智能化小区LED路灯光伏充电器的设计

摘要： 提出了一种新型的智能化小区大功率Light Emitting Diode （LED）路灯光伏充电器的设计方案， 给出了白光LED的工作特性和太阳电池的工作特性以及此光伏充电器的主电路拓扑结构， 分析了基于Microchip 公司的PIC16F874芯片实现的控制策略和最大功率跟踪（ MPPT） 原理。最后给出了此充电器的工作原理框图和控制原理框图。实际运行表明， 该LED 路灯光伏充电器系统具有显着优点。

目前，在各大中型城市中一大批智能化小区、花园别墅、智能大型综合体育设施等建筑拔地而起， 客观上要求有与其相配套的高效能环保的照明设备的出现。LED 是发光二极管的统称， 它工作在低电压、小电流的状态下， 所以具有发热量小、功耗低的显着特征。而且其使用方面， 可以根据不同场合的使用要求方便地进行多颗LED 的组合。所以在LED 技术基础上发展起来的LED 光伏路灯是一种新型环保且具有高光效的节能设备， 具有安全抗震、使用方便、费用低、寿命长、节约能源、无污染等优点， 在许多领域可代替现在广泛使用的白炽灯、日光灯等光效相对较低的照明设备。其工作原理就是通过太阳电池光伏阵列将太阳能转化为电能， 给蓄电池进行充电， LED 驱动器则通过蓄电池为其提供工作电源， 完成对LED 灯的驱动和保护功能。其优点是克服了目前市场上所使用的其它照明设备普遍存在的耗能大、光效差、不稳定、蓄电池使用寿命短等多种弊端。大功率LED 路灯充电器设计的一个关键的部分就是光伏充电器的设计问题， 因为光伏充电器不仅完成了把太阳能转换成电能的重任， 而且还对蓄电池提供了智能充电管理， 因此光伏充电器的性能直接决定了太阳能能量利用的效率和系统使用的寿命。本文从原理、控制策略和实际应用等几个方面介绍一种光伏充电器及其控制系统的设计思想。

1 系统构成

1.1 LED 的工作特性

发光二极管LED（Light Emitting Diode）的工作原理是在半导体p-n 结上加一正向电压， 从而使其电子与空穴复合（即结区变窄）， 这种复合是电子从高能级的导带释放能量回到价带与空穴复合， 其释放的能量以光子的形式出现， 即发光。

根据半导体物理中的公式： λ=1.24/Eg式中： Eg 为半导体材料导带与价带之间的禁带宽度， λ为波长。从式中可以看出， 对于不同材料的半导体来说， 由于它们的Eg 不同， 因此它们的波长# 也不一样， 所以发光的颜色不同。显然， 一般LED 多为单颜色光， 如红光、绿光、黄光、蓝光等。所谓白光是多种颜色的光混合而成， 以人类眼睛所能见到的白光形式至少必须两种以上的光混合， 一般有下列两种混合方式： 二波长光———蓝光与黄光混合； 三波长光———红光、绿光与蓝光混合。目前已经商品化的白光LED 产品多为二波段蓝光单晶片加上YAG 黄色荧光粉； 三波长光以四轴飞行器紫外线光晶片加R、G、B 三颜色荧光粉。此外， 有机单层三波长型白光LED 也有成本低、制作容易等优点。

1.2 太阳电池的工作特性

图1、图2 分别给出了太阳电池温度在25 ℃时， 工作电压、电流和日照（ W/m2） 的关系曲线及太阳电池的输出功率和日照、电压之间的曲线。

从图1 的I/U 关系可以看出， 太阳电池阵列既非恒压源，也非恒流源， 而是一种非线性直流电源， 电池输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定， 最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。由图2 可知， 太阳电池的工作效率等于输出功率与投射到太阳电池面积上的功率之比。因此， 为了提高本系统的工作效率， 必须尽可能地使太阳电池在最大功率点处工作， 这样就可以用功率尽可能小的太阳电池获得最大的功率输出， 这就是进行最大功率点跟踪的意义所在。如图1 和图2 所示， 图中的A、B、C、D、E 点分别对应不同日照时的最大功率点。

1.3 铅酸蓄电池的工作特性

目前在光伏充电器系统中大量使用的是铅酸蓄电池， 它的工作原理是依靠铅酸正极的活性物质二氧化铅（ PbO2） 和负极的活性物质海绵状铅（ Pb） 与电解液硫酸（ H2SO4） 进行化学反应生成硫酸铅（ PbSO4） , 在此工作过程中将引起硫酸（ H2SO4） 的减少， 而且在正极板上不断生成水（ H2O） , 从而引起电解液的密度降低。在充电期间， 正极极板上的硫酸铅（ PbSO4） 氧化成了二氧化铅（ PbO2） , 此时负极极板上的硫酸铅（ PbSO4） 还原成铅（ Pb） , 同时生成硫酸（ H2SO4） , 耗去了蓄电池中的水（ H2O） , 使电池中电解液的密度上升， 完成充电过程。

2 系统的工作原理

2.1 系统的主控制芯片介绍

充电器系统的硬件框图如图3 所示。

主控芯片采用Microchip 公司的PIC16F874, 它采用RISC 指令系统， 哈佛总线结构， 低功耗， 高速度。内部集成了ADC、SPI 和Flash 程序存储器等模块， 具有10 位A/ D 转换、PWM 输出、LCD 驱动等功能， 此外它还带有128 个字节的E2PROM 存储器， 能方便写入调整量以备后用。PIC16F874通过SPI 接口可以实现与CAN 控制器MCP2510 的无缝连接， 且同时同步串行模块（ SSP） 为以后与工控机联网奠定了基础。PIC16F874 的I/O 资源丰富， 共有A、B、C、D、E 五个I/O口， 每个I/O 口除了基本用途外还有一些特殊功能。丰富的资源和强大的功能， 使之十分适合于作为控制系统的控制核心芯片。

2.2 系统的工作过程分析

充电器系统的控制框图如图4 所示。

由图4 可以看出， 在蓄电池充电阶段， 控制回路电压环仅由太阳电池电压构成。此时， 电压环的输出为电流环的给定，通过检测主电路中蓄电池的充电电流与给定电流相比较来改变SG3525 的输出脉冲宽度， 使太阳电池的电压跟踪给定电压。由图1 可知， 当太阳电池电压下降， 在稳态时， 太阳电池电压等于给定电压， 电流环的给定亦为稳定值， 蓄电池的充电电流等于给定电流； 反之， 当太阳电池电压小于给定电压时，SG3525 输出脉冲宽度作用于驱动电路以驱动功率器件， 使其导通占空比减小， 蓄电池充电电流变小， 工作电压增加， 电路达到稳态时太阳电池电压等于给定电压。在过充电阶段， 两个电路均起作用， 电压环由太阳电池电压构成的电路和蓄电池构成的电路组成， 此时， 蓄电池电压和给定太阳电池工作电压之和大于太阳电池电压， 偏差信号经过PI 调节后加到SG3525 的电流输入端， 使SG3525 输出脉冲宽度减小， 蓄电池充电电流变小。由图1 可知， 太阳电池实际工作电压渐渐增大， 直到稳态时， 工作于开路状态， 蓄电池充电电流为零， 从而实现了过充保护。

此外可以通过Modbus 通信标准使模块控制器以主（ 即上位机） —从（ 即下位机） 方式进行通信， 对光伏充电器的运行情况和LED 灯的运行情况通过若干控制器或其它Modbus设备通过RS485 总线组建成Modbus 网络， 可以成功地实现网络化远程监控系统。

3 太阳电池的最大功率点跟踪（MPPT）

对于光伏充电系统来说， 系统首先采用太阳电池阵列对蓄电池进行充电， 以化学能的形式将太阳能储存在蓄电池中。在这个过程中， 由于光伏阵列的伏安特性具有强烈非线性的特点， 在控制策略中通常采用自寻最优控制方式使太阳电池工作在最大功率点处。整个控制过程可以分解成两个阶段进行：

（1） 确定出太阳电池工作在最大功率点时的输出电压值Uref;

（2） 改变太阳电池对蓄电池的充电电流使太阳电池的输出电压稳定在Uref。

这两个阶段是由控制电路通过检测太阳电池的输出电压和电流， 采用逐次比较法来实现的。它的搜索起始点应在接近阵列开路电压处， 在稳态工作点上的时候光伏阵列的工作电压值应在最大功率电压值附近搜索， 其搜索的幅度越小，MPPT 的精度就越高。其最大功率点跟踪控制过程如图5 所示， 它保证系统不论在何种日照及温度条件下， 始终使太阳能光伏阵列工作在最大功率点， 使充电器系统工作时获得较高的稳定性和输出效率。

4 结论

经实际运行表明， 该LED 路灯光伏充电器系统具有以下显着优点：

（ 1） LED 固体光源具有耐抗震、抗冲击、光效高、寿命长和无污染；

（ 2） 电路具有结构简单、工作稳定可靠、性价比高、实时性强等特点；

（ 3） 使用双闭环的控制策略， 较好地改善了蓄电池的工作状态， 保证了充电质量；

（ 4） 实现LED 路灯光伏充电器的自动充电过程， 提高了蓄电池的使用寿命；

（ 5） 使用通用型号的蓄电池， 便于推广应用和现有普通光源路灯的更新换代；

（ 6） 利用取之不尽， 用之不竭无污染的太阳能， 不用挖坑布线， 体现了绿色能源环保利用。