太陽能景觀燈設(shè)計

1、太陽能景觀燈設(shè)計目錄n 太陽能景觀燈設(shè)計方案電路介紹太陽能景觀燈設(shè)計方案電路介紹n 光伏控件介紹光伏控件介紹n 充電電路設(shè)計介紹充電電路設(shè)計介紹n 放電電路設(shè)計介紹放電電路設(shè)計介紹n 具體電路設(shè)計方案和功能簡介具體電路設(shè)計方案和功能簡介n 光伏器件選擇優(yōu)化光伏器件選擇優(yōu)化太陽能景觀燈設(shè)計n （1）不需要使用外部供電環(huán)保節(jié)能。）不需要使用外部供電環(huán)保節(jié)能。n （2）可以獨立使用在多種場合，具有美觀和實用性。）可以獨立使用在多種場合，具有美觀和實用性。n （3）本次實驗采用電路和設(shè)計程序達到一方面能夠?qū)㈦姡┍敬螌嶒灢捎秒娐泛驮O(shè)計程序達到一方面能夠?qū)㈦姵匕迥芰孔畲笙蘖康拇鎯Γ妼г隽糠ǐ@得最大功率追

2、蹤池板能量最大限量的存儲（電導增量法獲得最大功率追蹤和三步法充電）另一方面對負載供電中可以節(jié)能控制輸出。和三步法充電）另一方面對負載供電中可以節(jié)能控制輸出。n （4）通過實際測試當?shù)氐年柟猸h(huán)境進行優(yōu)化，在保證）通過實際測試當?shù)氐年柟猸h(huán)境進行優(yōu)化，在保證滿滿足負載供電需要的前提下足負載供電需要的前提下, 確定使用的太陽能電池組件功確定使用的太陽能電池組件功率和蓄電池組件容量最小率和蓄電池組件容量最小, 以盡量減少初始投資以盡量減少初始投資。n （5）在控制電路設(shè)計過程中使用改進后的）在控制電路設(shè)計過程中使用改進后的BUCK降壓電降壓電路能夠更好的控制占空比調(diào)節(jié)路能夠更好的控制占空比調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動

3、對蓄電池充電，驅(qū)動對蓄電池充電，不需要另外附加計時電路，且在陰雨天可以根據(jù)需要控制不需要另外附加計時電路，且在陰雨天可以根據(jù)需要控制開啟或者關(guān)閉。開啟或者關(guān)閉。n （6）通過程序控制電壓來調(diào)控景觀燈顏色和亮度變化。）通過程序控制電壓來調(diào)控景觀燈顏色和亮度變化。設(shè)計電路方案圖電池板電池U-I檢測單片機控制蓄電池DC-DC升壓負載DC-DC降壓電路說明本次設(shè)計采用：本次設(shè)計采用：（1）通過檢測電池板）通過檢測電池板U-I曲線用電導增量的方法獲曲線用電導增量的方法獲得最大功率點跟蹤。程序較為復雜但可以更加精得最大功率點跟蹤。程序較為復雜但可以更加精確的提高電池板能量的存儲量。確的提高電池板能量的存儲

4、量。（2）對蓄電池充電當中使用三步法，即）對蓄電池充電當中使用三步法，即MPPT充電，充電，恒壓充電，浮充，一方面提高充電效率另一方面恒壓充電，浮充，一方面提高充電效率另一方面提高電池使用壽命。提高電池使用壽命。（3）利用單片機編程可以控制景觀燈亮度變化和顏）利用單片機編程可以控制景觀燈亮度變化和顏色轉(zhuǎn)換。色轉(zhuǎn)換。（4）通過檢測蓄電池的）通過檢測蓄電池的U-I輸入到單片機中通過控輸入到單片機中通過控制來實現(xiàn)對負載的調(diào)控，以免欠壓狀態(tài)下蓄電池制來實現(xiàn)對負載的調(diào)控，以免欠壓狀態(tài)下蓄電池損壞。損壞。（5）單片機控制電壓由蓄電池提供。）單片機控制電壓由蓄電池提供。光伏控制器介紹 光伏控制器是光伏控制器

5、是太陽能光伏發(fā)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，能電系統(tǒng)中，能自動防止蓄電自動防止蓄電池組過充電和池組過充電和過放電并具有過放電并具有簡單測量功能簡單測量功能的電子設(shè)備的電子設(shè)備。 注：開關(guān)器件，可以是繼電器，也可以是MOSFET模塊。但PWM脈寬調(diào)制控制器，只能用MOSFET模塊作為開關(guān)器件。 光伏控制器分類（1 1）并聯(lián)型控制器：當蓄電池充滿時，利用電子部）并聯(lián)型控制器：當蓄電池充滿時，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內(nèi)部并聯(lián)電阻器或功件把光伏陣列的輸出分流到內(nèi)部并聯(lián)電阻器或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉。（用于小率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉。（用于小型、低功率系統(tǒng)電流在型、低功率系統(tǒng)電流在

6、2A2A以內(nèi)）以內(nèi)）（2 2）串聯(lián)型控制器：利用機械繼電器控制充電過程，）串聯(lián)型控制器：利用機械繼電器控制充電過程，并在夜間切斷光伏陣列（用于較高功率系統(tǒng)電流并在夜間切斷光伏陣列（用于較高功率系統(tǒng)電流在在4A5A4A5A以上的串聯(lián)控制器）以上的串聯(lián)控制器）光伏控制器分類（3）脈寬調(diào)制型控制器：它以脈寬調(diào)制型控制器：它以PWM脈沖方式開關(guān)脈沖方式開關(guān)光伏陣列的輸入。當蓄電池趨向充滿時，脈沖的光伏陣列的輸入。當蓄電池趨向充滿時，脈沖的頻率和時間縮短。頻率和時間縮短。（這種充電過程形成較完整的（這種充電過程形成較完整的充電狀態(tài)，它能增加光伏系統(tǒng)中蓄電池的總循環(huán)充電狀態(tài)，它能增加光伏系統(tǒng)中蓄電池的總循

7、環(huán)壽命）壽命）（4）智能型控制器：）智能型控制器： 采用帶采用帶CPU的單片機對光伏的單片機對光伏電源系統(tǒng)的運行參數(shù)進行高速實時采集，并按照電源系統(tǒng)的運行參數(shù)進行高速實時采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程序?qū)温坊蚨嗦饭夥囈欢ǖ目刂埔?guī)律由軟件程序?qū)温坊蚨嗦饭夥嚵羞M行切離列進行切離/接通控制。接通控制。光伏控制器分類（5 5）最大功率跟蹤最大功率跟蹤（MPPTMPPT）型控制器型控制器：根據(jù)調(diào)整：根據(jù)調(diào)整MPPTMPPT，采用采用PWMPWM調(diào)制方式，使充電電流成為脈沖電調(diào)制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。注：在實際工作

8、研發(fā)過程中（4）和（5）使用較多，一方面可以提高電池能量利用率，另一方面可以更好控制與逆變器蓄電池之間的連接與控制。光伏控制器功能n （1）高壓（）高壓（HVD）斷開和恢復功能）斷開和恢復功能n （2）欠壓（）欠壓（LVG）告警和恢復功能）告警和恢復功能n （3） 低壓（低壓（LVD）斷開和恢復功能）斷開和恢復功能n （4） 保護功能：保護功能：n 防止任何負載短路的電路保護。防止任何負載短路的電路保護。n 防止充電控制器內(nèi)部短路的電路保護。防止充電控制器內(nèi)部短路的電路保護。n 防止夜間蓄電池通過太陽電池組件反向放電保護。防止夜間蓄電池通過太陽電池組件反向放電保護。n 防止負載、太陽電池組件或

9、蓄電池極性反接的電防止負載、太陽電池組件或蓄電池極性反接的電路保護。路保護。n 在多雷區(qū)防止由于雷擊引起的擊穿保護。在多雷區(qū)防止由于雷擊引起的擊穿保護。n （5）溫度補償功能：當蓄電池溫度低于）溫度補償功能：當蓄電池溫度低于25時，蓄電池時，蓄電池應(yīng)要求較高的充電電壓，以便完成充電過程。相反，高于應(yīng)要求較高的充電電壓，以便完成充電過程。相反，高于該溫度蓄電池要求充電電壓較低。該溫度蓄電池要求充電電壓較低。充放電電路設(shè)計n 1.1.在充電電路部分，在充電電路部分，實現(xiàn)實現(xiàn)了太陽能電池組件的最了太陽能電池組件的最大功率點跟蹤和蓄電池充電策略的優(yōu)化。設(shè)計了大功率點跟蹤和蓄電池充電策略的優(yōu)化。設(shè)計了基

10、于基于 Buck Buck 型的型的 DC-DC DC-DC 電路，采用了電導增量法電路，采用了電導增量法實現(xiàn)了最大功率點的跟蹤?；趯崿F(xiàn)了最大功率點的跟蹤?；?Buck Buck 電路，對電路，對蓄電池實施了三階段充電方法。在充電過程中，蓄電池實施了三階段充電方法。在充電過程中，充電電流的變化趨勢符合鉛酸蓄電池的馬斯充電充電電流的變化趨勢符合鉛酸蓄電池的馬斯充電曲線，具備一定的科學性。曲線，具備一定的科學性。n 2 2. .在放電電路部分，結(jié)合控制器硬件電路，設(shè)計在放電電路部分，結(jié)合控制器硬件電路，設(shè)計了恒流源驅(qū)動電路，通過驅(qū)動電路的設(shè)計，保證了恒流源驅(qū)動電路，通過驅(qū)動電路的設(shè)計，保證蓄電

11、池穩(wěn)定的輸出恒流，優(yōu)化了系統(tǒng)的可靠性，蓄電池穩(wěn)定的輸出恒流，優(yōu)化了系統(tǒng)的可靠性，增強了蓄電池的使用壽命。增強了蓄電池的使用壽命。n 3.考慮到太陽能控制器自身的功耗和效率，本課考慮到太陽能控制器自身的功耗和效率，本課題摒棄了一些傳統(tǒng)的設(shè)計方案，采用了多題摒棄了一些傳統(tǒng)的設(shè)計方案，采用了多 MOSFET 功率管相融合的技術(shù)，設(shè)計出了安全、功率管相融合的技術(shù)，設(shè)計出了安全、高效的電源防反接電路、防反充電路、過流保護高效的電源防反接電路、防反充電路、過流保護以及自恢復式的短路保護，提高了整個系統(tǒng)運行以及自恢復式的短路保護，提高了整個系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。的可靠性與穩(wěn)定性。n 4.完成了基于完成了

12、基于 MSP430F235 太陽能控制器的硬件太陽能控制器的硬件電路設(shè)計、電路板的繪制和電路的焊接，并且利電路設(shè)計、電路板的繪制和電路的焊接，并且利用用 C 語言編制了相應(yīng)的控制程序，實現(xiàn)了太陽能語言編制了相應(yīng)的控制程序，實現(xiàn)了太陽能路燈控制器的充、放電控制功能路燈控制器的充、放電控制功能。獨立太陽能路燈照明系統(tǒng)中?；趯嶋H的需求，設(shè)計功能如下：1.充電模塊功能：1) 具有過充自動關(guān)斷、恢復功能。2) 具有防反接、防反充保護，防雷擊功能。3) 具有指示功能：太陽能電池組件的充電指示功能、蓄電池電壓狀態(tài)指示功能。4) 多模式充電功能：采用了多種充電模式，充分利用了太陽能電池組件，并且保證蓄電池工

13、作在最佳狀態(tài)，延長了電池的壽命。5) 顯示功能：用八段碼顯示各種工作模式，方便用戶的檢測和維護，使用戶在使用的時候盡可能的操作方便、可靠、安全。n 2.放電模塊功能：放電模塊功能：n 1) 具有過放自動關(guān)斷、恢復功能，負載過流保護具有過放自動關(guān)斷、恢復功能，負載過流保護和短路保護的功能。和短路保護的功能。n 2) 具有防反接、防雷擊的功能。具有防反接、防雷擊的功能。n 3) 指示功能：負載工作狀態(tài)功能指示和故障指示指示功能：負載工作狀態(tài)功能指示和故障指示功能。功能。n 4) 恒流驅(qū)動功能：該功能保證了負載供電的穩(wěn)定恒流驅(qū)動功能：該功能保證了負載供電的穩(wěn)定性以及可靠性。性以及可靠性。獨立照明系統(tǒng)

14、需求n 獨立照明系統(tǒng)由太陽能電池組件、蓄電池、控制獨立照明系統(tǒng)由太陽能電池組件、蓄電池、控制器和器和 LED 燈這四個部分所組成。燈這四個部分所組成。n 太陽能電池組件是整個系統(tǒng)的能量來源，它將太太陽能電池組件是整個系統(tǒng)的能量來源，它將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能。n 蓄電池是路燈照明系統(tǒng)當中的儲能設(shè)備。它的性蓄電池是路燈照明系統(tǒng)當中的儲能設(shè)備。它的性能和系統(tǒng)的充電方式有很大的關(guān)系，只有結(jié)合蓄能和系統(tǒng)的充電方式有很大的關(guān)系，只有結(jié)合蓄電池的性能選擇最合適充電方式，才可以最大限電池的性能選擇最合適充電方式，才可以最大限度安全、可靠的使用蓄電池。度安全、可靠的使用蓄電池。n 本系統(tǒng)選

15、用了鉛酸蓄電池作為儲能設(shè)備。本系統(tǒng)選用了鉛酸蓄電池作為儲能設(shè)備。LED燈性能n LED 燈當中的發(fā)光二極管主要由燈當中的發(fā)光二極管主要由 PN 結(jié)芯片、光學系統(tǒng)、結(jié)芯片、光學系統(tǒng)、電極組成。其優(yōu)點如下：電極組成。其優(yōu)點如下：1節(jié)能：節(jié)能：LED 發(fā)光顏色更接近于自然光，與高壓鈉燈相比，發(fā)光顏色更接近于自然光，與高壓鈉燈相比，人眼感到同樣亮度時所需的光強就低很多。人眼感到同樣亮度時所需的光強就低很多。2長壽：由于大功率長壽：由于大功率 LED 路燈是由很多路燈是由很多 LED 光源組成，光源組成，即使個別的損壞了也不會對正常照明產(chǎn)生太大影響，不像即使個別的損壞了也不會對正常照明產(chǎn)生太大影響，不像

16、高壓鈉燈損壞時全部燈熄滅，大功率高壓鈉燈損壞時全部燈熄滅，大功率 LED 路燈壽命長達路燈壽命長達 5 萬小時，是高壓鈉燈的十幾倍，戶外使用壽命長達萬小時，是高壓鈉燈的十幾倍，戶外使用壽命長達 10 年以上。年以上。3顯色性好：大功率顯色性好：大功率 LED 路燈顯色性大大高于高壓鈉燈，路燈顯色性大大高于高壓鈉燈，高壓鈉燈以金屬鈉蒸汽為發(fā)光源，光線呈單一偏黃，與陽高壓鈉燈以金屬鈉蒸汽為發(fā)光源，光線呈單一偏黃，與陽光相差甚遠，而光相差甚遠，而 LED 路燈發(fā)出的是白色光，色彩更真實，路燈發(fā)出的是白色光，色彩更真實，也不存在危害性的紫外光線和紅外光線，不吸引昆蟲。也不存在危害性的紫外光線和紅外光線

17、，不吸引昆蟲。4無頻閃：大功率無頻閃：大功率 LED 路燈采用直流供電，加上路燈采用直流供電，加上光電獨有的恒流裝置，使大功率光電獨有的恒流裝置，使大功率 LED 路燈發(fā)光恒路燈發(fā)光恒定，徹底無閃爍。定，徹底無閃爍。5快速響應(yīng)：高壓鈉燈等高強度氣體放電燈有延遲快速響應(yīng)：高壓鈉燈等高強度氣體放電燈有延遲效應(yīng)，要在點燃效應(yīng)，要在點燃 15 分鐘后才能達到其分鐘后才能達到其 90%100%光通量，而大功率光通量，而大功率 LED 路燈通電即可達到路燈通電即可達到正常亮度，無開燈正常亮度，無開燈28 智能型太陽能路燈控制器的智能型太陽能路燈控制器的研制延時現(xiàn)象。研制延時現(xiàn)象。6安全：安全：LED 照明

18、是一種固態(tài)照明，可以有效的照明是一種固態(tài)照明，可以有效的防震，對于類似震動比較大的高速公路及對安全防震，對于類似震動比較大的高速公路及對安全性要求更高的隧道和礦井等尤其適用。性要求更高的隧道和礦井等尤其適用。7優(yōu)良的散熱性能：低熱阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的散優(yōu)良的散熱性能：低熱阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的散熱設(shè)計，保證了熱設(shè)計，保證了 LED 的的 PN 結(jié)結(jié)溫度不會超過結(jié)結(jié)溫度不會超過 75度度，從而保證了，從而保證了 LED 的發(fā)光效率和工作壽命。的發(fā)光效率和工作壽命?？刂破鲗ED負載作用n 控制器部分由充電電路、放電電路、電流電壓檢控制器部分由充電電路、放電電路、電流電壓檢測電路和測電路和 MCU

19、以及輔助電路等部分組成。以及輔助電路等部分組成。n 一般太陽能電池組件輸出的電壓不穩(wěn)定，鉛酸蓄一般太陽能電池組件輸出的電壓不穩(wěn)定，鉛酸蓄電池和電池和 LED 燈的壽命也受到諸多條件的影響。因燈的壽命也受到諸多條件的影響。因此，不能直接將太陽能電池組件聯(lián)接此，不能直接將太陽能電池組件聯(lián)接 LED 燈，也燈，也不便直接給儲能設(shè)備蓄電池充電，不當?shù)某潆姺讲槐阒苯咏o儲能設(shè)備蓄電池充電，不當?shù)某潆姺绞綍κ綍?LED 燈和蓄電池造成嚴重影響，縮短了使燈和蓄電池造成嚴重影響，縮短了使用壽命，降低了穩(wěn)定性和可靠性。在本系統(tǒng)中，用壽命，降低了穩(wěn)定性和可靠性。在本系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池和鉛酸蓄電池和 LED燈的成

20、本占很大的比例，如果燈的成本占很大的比例，如果這兩者不能得到很好保護，通常會造成嚴重的經(jīng)這兩者不能得到很好保護，通常會造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，需要采用相關(guān)的電力電子電路，濟損失。因此，需要采用相關(guān)的電力電子電路，先將太陽能電池組件產(chǎn)生的電能以一定的方式儲先將太陽能電池組件產(chǎn)生的電能以一定的方式儲存到鉛酸蓄電池中，在適當?shù)臅r候再控制蓄電池存到鉛酸蓄電池中，在適當?shù)臅r候再控制蓄電池向負載向負載 LED 放電?？刂破髟谶@個過程中起著樞紐放電?？刂破髟谶@個過程中起著樞紐作用，決定著系統(tǒng)使用性能的好壞。作用，決定著系統(tǒng)使用性能的好壞。照明系統(tǒng)電路n 基于實際系統(tǒng)的需求，我們在此選用美國德州儀基于實際系

21、統(tǒng)的需求，我們在此選用美國德州儀器（器（TI）公司設(shè)計的）公司設(shè)計的 MSP430F235 作為作為 MCU。這是德州儀器這是德州儀器 1996年推向市場的一種年推向市場的一種 16 位低功位低功耗的混合信號處理器，耗的混合信號處理器，3.3V 電源供電，其活動模電源供電，其活動模式耗電式耗電 250A/MIPS(MIPS：每秒百萬條指令數(shù)：每秒百萬條指令數(shù))，IO 輸入端口的漏電流最大僅輸入端口的漏電流最大僅 50nA。具有。具有 16 位位 RISC 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，125ns指令周期，具有很高的指令執(zhí)指令周期，具有很高的指令執(zhí)行速度和效率。內(nèi)部集成有行速度和效率。內(nèi)部集成有 12 位精度位精

22、度 A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，可選擇同步和異步串行通信接口。內(nèi)置溫度器，可選擇同步和異步串行通信接口。內(nèi)置溫度測試電路，可方便地實現(xiàn)傳感器的溫度補償。測試電路，可方便地實現(xiàn)傳感器的溫度補償。n 在在 MSP430F235 單片機的外圍，設(shè)計了輔助電單片機的外圍，設(shè)計了輔助電路、電流電壓檢測電路、充電模塊、放電模塊、路、電流電壓檢測電路、充電模塊、放電模塊、按鍵和顯示電路等幾部分按鍵和顯示電路等幾部分。n 充電電路要求能夠通過改變開關(guān)管的占空比而改充電電路要求能夠通過改變開關(guān)管的占空比而改變光伏電池的工作點，完成蓄電池三個階段的充變光伏電池的工作點，完成蓄電池三個階段的充電。電。n 在放電電路中，在放

23、電電路中，通過單片機通過單片機驅(qū)動電路的輸出信號驅(qū)動電路的輸出信號將完成對功率器件開通與關(guān)斷的控制。為了提高將完成對功率器件開通與關(guān)斷的控制。為了提高系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，需要有負載保護電系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，需要有負載保護電路，主要分為過流保護和短路保護電路。過流保路，主要分為過流保護和短路保護電路。過流保護通過檢測放電電流的大小，以軟件保護的方式護通過檢測放電電流的大小，以軟件保護的方式來報警并采取相應(yīng)的切斷放電回路的保護動作來報警并采取相應(yīng)的切斷放電回路的保護動作。MCU外圍電路最大功率控制（MPPT） 為了提高太陽電池板產(chǎn)生的電能能夠最大限度的儲為了提高太陽電池板產(chǎn)生的電能能夠

24、最大限度的儲存和利用一般設(shè)計最大功率控制追蹤獲得最大功存和利用一般設(shè)計最大功率控制追蹤獲得最大功率點。率點。（1）恒定電壓控制法恒定電壓控制法（太陽能電池的最大功率點（太陽能電池的最大功率點電壓是其開路電壓的電壓是其開路電壓的76%左右）左右）（2）曲線擬合法：將太陽能電池組件的輸出特性）曲線擬合法：將太陽能電池組件的輸出特性測量出來測量出來,同時用數(shù)學表達式進行描述的方法。同時用數(shù)學表達式進行描述的方法。n (3)導納微分法導納微分法：認為在太陽能電池陣列的最大功：認為在太陽能電池陣列的最大功率點處率點處,輸出功率對輸出電壓的一階導數(shù)為零輸出功率對輸出電壓的一階導數(shù)為零。n (4)擾動觀察法

25、擾動觀察法其基本思想就是控制充擾動觀察法擾動觀察法其基本思想就是控制充電電路開關(guān)信號的占空比電電路開關(guān)信號的占空比,使之增大或者減少使之增大或者減少,從而從而改變電路的輸出功率改變電路的輸出功率,根據(jù)功率的變化來決定對占根據(jù)功率的變化來決定對占空比的控制空比的控制,是讓其減小還是讓其增大是讓其減小還是讓其增大n 恒定電壓控制法恒定電壓控制法這種方法忽略了太陽能電池溫度這種方法忽略了太陽能電池溫度對自身最大功率點的影響對自身最大功率點的影響。n 曲線擬合法缺點是受限于復雜因素的影響曲線擬合法缺點是受限于復雜因素的影響,比如溫比如溫度，老化以及電池的擊穿等度，老化以及電池的擊穿等,不容易測量。不容

26、易測量。n 擾動觀察法的缺點是擾動觀察法的缺點是系統(tǒng)必須引入擾動造成了能量的損失，系統(tǒng)必須引入擾動造成了能量的損失，降低了太陽能電池組件的工作效率。其次，步長的選擇很降低了太陽能電池組件的工作效率。其次，步長的選擇很難取到合適值。難取到合適值。n 電導增量法的優(yōu)點在于在日照強度發(fā)生變化時，太陽能電電導增量法的優(yōu)點在于在日照強度發(fā)生變化時，太陽能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動觀察法小。電壓振蕩也較擾動觀察法小。n 通過比較之后，無論光強強度和溫度如何變化，電導增量通過比較之后，無論光強強度和溫度如何變化，電導

27、增量法總能夠快速的實現(xiàn)太陽能電池組件的最大功率點跟蹤。法總能夠快速的實現(xiàn)太陽能電池組件的最大功率點跟蹤。同時，在穩(wěn)態(tài)時，太陽能電池組件的工作電壓十分穩(wěn)定，同時，在穩(wěn)態(tài)時，太陽能電池組件的工作電壓十分穩(wěn)定，工作點波動非常小。于是，在我們的工作點波動非常小。于是，在我們的 MPPT 大電流充電大電流充電過程中，我們選擇了電導增量法。過程中，我們選擇了電導增量法。電導增量法充電控制策略設(shè)計n 本課題設(shè)計并使用了新的智能充電策略：三階段充電法。本課題設(shè)計并使用了新的智能充電策略：三階段充電法。三階段充電法的優(yōu)勢在于：既能提高了充電的效率，同時三階段充電法的優(yōu)勢在于：既能提高了充電的效率，同時又保護了電

28、池容量和壽命，充電曲線近似于馬斯最佳充電又保護了電池容量和壽命，充電曲線近似于馬斯最佳充電曲線。曲線。n 路燈照明系統(tǒng)中，蓄電池處于循環(huán)使用狀態(tài)，白天的時候，路燈照明系統(tǒng)中，蓄電池處于循環(huán)使用狀態(tài)，白天的時候，光照充足，負載光照充足，負載 LED 燈關(guān)閉，蓄電池處于充電狀態(tài)。判燈關(guān)閉，蓄電池處于充電狀態(tài)。判斷此時蓄電池的電量，當蓄電池處于欠壓時，首先在第一斷此時蓄電池的電量，當蓄電池處于欠壓時，首先在第一階段進行最大功率點跟蹤（階段進行最大功率點跟蹤（MPPT）充電，這個階段充電）充電，這個階段充電電流比較大，電池的大部分電能在這一階段恢復。實驗表電流比較大，電池的大部分電能在這一階段恢復。實

29、驗表明，以明，以 MPPT 充電到限壓點時，只能充進約充電到限壓點時，只能充進約 80%的容量，的容量，于是進入第二階段。第二階段為恒壓充電，在第二階段中，于是進入第二階段。第二階段為恒壓充電，在第二階段中，將補充剩余的大約將補充剩余的大約 20%的電量。恒壓充電結(jié)束后，充電的電量。恒壓充電結(jié)束后，充電器應(yīng)自動轉(zhuǎn)入第三階段，即浮充電過程。根據(jù)電池的自放器應(yīng)自動轉(zhuǎn)入第三階段，即浮充電過程。根據(jù)電池的自放電特性，浮充電速率很低，使用電特性，浮充電速率很低，使用 PWM 脈沖充電，充電器脈沖充電，充電器將給電池補充電荷，這樣蓄電池就可以處于充足電狀態(tài)。將給電池補充電荷，這樣蓄電池就可以處于充足電狀態(tài)

30、。三階段充電曲線充電原理框圖n 太陽能電池組件輸出直流電壓，先經(jīng)過輸入濾波，太陽能電池組件輸出直流電壓，先經(jīng)過輸入濾波，然后通過然后通過 Buck 電路的電路的 DC/DC 變換，再經(jīng)過輸變換，再經(jīng)過輸出濾波，這樣就得到了滿足負載所需求的直流輸出濾波，這樣就得到了滿足負載所需求的直流輸出電壓，并且完成了能量的傳遞。電流電壓檢測出電壓，并且完成了能量的傳遞。電流電壓檢測電路負責對太陽能組件和蓄電池端電壓，進行采電路負責對太陽能組件和蓄電池端電壓，進行采樣，通過采樣之后，傳入單片機樣，通過采樣之后，傳入單片機 ADC 采樣端口。采樣端口。單片機單片機MSP430F235 作為核心，控制算法軟件運作

31、為核心，控制算法軟件運算后，再從算后，再從 PWM 輸出端口送出控制信號給驅(qū)動輸出端口送出控制信號給驅(qū)動電路，最終由驅(qū)動電路完成對功率器件開通、關(guān)電路，最終由驅(qū)動電路完成對功率器件開通、關(guān)斷的控制。斷的控制。n Buck 變換器設(shè)計中，主功率開關(guān)管驅(qū)動電路的變換器設(shè)計中，主功率開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計很重要，驅(qū)動電路設(shè)計的好壞將影響整個電設(shè)計很重要，驅(qū)動電路設(shè)計的好壞將影響整個電路的工作性能及可靠性。路的工作性能及可靠性。Buck電路驅(qū)動電路充電流程圖n 三階段充電控制流程如下：三階段充電控制流程如下： 首先，第一階段為首先，第一階段為 MPPT 大電流充電階段。在前大電流充電階段。在前面介紹過，

32、在本課題中面介紹過，在本課題中 MPPT大電流充電采用了大電流充電采用了電導增量法。本方法跟蹤比較穩(wěn)定，并且精度比電導增量法。本方法跟蹤比較穩(wěn)定，并且精度比較高。它要求在較高。它要求在 MPP 點功率對電壓求導為零，點功率對電壓求導為零，在功率對電壓導數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，而在在功率對電壓導數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，而在功率對電壓導數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在接近功率對電壓導數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在接近于零的區(qū)域保持不變，這樣就可以找到最大功率于零的區(qū)域保持不變，這樣就可以找到最大功率點。點。MPPT占空比調(diào)整n 在第二階段是恒壓充電，第三階段則是浮充電。在第二階段是恒壓充電，第三階段則是浮充

33、電。在這兩個階段中，都是以恒壓進行充電，不同的在這兩個階段中，都是以恒壓進行充電，不同的是浮充電的電壓非常小。在這樣的過程中，首先是浮充電的電壓非常小。在這樣的過程中，首先通過電流電壓檢測電路采集太陽能電池組件端電通過電流電壓檢測電路采集太陽能電池組件端電壓，將其與期望值進行比較，得到差值壓，將其與期望值進行比較，得到差值 U，進行，進行比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的控制，得到比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的控制，得到 MOSFET 的的占空比的變化量占空比的變化量 D，進而得到下一步的控制占空，進而得到下一步的控制占空比，從而使充電電壓恒定。比，從而使充電電壓恒定。恒壓充電流程n 由由 LED 燈的特性可知：光源

34、系統(tǒng)的穩(wěn)定性與驅(qū)動燈的特性可知：光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與驅(qū)動電源有很大的關(guān)系，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許電源有很大的關(guān)系，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易對其造成損壞。驅(qū)動電源的性能多因素都很容易對其造成損壞。驅(qū)動電源的性能直接影響整個光源系統(tǒng)的工作壽命、穩(wěn)定性等性直接影響整個光源系統(tǒng)的工作壽命、穩(wěn)定性等性能。能。n 采用恒流源驅(qū)動可以合理的使用電池的存儲能量，采用恒流源驅(qū)動可以合理的使用電池的存儲能量，既可以保護蓄電池壽命，又能夠穩(wěn)定的驅(qū)動既可以保護蓄電池壽命，又能夠穩(wěn)定的驅(qū)動 LED 燈發(fā)光。恒流源驅(qū)動控制電流大小，電流的大小燈發(fā)光。恒流源驅(qū)動控制電流大小，電流的大小又控制著光照的亮度，恒流

35、源驅(qū)動為又控制著光照的亮度，恒流源驅(qū)動為 LED 燈的放燈的放電提供了高質(zhì)量、高效率、高可靠性的準備。電提供了高質(zhì)量、高效率、高可靠性的準備。放電原理框圖n 當在夜間的時候，蓄電池通過放電電路給負載當在夜間的時候，蓄電池通過放電電路給負載 LED 燈供電。燈供電。 首先，當開關(guān)電路開通，蓄電池的電流可以通過首先，當開關(guān)電路開通，蓄電池的電流可以通過此電路。然后通過保護電路，到達恒流源驅(qū)動電此電路。然后通過保護電路，到達恒流源驅(qū)動電路，最終給負載路，最終給負載 LED 燈提供電流。電流電壓檢測燈提供電流。電流電壓檢測電路負責對蓄電池端電壓進行采樣，通過采樣之電路負責對蓄電池端電壓進行采樣，通過采

36、樣之后，傳入后，傳入 430 單片機單片機 ADC 采樣端口。再由采樣端口。再由 430 單片機控制開關(guān)電路的開通與關(guān)斷，并且控制恒單片機控制開關(guān)電路的開通與關(guān)斷，并且控制恒流源，使恒流源穩(wěn)定輸出電流，提供給負載流源，使恒流源穩(wěn)定輸出電流，提供給負載 LED。n 在放電電路中，我們繼續(xù)采用在放電電路中，我們繼續(xù)采用 FDB3632 作為電作為電子開關(guān)，因為子開關(guān)，因為 FDB3632 為為 N 溝道的溝道的 MOSFET，我們將開關(guān)設(shè)置在電壓低端，易于實現(xiàn)開關(guān)控制我們將開關(guān)設(shè)置在電壓低端，易于實現(xiàn)開關(guān)控制。開關(guān)電路負載保護原理n 進入夜間狀態(tài)，也就是系統(tǒng)檢測到的太陽能電池進入夜間狀態(tài)，也就是系

37、統(tǒng)檢測到的太陽能電池電壓小于既定門限電壓值電壓小于既定門限電壓值Vgate，在蓄電池正常，在蓄電池正常的前提條件下，需要產(chǎn)生開燈動作，首先單片機的前提條件下，需要產(chǎn)生開燈動作，首先單片機在在 K5 引腳給出一高電平，此時引腳給出一高電平，此時 Q9 開通，此時開通，此時 R5，R6 和光耦體內(nèi)二極管構(gòu)成環(huán)路，光耦開通，和光耦體內(nèi)二極管構(gòu)成環(huán)路，光耦開通，Q5 截止。此時負載的放電環(huán)路接通與否就由截止。此時負載的放電環(huán)路接通與否就由 Q11 開關(guān)控制，若開關(guān)控制，若 K4 給出低電平，則給出低電平，則 Q11 打開，打開，因為導通溝道內(nèi)阻很小，外在表現(xiàn)將因為導通溝道內(nèi)阻很小，外在表現(xiàn)將 R5 所

38、在支所在支路短路，則蓄電池與恒流源環(huán)路接通，路短路，則蓄電池與恒流源環(huán)路接通，LED 燈亮。燈亮。負載保護原理n 若在若在 LED 路燈發(fā)生短路的非正常情況下，則因光路燈發(fā)生短路的非正常情況下，則因光耦所在支路被短路，光耦體內(nèi)發(fā)光二極管熄滅，耦所在支路被短路，光耦體內(nèi)發(fā)光二極管熄滅，也就是光耦關(guān)斷，也就是光耦關(guān)斷，Q5 基極電壓升至蓄電池電壓，基極電壓升至蓄電池電壓，Q5 導通，導通，Q5 的集電極被拉到地電位，也就是的集電極被拉到地電位，也就是 Q11(FDB2532)G 極被拉到了與極被拉到了與 S 極相同的電位，極相同的電位，VGS=0，Q11 關(guān)斷，此時也就是等效于將關(guān)斷，此時也就是等

39、效于將 R5 又又重新串回進環(huán)路，因為重新串回進環(huán)路，因為 R5 值較大，本設(shè)計中選值較大，本設(shè)計中選用用 10K，等效于回路切斷，保護了負載和控制回，等效于回路切斷，保護了負載和控制回路。路。負載保護原理n 在在 K4，K5 邏輯沒有改變的情況下，也就是邏輯沒有改變的情況下，也就是 K4 保持為低，保持為低，K5 保持為高，則保持為高，則Q11 的開通或者關(guān)的開通或者關(guān)斷由斷由 Q5 的狀態(tài)決定。如果短路情況自動消失或的狀態(tài)決定。如果短路情況自動消失或者人為消除，則者人為消除，則R40，R5，R6 和光耦體內(nèi)二極和光耦體內(nèi)二極管構(gòu)成的環(huán)路再次被接通，光耦內(nèi)部三極管導通，管構(gòu)成的環(huán)路再次被接通

40、，光耦內(nèi)部三極管導通，Q5 基極被拉至地電位，此時基極被拉至地電位，此時 Q5 截止，則截止，則 Q11 再次開通。整個過程無需外界干預(yù)，實現(xiàn)了全自再次開通。整個過程無需外界干預(yù)，實現(xiàn)了全自動可恢復的短路保護。動可恢復的短路保護。負載保護電路電流電壓檢測電路n 本本設(shè)計設(shè)計中的電流電壓檢測電路包含了對太陽能電中的電流電壓檢測電路包含了對太陽能電池組件和蓄電池的電壓采集檢測，和對充放電環(huán)池組件和蓄電池的電壓采集檢測，和對充放電環(huán)路的電流采集檢測。路的電流采集檢測。n MSP430F235 內(nèi)部集成了內(nèi)部集成了 8 通道的單斜率通道的單斜率 ADC 轉(zhuǎn)換內(nèi)核，轉(zhuǎn)換內(nèi)核，P6 端口的端口的 8 個個

41、 IO口都可作為外部口都可作為外部 AD 的輸入，的輸入，AD 轉(zhuǎn)換時鐘頻率、參考電壓和轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換時鐘頻率、參考電壓和轉(zhuǎn)換模式都可以通過寄存器的設(shè)置來進行選擇，在本模式都可以通過寄存器的設(shè)置來進行選擇，在本設(shè)計中選擇內(nèi)部標準電壓作為設(shè)計中選擇內(nèi)部標準電壓作為 AD 的參考電壓，的參考電壓，外部模擬信號都必須經(jīng)過調(diào)理才能送入單片機外部模擬信號都必須經(jīng)過調(diào)理才能送入單片機 AD 通道，然后單片機對經(jīng)過通道，然后單片機對經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行分析處理，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用。進行分析處理，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用。蓄電池電壓檢測電路負載電流檢測電路n 一般常用的一般常用的 LED LED

42、 驅(qū)動電源大致分為四類：電阻驅(qū)動電源大致分為四類：電阻限流，線性控制，電荷泵類、開關(guān)電源類。限流，線性控制，電荷泵類、開關(guān)電源類。n 通過通過 LED LED 的參數(shù)和發(fā)光亮度，我們可以得到的參數(shù)和發(fā)光亮度，我們可以得到 LED LED 的直流電的直流電30 30 智能型太陽能路燈控制器的研智能型太陽能路燈控制器的研制流，從而就可以得到制流，從而就可以得到 LED LED 的端電壓。這個方的端電壓。這個方案相對簡單，且便于實施，僅需要一個限流電阻案相對簡單，且便于實施，僅需要一個限流電阻就可控制就可控制 LED LED 燈的光強。但是，這種方法也存燈的光強。但是，這種方法也存在很大的問題，限流

43、電阻會消耗很大的功率，使在很大的問題，限流電阻會消耗很大的功率，使得系統(tǒng)的效率降低。同時，電阻的調(diào)節(jié)精度也有得系統(tǒng)的效率降低。同時，電阻的調(diào)節(jié)精度也有限，微小的電壓輸入變化就會導致白光限，微小的電壓輸入變化就會導致白光 LEDLED亮度亮度的變化及顏色純度的變化，所以，這種方案基本的變化及顏色純度的變化，所以，這種方案基本適用于低成本，對發(fā)光效率要求不高的系統(tǒng)中。適用于低成本，對發(fā)光效率要求不高的系統(tǒng)中。n 線性控制的方法在精度上比電阻限流法要高很多。線性控制的方法在精度上比電阻限流法要高很多。其基本原理是在電路中，對其基本原理是在電路中，對 LED LED 并聯(lián)或者并聯(lián)或者 LED LED

44、串聯(lián)一個工作在線性區(qū)的功率管，然后通過負反串聯(lián)一個工作在線性區(qū)的功率管，然后通過負反饋來調(diào)節(jié)功率管的阻值的大小，使得流過饋來調(diào)節(jié)功率管的阻值的大小，使得流過 LED LED 燈的電流保持在一個恒定值上。但是，這種方法燈的電流保持在一個恒定值上。但是，這種方法也有其局限性，由于功率管工作在線性區(qū)，因此，也有其局限性，由于功率管工作在線性區(qū)，因此，會消耗較多的功率，使得系統(tǒng)的效率大大降低。會消耗較多的功率，使得系統(tǒng)的效率大大降低。n 在電荷泵類當中，一般分為兩種：一種是電壓輸在電荷泵類當中，一般分為兩種：一種是電壓輸出型電荷泵電路，出型電荷泵電路，LM3354 LM3354 就是其中一種，就是其中

45、一種，LM3354 LM3354 型開關(guān)電容變換器（型開關(guān)電容變換器（NSNS）的電源電壓范）的電源電壓范圍為圍為 2.5V-5.5V2.5V-5.5V，輸出電壓有一系列標稱值可供，輸出電壓有一系列標稱值可供選擇。器件的開關(guān)工作頻率為選擇。器件的開關(guān)工作頻率為 1MHz1MHz，最大輸出，最大輸出電流電流 90mA90mA，帶有片內(nèi)過熱保護電路，靜態(tài)與關(guān)，帶有片內(nèi)過熱保護電路，靜態(tài)與關(guān)態(tài)電流分別為態(tài)電流分別為 475uA 475uA 與與 5uA5uA?？刂??？刂?LED LED 亮度的亮度的脈寬調(diào)制信號可由器件的關(guān)斷控制脈寬調(diào)制信號可由器件的關(guān)斷控制(SD)(SD)端送入，端送入，其重復頻率

46、應(yīng)在其重復頻率應(yīng)在 60Hz 60Hz 以上以免以上以免 LED LED 產(chǎn)生閃爍產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，但也不宜超過現(xiàn)象，但也不宜超過 200Hz 200Hz 以保證開關(guān)電容器以保證開關(guān)電容器具有足夠的放電時間。具有足夠的放電時間。n 另一類電流輸出型電荷泵，如另一類電流輸出型電荷泵，如 LM2794(NS)LM2794(NS)以電以電流鏡作為輸出級，因而可以省去限流電阻，但是，流鏡作為輸出級，因而可以省去限流電阻，但是，會增加器件功耗。會增加器件功耗。LM2794 LM2794 具有四路電流輸出，具有四路電流輸出，每路每路 20mA20mA；若想調(diào)整；若想調(diào)整 LED LED 亮度，仍可在其關(guān)斷亮度

47、，仍可在其關(guān)斷控制端加入脈寬調(diào)制信號，也可采用引入外部電控制端加入脈寬調(diào)制信號，也可采用引入外部電流的方式改變其反饋閾值。器件電源電壓范圍為流的方式改變其反饋閾值。器件電源電壓范圍為 2.75.5V2.75.5V，電壓超過大約，電壓超過大約 4.7V4.7V時會自動切換內(nèi)時會自動切換內(nèi)部電路，改以部電路，改以“直通直通”方式工作，該切換閾值也方式工作，該切換閾值也有有 250mV 250mV 左右的回差以防輸出紋波惡化。左右的回差以防輸出紋波惡化。n 開關(guān)電源電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)功率管的通斷比，可以調(diào)節(jié)輸開關(guān)電源電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)功率管的通斷比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，理論上將功率管的損耗降低為出電

48、壓的大小，理論上將功率管的損耗降低為 0V。通常。通常采用采用 Buck 型拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)低于輸入電源電壓的輸出，型拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)低于輸入電源電壓的輸出，采用采用 Boost 型拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高于輸入電源電壓的輸型拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高于輸入電源電壓的輸出。在此，與電荷泵類不同的是，出。在此，與電荷泵類不同的是，Boost 理論上升壓增益理論上升壓增益可以無限大，因此，當需要使用多個可以無限大，因此，當需要使用多個LED 燈的情況時，燈的情況時，可采用串聯(lián)方式，并保證了每個可采用串聯(lián)方式，并保證了每個 LED 燈的發(fā)光亮度都相燈的發(fā)光亮度都相同，而且限流電阻也只有一個，可以有效的提高整個系統(tǒng)

49、同，而且限流電阻也只有一個，可以有效的提高整個系統(tǒng)的效率，基本上是驅(qū)動電路當中效率最高的。的效率，基本上是驅(qū)動電路當中效率最高的。n 通過比較上述幾種驅(qū)動電源，結(jié)合本系統(tǒng)的實際情況，鉛通過比較上述幾種驅(qū)動電源，結(jié)合本系統(tǒng)的實際情況，鉛酸蓄電池輸出的電壓高于驅(qū)動酸蓄電池輸出的電壓高于驅(qū)動 LED 燈所需要的電壓，并燈所需要的電壓，并考慮到效率和成本問題，本論文選用考慮到效率和成本問題，本論文選用 Buck型開關(guān)電源作型開關(guān)電源作為為 LED 負載的恒流驅(qū)動器。負載的恒流驅(qū)動器。恒流驅(qū)動電路原理圖n 由由 MSP430F235 單片機提供其中一路單片機提供其中一路 AD（通道（通道 5，見表，見表

50、 ），發(fā)送串行數(shù)據(jù)給），發(fā)送串行數(shù)據(jù)給 DAC7512，DAC7512 將數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并且發(fā)送給電將數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并且發(fā)送給電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器 TL494，由，由 TL494 產(chǎn)生方產(chǎn)生方波，方波通過波，方波通過 IR2117 驅(qū)動器，提供給驅(qū)動器，提供給 Buck電路，電路，再由再由 Buck 電路輸出一個恒定的電流提供給負載電路輸出一個恒定的電流提供給負載 LED 燈。負載燈。負載 LED 燈產(chǎn)生一路反饋，反饋給燈產(chǎn)生一路反饋，反饋給 TL494，這條反饋和設(shè)定值比較，用來調(diào)節(jié)占空，這條反饋和設(shè)定值比較，用來調(diào)節(jié)占空比，使得輸出合適的、穩(wěn)定的方波，進而得到恒比，使得輸出合適的、穩(wěn)定的方波，進而得到恒流輸出。流輸出。DAC7512數(shù)據(jù)采集模塊電路圖TL494電路圖Buck型變