太陽能LED區域照明控制系統的研制

楊曉光 申榮河 劉秀軍

(河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津300130)

1 引言

太陽能作為一種新興的綠色能源，正得到迅速的推廣應用。其中，太陽能照明系統具有廣泛的應用前景［1～9］。

在眾多光源中，LED以其色光飽滿、切換迅速、耐震、耐潮、超長壽命等優勢成為人們日常生活中最熱門、最矚目的光源。隨著新材料、新工藝的不斷進展，LED的發效率有了很大的提高，特別是高亮度LED的出現，使其應用領域得到進一步的拓寬。

太陽能LED照明已成為人們關注的熱點。從技術實現上來說，由于LED具有驅動電壓低的優點，更適合于電池驅動。目前，太陽能LED照明系統已經獲得了廣泛和深入的應用研究。

在實際應用中，某一區域需要很多太陽能照明路燈;在現有的設計中，各個路燈之間獨立運行。然而對于這樣的獨立光伏照明系統，在其運行過程中會遇到很多實際問題。比如:冬季和夏季日落和日出時間不同，需要在不同的時間開啟和關閉路燈;為了提高蓄電池的壽命，需要檢測蓄電池的狀態;LED是否出現照明故障的檢測;路燈時鐘的校正等。因而，為了保證路燈系統高效、穩定和可靠運行，需要對路燈系統進行必要的設置和監測。如果對于每個單獨系統都要到現場進行設置和檢測，顯然是不方便和低效率的。

而照明的實際現狀是:大約有70%的照明能源消耗是在家庭場合以外，包括商場、工業生產以及學校、醫院與區域照明等公共空間，其中區域照明更涵蓋了如街道照明、人行通道、停車場以及公園等公共空間的多種應用場合。

針對區域照明的實際問題，本文在前期工作［6～9］的基礎上開發了太陽能LED路燈區域照明控制系統，以提高工作效率、節約能源并方便系統的調試、檢修、監測和維護。

2 系統組成

所開發的太陽能LED路燈區域照明控制系統如圖1所示。其中虛線框內為單個太陽能LED照明系統，系統包括:太陽電池板、蓄電池、照明 LED燈、充電電路、放電電路、ATMEGA16單片機。其中，充放電控制、電壓、電流和溫度采樣部分實現的功能為:(1)根據蓄電池的狀態選擇不同的充電方式;(2)LED照明時間可選擇自動控制或定時控制;(3)在離線狀態時采樣太陽電池的開路電壓，在充電狀態時采樣太陽電池的輸出電壓和電流;(4)采樣蓄電池端口的電壓和電流值，包括充電和放電兩種狀態;(5)蓄電池溫度采樣。

實線框內包含單個太陽能LED照明系統 (虛線框內的部分)，和用于數據存儲的SD卡以及用于數據通信的NRF9E5無線數傳單元。

上位機對區域內所有的光伏系統進行控制。

圖1 系統組成

3 單個路燈照明系統的設計

3.1 容量配置

在太陽能照明系統的設計中，根據太陽能功率和蓄電池容量的組合關系［10，11］選擇太陽電池板和蓄電池。本文所選擇的太陽電池板在標準測試條件的參數為:短路電流Isc=5.35(A)，開路電壓Voc=46.0(V)，最大功率點電流Im=4.78(A)，最大功率點電壓Vm=36.5(V)，最大功率Pm=165(W)。蓄電池為12V，200Ah的閥控式免維護鉛酸蓄電池1塊。

3.2 充電電路

文獻中現有的太陽能充電器的DC/DC轉換電路為 Buck［10－13］、Boost［14］、Cuk［15］和 Buck-Boost變換器［16－17］。這些變換器上續流二極管上的耗損較大，降低了充電器的效率;對于較大功率的充電器還需要在這個器件上配置較大散熱器以保證器件的正常運行，增加了充電器的成本和體積。

本文中充電電路的設計是基于所選擇的太陽電池和蓄電池的具體輸出特性為依據。測試表明:當太陽電池的輸出只有1W時，其峰值電壓約為18V伏，大于蓄電池的浮充電壓14.5V。因而充電轉換電路選擇了Buck電路。

如上所述，由于傳統Buck電路中續流二極管上的損耗很大，本文中采用MOSFET取代二極管，即同步Buck:減小了開關損耗，提高了效率;同時，由于開關損耗減小了，主開關管和續流開關管上散熱器體積減小。

驅動電路采用了高壓浮動MOS柵極驅動芯片IR2103。

3.3 放電電路

本文選擇48只1W、額定電流350mA的白光LED作為光源。為了滿足節能的需要，分為三路，每路16W。根據所選擇的LED伏安特性測試曲線［6］，可知:LED的驅動電流對電壓很敏感，微小的電壓擾動將導致電流很大的變化，造成其發光質量下降。因而，為了確保LED的發光效率，LED燈采用了恒流控制。本系統中蓄電池供電電壓在11.8V～13.5V之間，點亮一組16只LED需要大約48V的電壓，因而選擇了Boost升壓變換作為放電電路。MOSFET的驅動采用推挽式結構。

3.4 單片機的選擇

充放電綜合控制是通過以單片機為核心的控制系統來實現的。目前市場上的單片機種類繁多，選擇適合的單片機類型是問題的關鍵。本文選擇的單片機為ATMEGA16，基于下述考慮:ATMEGA16具備靈活的 PWM單元，可直接輸出 PWM波;ATMEGA16具有最高10位的片上 AD(模數轉換器)，不需要外部配置;ATMEGA16系統的穩定高、抗干擾能力強;ATMEGA16內置的串行通訊接口USART(通用同步和異步收發器)是一個高度靈活的串行通訊設備，本系統中串口的任務是與上位機雙向通訊;SPI(串行外圍設備接口)允許ATMEGA16和SD卡進行高速的同步數據傳輸。

在我們最初的樣機研制中，用單片機AT89S52作為控制核心，然而開關電壓的振蕩影響到控制系統的穩定性;為了解決了這一問題而采用了緩沖和吸收電路，增加系統的成本、體積和重量，降低了效率［8，9］。在以后的樣機開發中，我們采用了ATMEGA16，實驗結果表明:開關電壓的振蕩對控制系統的穩定性沒有影響［10，11］。這說明:ATMEGA16較之AT89S52具有更強的抗干擾性。

4 區域照明控制系統

4.1 系統整體控制

太陽能照明系統包括三種工作狀態:太陽能對蓄電池的充電，蓄電池對LED的放電和系統等待狀態。系統等待狀態是指:太陽能既不滿足對蓄電池的充電條件，也沒有到照明設定時間，此時蓄電池只對控制系統供電。系統總體控制如圖2所示。系統上電后首先進行初始化，包括各存儲單元初始化，外部時鐘初始化和溫度傳感器初始化等。系統首先檢測當前是否為照明設定時間，如果是照明時間，程序轉到LED燈照明控制子程序;否則檢測太陽能電池的端口電壓是否大于啟動電壓Vs，若滿足充電條件，則系統對蓄電池充電;否則繼續對時鐘和太陽能電池輸出電壓進行檢測。

圖2 系統總體控制

4.2 最大功率點跟蹤控制

目前太陽能電池最大功率跟蹤的方法很多［15，17～21］，而應用較多的算法有恒壓跟蹤法、爬山法 (又稱干擾或觀察法)和增量電導法等。恒壓跟蹤法是一種近似最大功率跟蹤方法。爬山法有比較好的跟蹤效率，且實現簡單，是最常用的方法，但它跟蹤時波動較大，在光強迅速變化時可能誤動作。增量電導法的最大優點是能快速地跟蹤光強迅速變化引起地最大功率點的變化，有較好的跟蹤效果，但硬件實現難度較大。

由蓄電池的特性可知，在太陽電池對蓄電池充電過程中，蓄電池電壓上升，并且變化緩慢。因而本文通過實現其最大充電電流的跟蹤來近似其最大功率點的跟蹤，以簡化算法的實現和減輕單片機的運算負擔，這一方法更適合工程應用［6］。

4.3 蓄電池充電控制

對于一個蓄電池，選擇適當的充電方法，不僅可以提高充電效率，而且能夠延長蓄電池的使用壽命。本文根據太陽能電池的輸出特性和蓄電池的輸入特性，采用MPPT充電、恒壓充電和浮充充電三種充電控制方式。其具體過程是:當檢測到蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限UC時，實施最大功率充電 (MPPT)。當檢測U=UC時，如果此時充電電流大于轉換門限值IC，則對蓄電池進行恒壓充電 (CV);若 I＜IC，則轉換為浮充充電(VF)?？傊?，采用什么樣的充電方式是由蓄電池的狀態決定的，充電控制流程如圖3所示。

圖3 蓄電池充電控制

4.4 溫度補償

如前所述，蓄電池的特性受溫度的影響，根據所選定的蓄電池，當蓄電池的溫度在T1=15℃和T2=35℃之間時無需溫度補償，但當溫度不在這一區間時需要根據下式確定浮充電壓［12，19］

式中 VF0，T0——基準點的電壓和溫度值;

C——電壓溫度系數。

首先檢測當前的蓄電池正電極的溫度T，根據溫度得出浮充電壓后進行恒壓控制。

4.5 LED照明控制

為了滿足節能的需要，LED照明等分為三組，每組16W單獨由Boost電路驅動，由用戶定義在不同的時間段點亮一組、兩組或三組。在LED工作的時候，需要實時檢測蓄電池的電壓，以免蓄電池過放電。

5 區域照明管理系統

為了對區域內的所有路燈進行管理，本文開發了區域照明管理系統。該系統采用一PC機作為上位機，為操作人員提供操作界面，內嵌了通訊協議，支持廣播或按地址呼叫每一個路燈。該系統包含數據通訊單元、數據存儲單元和上位機操作程序。該系統具有以下功能:

讀取和修改路燈時鐘;讀取蓄電池電極的溫度;讀取光伏電池的電壓和電流，蓄電池的電壓和電流，和各路LED的工作電流，系統可實時記錄上述實測數據，生成數據曲線;修改照明時間;查詢當前的各路LED工作狀態，確定是否發生了LED器件的損壞;可手動調整充電電路的占空比，以調試和驗證充電算法。

5.1 數據通訊

路燈分散的布局決定了路燈與上位機的通訊適合采用無線的方式，適用于本系統的無線數據傳輸單元應具有:低功耗，開闊的傳輸距離，兼容ATMEGA16的串口，良好的抗干擾能力。基于NRF9E5的無線數傳單元滿足上述要求。該芯片為工作在430/868/915Mhz頻段的高性能單片式無線收發芯片，內置高性能增強型51單片機，在4MHz的CPU頻率下，單片機全速運行消耗1mA。模塊工作電壓范圍為1.9～3.6V，待機電流2uA，全部高頻元件集成;獨特的載波監測輸出，避免無線通信碰撞;地址匹配輸出，易于點對多點無線通信設計;就緒輸出，便于節能設計，滿足低功耗設計。

在上位機和每個路燈都接上該模塊后，可以實現區域內遠程通訊。每個模塊具有獨立地址，可以實現上位機對所有路燈的廣播和單獨呼叫。

串口通訊在系統開發初期用有線方式實現，在實用階段采用無線方式。光伏照明路燈在協議上與上位機保持一致，每部路燈有唯一的地址，響應上位機的按地址呼叫或者對區域內所有路燈進行廣播。按地址呼叫主要用于雙向的通訊，如查詢工作狀況等;廣播呼叫用于單向的參數修改，如對路燈時鐘的校正。

5.2 數據存儲

為了兼顧光伏照明系統的可靠性和經濟性，應對太陽電池和蓄電池的容量進行優化配置，使得系統在滿足長期穩定正常工作的前提下，盡量減小容量，降低成本。

太陽電池所能接收的輻射能量是由當地氣象與地理條件決定。

光伏電池輸出電壓和電流在一段時間內的實測數據可為掌握當地光照數據，進行系統優化配置提供依據。長時間測試的數據量是非常大的，普通的FLASH存儲器容量小，不能滿足要求，而且不便于插拔。SD卡 (Secure Digital Memory Card)的高容量、非易失性和易插拔特點非常適合本系統。

SD卡在系統中充當從機，單片機作為主機負責控制數據的存儲，SD卡具有SD總線和SPI總線兩種連接方式，為了方便與ATMEGA16的連接，SD卡采用SPI總線進行通訊。

應該說明是:在調試初期，SD卡對于太陽電池和蓄電池容量的優化配置是有益的;在配置完成后，可去掉SD卡，以減小成本。

5.3 上位機程序設計

上位機程序的開發采用了Visual Basic 6.0(VB 6.0)。VB 6.0所具有的窗體、按鈕、文本框等控件使得人機交互界面開發容易。上位機與路燈系統通訊協議的設定以及合理的指令格式是程序開發的關鍵。程序中約定接口:RS232;波特率:9600bps;數據格式:8位數據位;1位停止位，無校驗。

系統主要的操作界面如圖4和圖5所示。圖4為系統參數選項界面:(1)該選項卡用于查詢系統時鐘、功率器件溫度、節點電壓電流參數等，并提供時鐘的修改功能;(2)查詢時間:點擊“查詢時間”按鈕即可，在其左邊顯示10位數字，格式為年、月、日、時、分。如圖4時間為2008年11月29日19點54分;(3)查詢溫度:單擊“查詢溫度”按鈕，在其左邊顯示核心器件的當前工作溫度;(4)修改時間:在框內按查詢時間項目的格式輸入10位數時間，點擊“校正時間”即可把系統時鐘修改為設定值;(5)節點參數查詢:如圖4所示，八個參數每一個都有自己獨立的查詢按鈕，在按鈕左側顯示數值。

圖5為高級控制選項界面:該選項卡的功能更多的是面向調試人員。自動運行模式下，路燈系統自動進行充放電，而在高級調試模式，系統不再按照系統時鐘運行，允許操作人員手動設置充放電參數，例如設置按某個占空比充電或者點亮某幾路LED。該選項卡還允許操作人員設置 LED工作電流，修改路燈在各個時間段的開啟路數，查詢當前各路LED的工作情況。三路LED各自用圖例來說明當前工作狀況，如圖5所示，第一路點亮，第二路沒有接到點亮指令，第三路沒有接LED或者LED損壞開路。

左下方的項目， “自動生成數據文件”，打鉤后，開始自動記錄當前路燈的各項參數，也就是前一選項卡所述8個節點參數查詢，用于長期積累本地光照等數據。圖4和圖5中的“參數曲線”界面可用于繪制8個節點參數在一段時間內隨時間的變化情況，為優化配置系統提供數據。

圖4 系統參數界面

圖5 高級控制界面

6 測試結果

對系統進行測試，路燈系統充電啟動電流約為0.06A，最大工作電流可達到10A。充電電路啟動和停止時刻，太陽能電池的輸出功率約為1W，這表明:所設計的系統能充分利用太陽能電池的能量。

電路的現場測試與上位機測試的結果一致，表明整個系統數據通信正常。

圖6給出了充電器充電過程實測數據。測試地點:天津，測試時間為:9:00～17:00，每隔半小時測試一次。蓄電池初始電量為額定容量的70%。由圖可以看出:充電電壓不斷增大，符合蓄電池的特性;在全天的大多數時間為MPPT充電;在16:00時，蓄電池的電壓達到了14.50V，為恒壓充電;在17:00電池充滿，轉入浮充狀態。充電電流在中午達到最大，符合太陽電池的特性。系統的充電效率約為86%。

圖6 蓄電池的充電曲線

測試結果表明，所開發的系統能夠正確地工作于充電，供電和等待三種狀態。在充電階段，系統能夠依據蓄電池的不同狀態準確切換到MPPT充電、恒壓充電和浮充方式。

流過LED負載的電流穩定于350mA，負載電壓約為52.4伏;紋波在 ±4mV之間，尖峰在20～25mV左右。因而紋波和尖峰電壓對LED負載的影響可以忽略。

7 結論

長期測試結果表明:本文所開發的系統運行穩定，充放電狀態正確，數據通信正常。

(1)所開發的系統能夠正確地工作于充電，供電和等待三種狀態。在充電階段，系統能夠依據蓄電池的不同狀態準確切換到MPPT充電、恒壓充電和浮充方式。

(2)上位機管理系統的開發使得充放電控制器的調試和維護更加便利。

(3)利用SD卡存儲太陽電池的實測數據為太陽能LED照明系統的優化配置提供了依據。

(4)路燈分散的布局決定了路燈與上位機的通訊適合采用無線的方式。

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