放大電路將信號(hào)處理為AD轉(zhuǎn)換芯片可接受的數(shù)值。同時(shí)在太陽(yáng)能電池回路中串聯(lián)一個(gè)二極管，二極管防止反充電，這個(gè)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]。第6章 控制器的軟件開(kāi)發(fā) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述 總體設(shè)計(jì)本控制器以單片機(jī)為核心。在白天，周期性的采集太陽(yáng)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(jìn)入不同的控制流程。整個(gè)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。夜間放電流程主要實(shí)現(xiàn)LED的不同放電工作模式，即控制PWM占空比和放電時(shí)間的長(zhǎng)短。 總體軟件流程本系統(tǒng)包括三種工作狀態(tài)：太陽(yáng)能對(duì)蓄電池的充電、蓄電池對(duì)LED的放電和系統(tǒng)等待狀態(tài)。系統(tǒng)總體控制如下圖所示。之后檢測(cè)當(dāng)前是否為照明設(shè)定時(shí)間，如果是照明時(shí)間，程序轉(zhuǎn)到LED燈照明控制子程序，否則檢測(cè)太陽(yáng)能電池的端口電壓是否大于啟動(dòng)電壓，若滿足充電條件，則系統(tǒng)對(duì)蓄電池充電，否則繼續(xù)對(duì)時(shí)鐘和太陽(yáng)能電池輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)。 系統(tǒng)軟件具體設(shè)計(jì) 充電控制程序?qū)τ谝粋€(gè)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(zhǎng)蓄電池的使用壽命。其具體過(guò)程是：當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限Uc時(shí)，實(shí)施MPPT充電；當(dāng)檢測(cè)U=Uc時(shí)，如果此時(shí)充電電流大于轉(zhuǎn)換門(mén)限值Ic，則對(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓充電(CV)；若IIc，則轉(zhuǎn)換為浮充充電(VF)。 放電控制程序在LED工作的時(shí)候，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的電壓，以免蓄電池過(guò)放電。= V，如果小于則關(guān)斷LED燈。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(duì)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的各部分工作原理及特性進(jìn)行了介紹，對(duì)常用的充電方法、蓄電池保護(hù)方式以及LED 驅(qū)動(dòng)作了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款集三階段充電法蓄電池充電、充放電保護(hù)和LED驅(qū)動(dòng)控制的控制器。參考文獻(xiàn)1 吳繼杭．太陽(yáng)能—21世紀(jì)的主要能源．杭氧科技．2003，（3）：222 隋崗．小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)．青島大學(xué)碩士學(xué)位論文3 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