太阳能LED路灯照明控制系统的设计.pdf

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1、照明IE l e c t r i cL i g h t i n g太阳能L ED 路灯照明控制系统的设计给出了太阳能L E D 路灯照明控制系统的硬件实现与控制策略。控制器能够正确地转换充电、供电和等待三种状态。充电电路依据蓄电池的不同状态能准确切换到最大功率充电、恒压充电和浮充补偿三种方式。对L E D 照明负载采用了恒流控制以确保其发光效率。目前该系统已经稳定运行半年以上。观察和测试结果符合设计要求。杨晓光1。2寇臣锐2汪友华2 1 佛山市国星光电股份有限公司2 河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室杨晓光副教授太阳能作为一种新兴的绿色能源，正迅速地得到推广应用。太阳能照明系统包

2、括：太阳能电池、蓄电池、照明灯、充电电路、供电电路和控制系统。在白天，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；蓄电池将电能转换为化学能储存起来。天黑后，太阳能电池无输出，充电电路停止工作，蓄电池再将化学能转换回电能输出到照明灯。全天控制系统的电源一直由蓄电池供给。系统设计所设计的太阳能L E D 照明系统如图1 所示。太阳能电池板在标准测试条件的参数为：短路电流，。=5 3 5A，开路关键影K e y w o r d s电压U。=4 6 0V，最大功率点电流L=太阳能4 7 8A，最大功率点电压U。：3 6 5v，蓄皂池。最大功率P。：1 6 5W。蓄电池为1 2V、址u

3、2 0 0A h 的阀控式免维护铅酸蓄电池1照明块。与传统光源相比，L E D 光源具有发光效率高、寿命长、功耗小和安全可靠的特点，因此本系统采用了大功率L E D作为光源，照明灯功率为3 2W。控制系统是太阳能L E D 照明系统的核心，是提2 8I 嘭艺量钉建筑电气2 0 0 9 年第2 8 卷第3 期高太阳能蓄电池系统充放电效率、运行稳定性和使用寿命的关键。圈1 太阳能L E D 照明系统本文设计的太阳能照明控制系统主要完成以下功能：(1)实现太阳能最大功率跟踪。对于一定的日照强度和环境温度，太阳能电池的输出存在一个最大功率点以及与最大功率点相对应的电压和电流。当日照强度和环境温度变化时

4、，太阳能电池阵列的输出特性随之变化，与之相对应的最大功率点也随之改变。为了获得太阳能电池的最大输出功率，必须通过调整充电电路的占空比对负载进行匹配来实现最大功率跟踪1 4 1。(2)依据蓄电池的特性合理充电。对于蓄电池来说，要求采用合理的充电方式以延长蓄电池的使用寿命和提高充电效率 6 1。在对蓄电池的充电过程中不能超过蓄电池的电压和电流的上限，否则就会影响蓄电池的寿命。蓄电池在充满电后，保持电量的最好方法就是加一个浮充电压。浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电池的放电电流；又不能太大，以免影响蓄电池的寿命。因此，为了高效合理地对蓄电池充电，需要准确判断蓄电池的状态，对充电电压和电流进行精确地控制

5、。(3)对L E D 灯进行恒流控制。本文选择了额定功率为1W，额定电流为3 5 0m A 的白光L E D 作为光源。由L E D 的伏安特性可知，L E D 的驱动电流对电压很万方数据太阳能L i E D 路灯照明控制系统的设计敏感，微小的电压扰动将导致较大的电流变化，从而造成L E D 发光质量下降。为了确保L E D 的发光效率，采用了恒流控制方法。控制系统的硬件实现控制系统以单片机A T 8 9 S 5 2 为控制核心，如图2 所示。系统对太阳能电池电压U。，、电流，。和蓄电池的电压u。、电流，。以及L E D 灯驱动电流I L E D 进行检测，并应用线性光耦合器将单片机控制系统与

6、主电路隔离。电压的检测采用电阻分压方法，电流的检测应用霍尔电流传感器。霍尔电流传感器具有响应速度快与精度高的特点，可检测从直流到1 0 0k H z 的各种波形信号，并能实现与主电路的隔离。对于蓄电池电流的检测要复杂一些，其原因是蓄电池的充放电电流方向相反，从而霍尔电流传感器相应地输出正、负电压信号，但本文采用的A D 只允许输入正信号。为了解决这一问题，采用了绝对值处理电路。数字量；耦量吕输出、转隔蹇驱动电壁_ 高罢压避悬浮驱c。_ _ 一。-换离量照数据电电传输壁路儿小单片机_ 广 A T 8 9 S 5 2呈光耦隔离电数字量隆输出h光_ _ 1,o l 耦隔m。离检j t 越e 测电，I

7、 肋路_ _ _ I 温度检测电路 _ 一围2 控制系统硬件组成原理图温度检测采用了一线制温度传感器D S l 8 8 2 0。该传感器提供9 位(二进制)温度读数指示，其供电电源由数据线本身提供而不需要外部电源。蓄电池的性能受其电解液温度的影响，然而蓄电池是密封的，无法接触到电解液，考虑到蓄电池电极具有较好的导热性，因而将传感器紧贴在电极上以测量的电极温度作为蓄电池的温度。太阳能L E D 照明系统的充、放电电路分别由B u c k 和B o o s t 开关电路实现，电路的开关元件采用了M O S F E T。开关电路的运行需要P W M 驱动。由于A T 8 9 S 5 2 单片机没有专

8、用的片内P W M 单元，因此系统采用了片外的S G 3 5 2 4 来生成P W M 波形。其实现途径为：单片机通过A D 转换器输出指定w w w e a g e c o r n c nE l e c t r i cL i g h t i n gI 照明的电压量给S G 3 5 2 4 来控制P W M 的占空比。该方案虽然增加了系统的复杂性，但是却减轻了单片机的工作量，更重要的是S C 3 5 2 4 最高可以输出高达5 0 0k H z 的P W M 信号，从而提高开关电源的工作频率，这是现有的单片机内置P W M 单元不能提供的。本文B u c k 电路最大导通输入电压是3 6 5V

9、，如果要保证管子的导通状态，栅源电压U。U。m，栅极的高电压应是3 6 5V 加上栅源之间的阈值电压。为了实现这一功能，驱动电路采用了高压浮动M O S 栅极驱动芯片I R 2 11 0。由于浮置电源采用自举电路，I R 2 1 1 0 的高端工作电压可达5 0 0V。B o o s t 变换电路的驱动相对简单些，所需的栅极电压是相对于功率信号地的电压，由推挽电路实现1。控制系统和主电路在同一P C B 板上，而主电路最大工作电流为1 0A。这不仅对电感的设计和M O S F E T 尖峰的抑制提出较高要求，同时必然考虑单片机的抗干扰问题。本文采用了两种措施：其一是使用看门狗技术来防止单片机的

10、死机；其二是在电路设计和P C B 布局上，将强弱电系统的地相隔离。实测表明，这两条措施很好地提高了单片机的抗干扰能力。控制系统的软件实现1 系统整体控制太阳能照明系统包括三种工作状态：太阳能对蓄电池的充电、蓄电池对L E D 的放电和系统等待状态。系统等待状态是指：太阳能既不满足对蓄电池的充电条件，也没有到照明设定时间，此时蓄电池只对控制系统供电。系统总体控制如图3所示。系统上电后首先进行初始化，包括各存储单元初始化、外部时钟初始化和温度传感器初始化等。系统首先检测当前是否为照明设定时间，如果是照明时间，程序转到L E D 灯照明控制子程序，否则检测太阳能电池的端口电压是否大于启动电压以，若

11、满足充电条件，则系统对蓄电池充电，否则继续对时钟和太阳能电池输出电压进行检测。2 蓄电池充电控制对于一个蓄电池，选择适当的充电方法，不2 0 0 9 年2 月上建筑电气嘭艺县胡l2 9万方数据g lw J JE l e c t r i cL i g h t i n g图3系统总体控制丽程图仅可以提高充电效率，而且能够延长蓄电池的使用寿命。本文根据太阳能电池的输出特性和蓄电池的输入特性，采用最大功率充电(M P P T)、恒压充电和浮充充电三种充电控制方式。其具体过程是：当检测到蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限以时，实施M P P T 充电；当检测U=U。时，如果此时充电电流大于转换门限值

12、，。，则对蓄电池进行恒压充电(C V)；若，。，则转换为浮充充电(V F)。总之，采用什么样的充电方式是由蓄电池的状态决定的，充电控制流程如图4所示。图4蓄电池充电控制流程圈3 温度补偿如前所述，蓄电池的特性受温度影响，根据所选定的蓄电池，当蓄电池的温度在T。=1 5o C 和T 2=3 5o C 之间时无需温度补偿，但当温度不在这一区间时需要根据式(1)确定浮充电压”6 1U，=U 阳+(r 一死)C(1)式中，U m 和瓦分别为基准点的电压和温度值；C为电压温度系数。温度补偿流程如图5 所示，首先检测当前的蓄电池正电极的温度r，根据温度得出浮充电压后进行恒压控制。3 0I 嘭：量胡建筑电气

13、2 0 0 9 年第2 8 卷第3 期圈5 温厦补偿流程图4 L F：D 照明控制照明控制流程如图6 所示。本文选择3 2 只额定功率为1w、额定电流为3 5 0m A 的白光L E D 作为光源。为了满足节能的需要，分为两路、每路1 6w，单独由B o o s t 电路驱动，每一路又分为两组，8 个串联为一组，将两组并联。根据用户要求，在晚上 t。，t：时间段内，两路L E D 灯同时照明；在 t：，t，时间段内只有一路L E D 灯照明。在L E D 工作的时候，需要实时检测蓄电池的电压，以免蓄电池过放电。进入放电子程序后首先点亮两路L E D 灯，然后判断此时的蓄电池端口电压是否大于最小

14、阈值电压U。=1 1 8V，如果小于则关断L E D，和L E D：。圈6L E D 灯照明控制万方数据太阳能L E D 路灯照明控制系统的设计结束语充电电路波形如图7 所示。波形1 为充电电路N M O S 管的源极波形，波形2 为对应的蓄电池充电波形，横坐标是1 0“s 格，波形1 的纵坐标是1 0V 格，波形2 的纵坐标是5V 格，此时充电电路工作于M P P T 状态，充电电流为7A。由于缓冲和吸收电路的作用，开通尖峰和关断尖峰分别降低到5V 和1 0V 左右，实验表明该尖峰没有影响控制系统的正常工作。为了确保电压和电流检测的正确性，在采样程序内加了数字滤波算法，实验结果表明该算法有效

15、地消除了尖峰。圈7 充电电路波形围B o o s t 电路波形如图8 所示。波形I 为L E D 照明电路的漏极波形，一波形2 为栅极驱动波形，横坐标是1 0 仙s 格，纵坐标是5V 格，栅极跟漏极波形相位相反。栅极的驱动波形幅值为1 0V，注意到该波形开始呈阶梯状，此阶梯处的电压值是N M O S 的开通阈值电压，为3V 左右。漏极波形电压幅值为2 6V 左右，此值为L E D 灯的驱动电压，其开通尖峰小于5V 以内，不会影响L E D 的工作性能。图8B o o s t 电路渡形图所设计的照明系统已经稳定运行了半年，两路照明L E D 灯能按照设定的时间点亮或熄灭。测试表明，电路启动后，充

16、电初始方式总为M P P T 模式：之后充电系统能够依据蓄电池的不同状态准确切换到不同的充电方式并稳定运行。表l 给出了实测结果，可以看出，本文所给出的控制算法w w w e a g e c o m o f f是有效的。E l e c t r i cL i g h t i n gI 照明表1蓄电池充电过程结束语通过对太阳能L E D 照明路灯系统半年多的测试观察，其结果基本符合设计要求，所开发的太阳能路灯控制系统能够准确地对整个系统进行控制，正确地工作于充电、供电和等待三种状态。充电器能够依据蓄电池的不同状态准确切换到不同的充电方式。参考文献 1 王庆章，赵庚申，许盛之，等光伏发电系统最大功率

17、点跟踪控制方法研究 J 南开大学学报(自然科学版)，2 0 0 5，3 8(6)：7 4-7 9 2 吴理博，赵争鸣，刘建政用于太阳能照明系统的智能控制器 J】清华大学学报(自然科学版)，2 0 0 3，4 3(9)：11 9 5-11 9 8 3 崔岩，蔡炳煌，李大勇，等太阳能光伏系统M P P T控制算法的对比研究 J 太阳能学报，2 0 0 6，2 7(6)：5 3 5 5 3 9 4 赵庚申，王庆章最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用 J 光电子激光，2 0 0 3，1 4(8)：8 1 3-8 1 6 5 T e x a sI n s t r u m e n t sC o r p I

18、m p r o v e dc h a r g i n gm e t h o d sf o rl e a d a c i db a t t e r i e su s i n gt h eU C 3 9 0 6 G 1 9 9 9 6 王鹤，杨宏，王雪冬，等延长阀控密封铅酸蓄电池寿命研究一过充电保护与温度补偿特性 J 电源技术，2 0 0 1，2 5(3)：2 0 6-2 0 7 7 王晶，王进，陈静波，等白光L E D 色度特性研究 J 光电子激光，2 0 0 6，1 7(7)：8 9 9 0 0 1 8 沙占友，李学芝，邱凯，等新型特种集成电源及应用 M 北京：人民邮电出版社，1 9 9 9(收稿日期：2 0 0 8 0 5 3 0)E A2 0 0 9 年2,ql-建筑电气嘭皂量调l3 1万方数据