德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 曲帥帥 王志坤

1.系統(tǒng)簡介

本作品的最大特點(diǎn)在于提高了太陽能電池板的光伏利用效率，最大限度的降低了控制電路本身的功耗，具有良好的實(shí)用性和較高的技術(shù)含量。系統(tǒng)采用了一種自適應(yīng)性算法的MPP最大功率追蹤控制法，實(shí)現(xiàn)了在同樣光照條件下太陽能電池發(fā)電量最大化的控制，設(shè)計(jì)了電池板智能追光與自動(dòng)清潔板面的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使各個(gè)時(shí)間段的光線與電池板都能保持最佳角度，做到了強(qiáng)光時(shí)降壓防過充、弱光時(shí)升壓繼續(xù)充的全功能充電控制，使相對昂貴的太陽能電池得到了最大限度的利用。采用了蓄電池剩余容量(SOC)控制法的最新技術(shù)，從而使蓄電池不會(huì)發(fā)生過充、過放現(xiàn)象，延長了蓄電池的使用壽命，提高了太陽能路燈系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，使該系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.研制背景及意義

近年來，隨著石油、煤碳等不可再生資源的枯竭，能源問題成為多方面關(guān)注的焦點(diǎn)。各國都在尋求解決能源危機(jī)的辦法。

目前被稱為第四代新光源的高亮度LED燈作為新型照明燈具有功耗低、亮度高、色彩艷麗、抗振動(dòng)、壽命長(正常發(fā)光60000—100000h)，冷光源、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是真正的“綠色照明”。以LED為光源的燈飾產(chǎn)品在21世紀(jì)的將來，必然取代白熾燈，成為人類照明史上的又一次革命。

我們根據(jù)太陽能利用和LED燈特點(diǎn)，在經(jīng)多方面的走訪調(diào)查、征求部分太陽能路燈廠家和客戶意見的基礎(chǔ)上，以最大限度提高能源利用，最佳節(jié)能減排環(huán)保精神為準(zhǔn)則，開發(fā)了該能適用于太陽能路燈的充電過程控制、點(diǎn)亮?xí)r間設(shè)定的全功能控制系統(tǒng)。

3.設(shè)計(jì)方案

我們制作的這個(gè)控制系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，但電路設(shè)計(jì)簡單，外圍器件較少，這是主要考慮到控制系統(tǒng)本身的耗能問題。

3.1 控制模塊的選擇方案

采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控。AT89C51價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，且資料豐富，性能穩(wěn)定故采用AT89C51作為主控制芯片。采用STC12C5410AD單片機(jī)作為充電控制核心。STC12C5410AD單片機(jī)雖然也是一種8位單片機(jī)，但其具有獨(dú)特的AD功能，還可輸出PWM波，外圍電路簡單，編程方便且存儲(chǔ)空間大，抗干擾性能強(qiáng)。更適合做充電控制。

3.2 其他方案的選擇

根據(jù)系統(tǒng)要求，我們在電路設(shè)計(jì)上采用單片機(jī)輸出的PWM波對兩只VMOS管進(jìn)行控制，一只控制太陽能電池板的充電全過程，一只控制蓄電池對LED燈點(diǎn)亮?xí)r間和電流大小的全功能控制。

為了設(shè)定LED燈點(diǎn)亮或半功率點(diǎn)亮?xí)r間，電路板上加了數(shù)碼管顯示連接接口。

為了方便調(diào)節(jié)各種參數(shù)和連接器件，電路上加了按鍵和輸出端口。

4.理論設(shè)計(jì)與計(jì)算

控制器系統(tǒng)由于采用了高性能的單片機(jī)，所以在各種功能控制上可以較為方便的實(shí)現(xiàn)。為了充分利用太陽能電池板進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，對電池板設(shè)計(jì)了追光控制系統(tǒng)；并用最先進(jìn)的蓄電池五步充電法給對蓄電池實(shí)施最佳充電管理。根據(jù)充電方式，控制器可分為開關(guān)型控制器和脈寬調(diào)制型(PWM)控制器兩種控制器都具有充滿斷開(HVD)欠壓斷開(LVD)和恢復(fù)功能也就是說，當(dāng)蓄電池電壓升至過充點(diǎn)時(shí)，控制器能自動(dòng)切斷充電；當(dāng)蓄電池電壓降到過放點(diǎn)時(shí)，控制器能自動(dòng)切斷負(fù)載，而當(dāng)蓄電池電壓回升到充電恢復(fù)點(diǎn)時(shí)，控制器能自動(dòng)恢復(fù)對負(fù)載的供電，在程序上設(shè)置了特殊的調(diào)制信號脈沖，用以提高蓄電池的充電效率和容量減少老化效應(yīng)延長，并有修復(fù)電瓶的作用。為了節(jié)能，微控制器可對LED燈的點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行任意設(shè)定，并可對全功率點(diǎn)亮?xí)r間和任意功率點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)使得LED燈點(diǎn)亮?xí)r間的控制具有很強(qiáng)的可控性；在程序編制上我們采用一種適應(yīng)性算法的MPP最大功率追蹤控制法。

圖2 充電電路

圖3 主控電路

同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在同樣光照條件下太陽能電池發(fā)電量最大化的控制，并設(shè)計(jì)了電池板自動(dòng)清潔板面的機(jī)械結(jié)構(gòu)。根據(jù)目前市場上普通充電控制器存在陽光最強(qiáng)時(shí)和光照不足時(shí)不能給電瓶充電的事實(shí)。從電路上和程序上均做到了強(qiáng)光時(shí)降壓、弱光時(shí)升壓全功能的充電控制。對由于蓄電池處于過放電而造成蓄電池壽命短和可靠性不高等問題，采用了蓄電池剩余容量(SOC)控制法的最新技術(shù)，編制了具有自適應(yīng)功能的新型太陽能路燈全新控制系統(tǒng)，從而使蓄電池不會(huì)發(fā)生過充、過放現(xiàn)象，延長了蓄電池的使用壽命，提高了太陽能路燈系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。蓄電池剩余容量控制法對蓄電池的放電過程進(jìn)行控制。它所依據(jù)的理論是根據(jù)電化學(xué)原理導(dǎo)出的蓄電池放電過程中的余容量(SOC)與端電壓之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：

式中：a由于反應(yīng)物和生成物比例改變引起的電壓變化的常數(shù)，0.1～0.2；b為電化學(xué)極化項(xiàng)常數(shù)，0.1～0.15；c為內(nèi)阻極化項(xiàng)常數(shù)，0.08～0.15；Vr為蓄電池充電初始或放電終了的靜態(tài)電壓；SOC為蓄電池的荷電狀態(tài)或在任意時(shí)刻的容量；I為充電電流或放電電流；T為實(shí)際溫度；K為溫度系數(shù)；DOD為蓄電池放電深度。

5.電路設(shè)計(jì)方案

我們的控制系統(tǒng)，主要是以單片機(jī)為控制單元，以大功率VMOS管為執(zhí)行器件，根據(jù)太陽能電池板的光電特性，太陽能專用蓄電池充、放電性能特點(diǎn)進(jìn)行了各種功能設(shè)定和控制，以使用方便、控制簡單，壽命長成本低等要求，以最簡潔的電路結(jié)構(gòu)，最人性化的程序保證，最實(shí)用的蓄電池充、放電規(guī)程，充電電路如圖2所示，主控電路如圖3所示。

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