劉慶新,程樹英

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院微納器件與太陽能電池研究所，福建福州350108)

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的無污染的潔凈能源，已被公認為未來解決能源危機的最有效能源。LED燈具有壽命長、高效節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢。因此，把太陽能與LED路燈有機地結(jié)合在一起，開發(fā)出太陽能LED燈照明控制器非常重要。目前市場上很多太陽能控制器，都是采用直充方式充電，沒有對蓄電池進行管理控制，導(dǎo)致能源利用率不高，可靠性不強[1]。本文所設(shè)計的基于STC12C5410AD的雙Buck照明控制器，采用最大功率點充電，充分利用太陽能電池板的能量，對蓄電池進行浮充充電，防止蓄電池假充滿的現(xiàn)象；對LED路燈采用二段式的恒流控制，以增強LED燈的使用壽命，實現(xiàn)了一種環(huán)保節(jié)能的照明模式，解決了市場上一些太陽能控制器的缺陷，是一種性價較高的產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)原理

圖1 系統(tǒng)原理圖

雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)包括：太陽能電池、電壓電流采集模塊、同步Buck模塊、蓄電池、LED路燈和STC智能控制器。太陽能電池組件為系統(tǒng)提供能源，通過采集太陽能電池板上的電壓來判別是白天、黑夜，當檢測電池板的電壓高于一定值時,進入白天模式，此時：STC智能控制器通過所采集的太陽能電池板兩端的電壓和充電電流,控制同步Buck工作，實現(xiàn)對蓄電池的MPPT(Maximum Power Point Tracking)充電，當蓄電池的電壓達到一定值時，進入浮充充電模式，實時采集蓄電池兩端的電壓，防止蓄電池過充、過放；當檢測電池板的電壓小于一定值時，進入黑夜模式,此時：打開并控制后級同步Buck電路，實現(xiàn)對LED路燈的恒流控制[2-3]。

本文研制的路燈照明控制系統(tǒng)主要應(yīng)用場合是針對戶外或者景觀區(qū)地帶。燈具選用單個1 W的LED，6個并聯(lián)、3個串聯(lián)組成一個18 W的LED路燈，日工作10個小時，前5個小時全功率(P全=18 W)工作,后5個小時半功率(P半=9 W)工作。福州地區(qū)峰值日照時數(shù)為t峰=3.458 887 8 h(本系統(tǒng)選用3.5 h)，假設(shè)路燈系統(tǒng)需要保持的連續(xù)陰雨天數(shù)d為7天，兩個連續(xù)陰雨天之間的間隔數(shù)d間為7天，蓄電池放電效率η放為90%，蓄電池放電深度D為0.75,這時蓄電池的容量W蓄為:

W蓄=(t全×P全+t半×P半)÷η放÷D×d=(5 h×18 W+5 h×9 W)÷90%÷0.75×7=1400 Wh

所以選擇12 V、120 Ah的鉛酸蓄電池。

設(shè)蓄電池充電效率η充為85%,則蓄電池單日所需的充電量W1為：

W1=(t全×P全+t半×P半)÷η放×(d間+d)/d間=(5 h×18 W+5 h×9 W)÷90%×(7+7)/7=300 Wh

設(shè)太陽能電池板的峰值功率為W太，太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)為1.1，則：

W太×η充×t峰=W1×1.1

W太×85%×3.5 h=300 Wh×1.1

得W太=110.9 W,所以選擇了一塊峰值功率為115 W的太陽能電池板。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 充電控制

2.1.1 Buck電路

太陽能最大功率點跟蹤控制所需的DC-DC模塊包括：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk等拓撲方式，通過對四種電路方案的比較，本文選用Buck電路。

為追蹤太陽能最大功率點實現(xiàn)最大能量利用，前級的DC-DC電路曾采用四種Buck驅(qū)動方案：利用PMOS做Buck；獨立電源加光耦；基于IR2110的Buck電路；基于IR2104的同步Buck電路。對四種驅(qū)動方案進行了比較分析：PMOS由于導(dǎo)通阻抗較大，PMOS發(fā)熱嚴重，工作效率低，只適用于電壓值比較低、工作效率要求不高的場合；獨立電源加光耦，需要制作一個獨立電源來隔離光耦兩邊的地；使用IR2110高壓自舉芯片做驅(qū)動[4]，必須嚴格遵守工作所需的條件,需加電阻放掉Buck后級儲能濾波電容中的電，才能正常啟動;基于IR2110的Buck電路，防反充二極管須加在Buck電路輸出端,在電流比較小的情況下，工作尚可；當電流較大時，Buck電路中續(xù)流二極管的消耗就會增加。為了減小續(xù)流二極管的損耗，最后選擇了基于IR2104的同步Buck電路，其電路原理圖如圖2所示。

IR2104芯片內(nèi)部已經(jīng)接有下拉電阻到地，其控制端/SD，當系統(tǒng)未開啟工作時，/SD置零，防止開關(guān)管誤操作損害開關(guān)管和芯片；當系統(tǒng)正常工作時，/SD置1，使能IR2104。IN是PWM信號輸入端，LO是低端MOS管驅(qū)動輸出，HO是高端MOS管驅(qū)動輸出。IR2104高端利用自舉電路的原理提供高壓懸浮驅(qū)動，VCC由12 V鉛酸蓄電池直接提供，通過自舉二極管和自舉電容，周期性地充放電，達到自舉的目的。IR2104最大工作電壓可達到600 V，死區(qū)時間為520 ns，是同步Buck電路MOS管驅(qū)動的一種可行性方案，能大大提高DC-DC轉(zhuǎn)換效率。采用同步Buck電路，在后級接一個防倒灌二極管給蓄電池充電，其工作良好。

2.1.2 電流、電壓采集電路

太陽能充電電流采集采用0.03 Ω的采樣電阻進行采樣，并選取MAX4080TASA芯片進行電壓放大，放大倍數(shù)為20倍，可檢測到的最大電流達到8.3 A。電壓采集采用電阻分壓降壓的采集方法。模數(shù)地加磁珠分離，以減小模擬地對系統(tǒng)的干擾。采集上來的數(shù)據(jù)通過射隨跟隨器跟隨，以提高所采集數(shù)據(jù)的精確度。

2.1.3 防雷電路

采用雙層防雷保護措施，選取壓敏電阻接大地和控制前級Buck電路使能端共同作用。當沒有雷電時，壓敏電阻阻值比較大；當有雷電時，壓敏電阻阻值變小，高壓脈沖通過壓敏電阻到地，把能量通過大地流走。當系統(tǒng)檢測到太陽電池板的電壓降到一定值時，就把IR2104的控制端置零，使Buck停止工作，保護后級電路不受雷電的影響。

2.2 放電控制

LED路燈的驅(qū)動同樣采用同步Buck電路,其驅(qū)動控制電路如圖3所示，通過檢測采集上來的電流信號，STC單片機控制PWM信號輸出,實現(xiàn)恒流控制。采用同步Buck轉(zhuǎn)換效率可高達95%,容易實現(xiàn)全功率、半功率及各個功率的輸出控制。負載LED的電流采集采用MAX4080TASA，數(shù)字地和模擬地通過磁珠隔離，盡量減小地的干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)較好地恒流控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖4 軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。STC12C5410AD單片機內(nèi)部集成4路PWM發(fā)生器和8路10 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，可直接實現(xiàn)PWM輸出和A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)實時采集太陽能電池板和蓄電池兩端電壓，當檢測到太陽能電池板的電壓大于6 V(6 V是設(shè)定的白天標志值)時，延時3 min，在3 min內(nèi)實時監(jiān)測電池板電壓，若3 min后電池板電壓仍大于6 V,則進入充電模式：(1)關(guān)閉路燈，采集蓄電池電壓，當蓄電池兩端的電壓小于14.7 V時，使能前級Buck電路控制端，采集電壓電流信號，控制單片機調(diào)制PWM輸出，采用雙向擾動法實現(xiàn)最大功率點充電[5-6]。(2)當采集的電流小于0.2 A時，進入固定電壓法充電模式，把太陽能電池板的電壓輸出穩(wěn)在28 V～32 V之間(選擇端電壓為40 V的太陽能板)；(3)當蓄電池電壓上升到14.7 V時，轉(zhuǎn)為浮充充電模式，蓄電池浮充電壓設(shè)為13.6 V～13.8 V。當電池板的電壓降到6 V時，置零前級的Buck電路控制端延時3 min，3 min內(nèi)實時監(jiān)測電池板電壓。如果3 min后采集上來的電壓值還是小于6 V，則進入放電模式：使能后級Buck電路控制端，這時路燈點亮，全功率放電，延時5個小時后進入半功率放電模式，系統(tǒng)時刻監(jiān)測天亮，天亮或延時5個小時結(jié)束，則路燈關(guān)閉。系統(tǒng)實時采集蓄電池電壓，可以保證過充和過放保護，防止蓄電池損害，實現(xiàn)無人值守工作。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)前級同步Buck電路雙MOS管的驅(qū)動波形如圖5所示。由圖可以看出，采用IR2104做同步驅(qū)動的波形效果還是較好的，添加電阻限流和二極管加速MOS管結(jié)電容的放電，進一步降低了開關(guān)損耗，提高了效率。A為Q1管驅(qū)動波形圖，B為Q2管驅(qū)動波形圖，由于示波器的兩個探頭內(nèi)部是相連的,所以圖中A和B波形圖都是相對于模擬地的。從圖中可以看出,兩種MOS管的驅(qū)動波形能得到很好的互補，能較好地控制同步Buck工作，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。

圖5 前級同步Buck驅(qū)動波形圖

后級同步Buck電路中雙MOS管Q3、Q4的驅(qū)動波形如圖6所示。通過調(diào)節(jié)占空比可以調(diào)節(jié)LED的功率。為了合理利用蓄電池中的能量，LED驅(qū)動采用恒流驅(qū)動方式，全功率為控制PWM波實現(xiàn)2 A恒流輸出，半功率控制PWM波實現(xiàn)1 A恒流LED驅(qū)動,通過軟件調(diào)節(jié)各個時刻的輸出功率。對基于IR2104的同步Buck電路LED驅(qū)動方案進行測試發(fā)現(xiàn):當工作頻率為20 kHz、輸出占空比為90%的PWM波時，蓄電池電壓為11.94 V，放電電流為1.777 A，LED兩端電壓為10.199 V，LED燈供電電流為1.977 A，效率高達95.03%。因此可以看出，這是LED恒流驅(qū)動的一種可行性方案。

圖6 后級同步Buck驅(qū)動波形圖

本文研制的基于STC12C5410AD的雙Buck太陽能照明控制器，可實時采集太陽能電池板電壓，能夠正常準確地檢測出白天、黑夜，利用自舉芯片IR2104實現(xiàn)同步Buck,采用最大功率點和浮充兩種方式對蓄電池進行充電，并對蓄電池進行管理，以防止過充和過放，LED路燈恒流輸出，系統(tǒng)已經(jīng)正常工作了2個月。雖然防反充二極管選用的是肖特基二極管，但是，損耗還是比較大的。今后將采取一些措施減小防反充二極管的損耗，進一步提高充電效率。

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