程來星，盧麗娟，江 超

（1.黃石職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 黃石 435003；2.湖北師范學(xué)院 物電學(xué)院，湖北 黃石 435002）

太陽能作為一種新興的綠色能源，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其中以太陽能路燈應(yīng)用為代表的道路照明工程越來越多的地方被各級政府所看好。太陽能路燈具有易控制、清潔環(huán)保無需電費(fèi)開支及不需要架設(shè)輸電線路等多方面的優(yōu)點[1]。太陽能路燈系統(tǒng)由光伏電池極板、蓄電池、照明燈具和控制器等幾個部分組成。一般情況下，太陽能路燈系統(tǒng)蓄能裝置采用蓄電池，由于鉛酸蓄電池具有儲能多且成本低等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。但是充放電狀態(tài)直接對鉛酸蓄電池壽命影響，若充電電壓不當(dāng)或鉛酸蓄電池使用不當(dāng)?shù)惹闆r出現(xiàn)，則鉛酸蓄電池的壽命就會急劇縮短[2]。為了解決這些問題，設(shè)計了一款太陽能LED路燈控制器。

1 太陽能路燈系統(tǒng)的組成

一個完整的路燈系統(tǒng)由4個部分組成[3]：太陽能電池、蓄電池（鋰電池）、控制器、LED照明燈。日照時，利用光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，產(chǎn)生一定電壓的充電電流，通過太陽能控制器對儲能蓄電池進(jìn)行充電。夜晚，當(dāng)日照光線強(qiáng)度減弱到一定程度時，太陽能電池板開路電壓下降到設(shè)定值，太陽能控制器檢測到這一電壓值后，光控自動啟動，由蓄電池通過控制器向負(fù)載供電[4]。

路燈蓄電池選用鋰離子電池。鋰電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，因而得到了普遍應(yīng)用。鋰電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的 1.5～2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”以及不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點也是它廣泛應(yīng)用的重要原因。但對于鋰電池的充電過程，要求是比較嚴(yán)格的。鋰電池的充電過程包括 3個階段[5]：1）如果開始充電時，電池電量很低（例如低于2.7 V），那么必須用小電流（大概為100 mA）開始充電，即涓流充電。如果電壓高于2.7 V就不必進(jìn)行這個步驟。2）當(dāng)電池電壓大于2.7 V可以開始大電流充電，恒流充電。隨著充電的進(jìn)行，電池電壓逐漸升高。3）當(dāng)電池電壓達(dá)到或接近充滿電壓（如4.2 V左右）時，則要開始轉(zhuǎn)入恒壓充電；當(dāng)電流減少到大概10 mA左右，則停止充電。由此可見，對于鋰電池充電過程的控制，電壓電流的檢測是非常關(guān)鍵的。

圖1 太陽能LED路燈系統(tǒng)Fig.1 Structure diagram of the solar LED street lamp system

蓄電池應(yīng)與太陽能電池、用電負(fù)荷（路燈）相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池功率必須比負(fù)載功率高出4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20%～30%，才能保證給蓄電池正常負(fù)電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜[5]。太陽能控制器的作用是控制路燈的工作狀態(tài)，主要功能有白天根據(jù)蓄電池電壓的大小分階段給蓄電池充電，當(dāng)光照強(qiáng)度降低到某一設(shè)定值時，充電電路斷開，蓄電池給LED燈放電，另外還具有過充保護(hù)、過放保護(hù)、光控啟閉LED燈等功能。

2 太陽能LED路燈控制器的設(shè)計

太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中最為重要的部件，其功能設(shè)計的好壞決定了一個太陽能路燈系統(tǒng)運(yùn)行情況的優(yōu)劣。路燈控制器需要實現(xiàn)的功能有：1）蓄電池過充電保護(hù)功能：白天給向蓄電池充電，當(dāng)蓄電池端電壓升高到4.2 V時，控制器自動切斷充電回路，防止過充電，保護(hù)蓄電池，延長其壽命。2）蓄電池過放電保護(hù)功能：夜晚蓄電池在控制器的控制下向LED路燈供電，當(dāng)蓄電池端電壓降低到2.7 V時，控制器自動切斷LED路燈，避免蓄電池過放電。3）智能充電及負(fù)載開關(guān)過程采用光控自動開關(guān)功能：夜幕降臨時，自然光照亮度低于室外照明亮度要求，控制器自動打開太陽能路燈開關(guān)，蓄電池向路燈供電。當(dāng)光照再次達(dá)到某一設(shè)定值后，控制器控制太陽能路燈自動熄滅，節(jié)省用電。該控制器的實現(xiàn)過程是通過光控電路對光照強(qiáng)度的檢測，判斷是白天還是晚上，然后將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，控制到底是充電電路工作還是放電電路工作。根據(jù)需要實現(xiàn)的控制功能，該方案選擇STC90C52單片機(jī)對太陽能LED路燈系統(tǒng)進(jìn)行控制。

單片機(jī)主要完成的功能包括檢測蓄電池兩端電壓并根據(jù)不同狀態(tài)采用不同的充電模式；判斷白天黑夜并以此來切換蓄電池充電和放電模式。路燈控制器中包括的硬件電路模塊比較多，如單片機(jī)最小系統(tǒng)、負(fù)壓電路、供電電源等等，如圖2所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振時鐘電路[6]。本設(shè)計采用的核心控制器是宏晶公司生產(chǎn)的STC90C52AD單片機(jī)，該系列系列單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以隨意選擇，內(nèi)置看門狗，超強(qiáng)抗干擾，輕松過4 400 V快速脈沖干擾（EFT）。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，當(dāng)時鐘頻率在6 MHz時，該復(fù)位電路是可靠的。自帶8路A/D和2路PWM功能，更讓控制器的外圍電路變的精簡。特別的是該系列單片機(jī)支持ISP（在系統(tǒng)可編程）和IAP（在應(yīng)用可編程），開發(fā)無需高價的專用編程器和專用仿真器，給本控制器的設(shè)計開發(fā)帶來極大的方便。

充放電控制電路如圖3所示，由于TL431的參考端輸出電壓是穩(wěn)定在2.5 V，所以通過單片機(jī)控制R9一端的電壓從而改變流過R4的電流，進(jìn)而改變R4上面的壓降，從而使B點的電壓可調(diào)。關(guān)于電路自動調(diào)節(jié)的原理，可以這樣解釋：根據(jù)TL431的特性，當(dāng)參考端的電壓大于2.5 V時，TL431陰極和陽極之間的電流會急劇增大，也即其等效電阻減小，從而使三極管的基極電壓減小，射極B點電壓減小，從而使A點電壓下降；同理，當(dāng)參考端的電壓小于2.5 V時，TL431陰極和陽極之間的電流會急劇減小，也即其等效電阻增大，從而使三極管的基極電壓增大，射極B點電壓增大，從而使A點電壓升高，也即A點電壓始終穩(wěn)定在2.5 V。這樣，通過控制單片機(jī)輸出PWM可調(diào)電壓的大小就可以控制蓄電池的充電過程，而單片機(jī)輸出的PWM電壓又是根據(jù)對流經(jīng)蓄電池的充電電流和電池兩端的充電電壓的檢測運(yùn)算得到，所以整個充電過程就是一個智能的循環(huán)控制過程。

控制器能自動檢測當(dāng)前的狀態(tài)，首先根據(jù)光控電路檢測當(dāng)前狀態(tài)是白天還是黑夜，進(jìn)而選擇是充電模式或者放電模式。在充電模式中根據(jù)蓄電池兩端的電壓及流過蓄電池的電流選擇不同的充電模式。首先要檢測電池的電壓是否低于2.7 V，當(dāng)電池的電壓低于2.7 V的時候就要進(jìn)行預(yù)充電，通常都是以100 mA的電流充10分鐘左右，這是一個“小電流激活”的階段，當(dāng)電壓低于2.7 V時，電池正極的鋰離子很少，電池的活性低，這時候就算你給一個很大的電流，電池內(nèi)部也沒有足夠的離子搬運(yùn)，相反這會給電池帶來負(fù)擔(dān)，所以這個階段是電壓很低的時候必須有的，但是一般情況下，上一次電池不至于過放，電池的電壓也不會降到這么低。當(dāng)電壓高于2.7 V而又小于4.2 V時進(jìn)入到第二個階段恒流充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到4.2 V，改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當(dāng)減小到10 mA時，認(rèn)為充電終止。在放電過程中，首先保證當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓（2.7 V）時，控制器自動關(guān)閉負(fù)載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞，當(dāng)電壓高于這個電壓值時，給LED燈放電，當(dāng)光照強(qiáng)度再次到達(dá)某一設(shè)定值時，自動關(guān)閉路燈系統(tǒng)，節(jié)約用電。因此，充電管理和放電管理是系統(tǒng)軟件設(shè)計中的主要內(nèi)容，充放電程序流程圖如圖4、5、6所示。

圖2 太陽能LED路燈電路Fig.2 Solar LED street lamp system circuit

圖3 充電控制電路Fig.3 Charging control circuit of the storage battery

3 控制器調(diào)試結(jié)果

經(jīng)調(diào)試，該控制器可以完成最初的目標(biāo)功能:白天，可以給蓄電池充電，充電過程可根據(jù)蓄電池兩端的電壓和流經(jīng)電池的電流來智能的控制蓄電池分階段的進(jìn)行充電，當(dāng)電池的電壓低于2.7 V，以100 mA的電流給電池預(yù)充電10分鐘左右；當(dāng)電壓高于2.7 V而又小于4.2 V時進(jìn)入到恒流充電階段，即以一個恒定的500 mA大電流給電池充電，而電池電壓隨著充電過程逐步升高；當(dāng)電池兩端電壓達(dá)到4.2 V，進(jìn)入恒壓充電階段，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當(dāng)減小到10 mA時，認(rèn)為充電終止，充電指示燈熄滅，此時關(guān)閉充電電路，保護(hù)電池過充。當(dāng)用手捂住光敏電阻時，此時的光照強(qiáng)度低于某一特定值，認(rèn)為是晚上，充電電路關(guān)閉，放電電路工作，LED燈被點亮，當(dāng)電池兩端電壓低于2.7 V時，切斷放電電路，保護(hù)電池過放。

圖4 控制器主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 放電控制子程序流程圖Fig.5 Flow chart of discharge control subprogram

圖6 充電控制子程序流程圖Fig.6 Flow chart of charging control subprogram

從圖7可以看出，該控制器的充電電壓在2.7～4.2 V之間，正在進(jìn)行恒流充電階段，此時的充電電流為500 mA左右，顯示的充電電壓為3.98 V，而用萬用表測出來的實際充電電壓為3.95 V，存在0.03 V的誤差，主要由AD的只有8位的精度導(dǎo)致。圖8為恒壓充電階段，此時充電電壓已經(jīng)達(dá)到4.2 V，充電電流從500 mA減小到了187 mA。如圖9所示，此時電已經(jīng)充滿，控制器顯示charge OK。如圖10所示，當(dāng)兩個光敏電阻被遮住時，光照強(qiáng)度降低都某一特定值，此時，放電電路開始工作，LED燈點亮，1602顯示放電狀態(tài)。

圖7 恒流充電階段Fig.7 Constant-current charging phase

圖8 恒壓充電階段Fig.8 Constant-voltage charging phase

圖9 電池充滿Fig.9 Charging OK

圖10 放電階段Fig.10 Discharging phase

4 結(jié)束語

根據(jù)太陽能路燈的控制需要，對太陽能路燈控制器從硬件結(jié)構(gòu)及軟件開發(fā)方面進(jìn)行了設(shè)計，用簡單電路檢測充放電電壓電流，然后由單片機(jī)根據(jù)采集到的充放電電壓電流參數(shù)，發(fā)出各種控制信號，實現(xiàn)充放電控制，使充放電系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運(yùn)行，更好地保護(hù)了鋰電池。該控制器具有控制精準(zhǔn)、抗干擾能力強(qiáng)、可控性強(qiáng)等特點，同時因為充電控制采用的是并聯(lián)式三端穩(wěn)壓管TL431實現(xiàn)的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間很快。

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