太陽能LED照明系統充電控制器設計

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（1.南京鐵道職業技術學院 自動控制系，江蘇 蘇州 215137；2.華中科技大學 控制科學與工程系，湖北 武漢 430074）

太陽能LED照明系統主要由太陽能電池板、蓄電池、LED照明設備、充電電路、LED驅動電路、控制器組成。太陽能電池板是整個系統最昂貴的部件，為有效利用太陽能，需要對系統進行最大功率點跟蹤；蓄電池是整個系統最脆弱的部件，為延長蓄電池的使用壽命，需要根據蓄電池特性對蓄電池進行充電和放電；蓄電池輸出需要采用一定的驅動電路才能保證LED照明設備可靠穩定地工作；以上所有控制功能均由控制器實現。

1 系統組成及特性分析

太陽能LED照明系統主要由太陽能電池板、DC－DC變換電路、蓄電池、LED驅動電路、LED光源、控制器等組成。

1.1 太陽能電池特性

太陽能電池無需外加電壓，可以直接將太陽能轉換成電能，并驅動負載工作，太陽能電池的工作機理是光生伏特效應，即吸收光輻射而產生電動勢。根據太陽能電池的工作原理，以及影響太陽能電池工作效能的因素，可以用下面的數學方程來表示太陽能電池的輸出電流與輸出電壓的關系：

式中：I為太陽能電池板的輸出電流，A；V為太陽能電池板的輸出電壓，V；q為一個電子所含的電荷量，1.6×10－19C；K為波爾茲曼常數，1.38×10－23J／K；T為太陽能電池板表面溫度，K；n為太陽能電池板的理想因數，n＝1～5；I0為太陽能電池板的逆向飽和電流。

在Matlab中建立太陽能電池數學模型［1］，寫成嵌入函數的形式，并根據數學模型，繪制不同輻照度和不同溫度條件下的I－V如圖1所示，P－V曲線如圖2所示。

圖1 太陽能電池I－V特性曲線Fig.1 I－Vcharacteristic curves of Solar cells

圖2 太陽能電池P－V特性曲線Fig.2 P－Vcharacteristic curves of solar cells

由圖1和圖2特性曲線可以看出輻照度主要影響太陽能電池的短路電流，溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，特定光照和溫度條件下太陽能電池供電系統存在單峰值最大功率點，這為我們進行最大功率點跟蹤找到了理論依據。

1.2 DC－DC變換電路

常見的DC－DC變換電路主要有Buck電路（降壓型）、Boost電路（升壓型）、Cuk電路（升降壓型）。太陽能LED照明系統由于受日照強度及環境溫度變化的影響，其電壓（電流）變化很大。為了在負載變化較大時系統有較大的靈活性和較高的轉換效率，本系統的主電路選用Cuk電路［2］，其拓撲結構如圖3所示。

圖3 Cuk電路原理圖Fig.3 Cuk circuit schematic

Cuk斬波電路輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，脈動很小，且Cuk斬波電路能量的儲存和傳遞同時在2次開關動作期間和2個回路中進行，這種對稱性使變換器效率很高。當開關管Q1處于通態時，Vin－L1－Q1回路和Vo－L2－C1－Q1回路分別流過電流；當開關管Q1處于斷態時，Vin－L1－C1－D1回路和Vo－L2－D1回路分別流過電流。Cuk電路輸入、輸出電壓關系為

由于Cuk變換器的負載為蓄電池，Vo的值將被鉗位于蓄電池兩端的電壓。則Vin由Q1的占空比D確定，調節D就能找到太陽能電池最大功率點的電壓值Vm和電流值Im，此時太陽能電池以最大功率對蓄電池進行充電。

1.3 蓄電池

蓄電池作為太陽能LED照明系統的儲能元件，白天蓄電池將太陽能電池輸出的電能轉換為化學能儲存起來，到夜晚時，控制器啟動LED驅動電路，LED光源開始照明，蓄電池釋放電能。一天中，控制器的電源一直由蓄電池供給。目前光伏系統多采用閥控密封式鉛酸（valve regulated lead acid battery，VRLA）蓄電池，VRLA蓄電池采用密封結構，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現象，使用安全可靠、壽命長，正常運行時毋需對電解液進行檢測和調酸加水，又稱為“免維護”蓄電池。

2 充電算法及實現

2.1 充電控制算法

對于一個蓄電池，選擇適當的充電方法，不僅可提高充電效率，而且能夠延長蓄電池的使用壽命。其中最理想的充電方式為3段式充電法，即恒流，恒壓，浮充3個階段充電［3］。

第1階段恒流充電：在此階段，充電電路的輸出等效于電流源。蓄電池的充電電流通常由蓄電池的總容量確定，為蓄電池最大可接受電流Imax。充電過程中，通過實時監控蓄電池電壓，當蓄電池荷電狀態到達相應狀態后，充電進程進入恒壓充電階段。第2階段恒壓充電：在恒壓階段，充電電路對蓄電池提供一個較高電壓，同時檢測充電電流，該電壓對應于蓄電池充滿時對應的端電壓值。當充電電流降到低于閾值電流IC時，可以認為蓄電池電量已充滿，充電狀態進入下一階段。第3階段浮充：在浮充階段，電路給蓄電池提供一個精確的、帶溫度補償功能的浮充電壓，以補償蓄電池自放電的損失。浮充電壓VF計算如下：

式中：VF0，T0分別為基準點的電壓和溫度值；C為電壓溫度系數。

3段式充電法與蓄電池本身特性最為匹配，更有利于延長蓄電池使用壽命，成為以市電充電中應用最廣泛的方法。若將3段式充電法直接應用于太陽能照明系統，最大問題是無法實現最大效率利用太陽能電池板的輸出；蓄電池的最大可接收電流Imax一般很大，第1階段的恒流充電亦無法實現。蓄電池智能充電策略必須最大限度提升太陽能電池板功率輸出，同時最大程度延長蓄電池使用壽命。論文借鑒上述3段式充電法，同時結合光伏系統實際情況，給出一種有效的充電方法［4］。

對于太陽能LED照明系統來說，晚上蓄電池對照明燈供電，并且控制電路始終由蓄電池供電，因而當檢測到太陽能電池滿足供電條件，DC－DC轉換電路開始工作時，蓄電池總為非滿狀態，此時蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限UM（U＜UM），此時實施最大功率充電（MPPT）；當檢測U＝UM時，如果此時的I＞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）。總之，采用何種充電方式是由蓄電池的充電條件和當前狀態決定的，蓄電池的充電控制流程如圖4所示，其中MPPT算法采用了擾動觀察法。

圖4 蓄電池充電控制流程圖Fig.4 Battery charging control flow chart

2.2 充電算法實現

2.2.1 MPPT充電實現

光伏系統MPPT算法主要有固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、模糊控制法、神經網絡法等。固定電壓簡單但跟蹤效果較差，已較少使用；模糊控制法和神經網絡法跟蹤效果較好，但實現困難。擾動觀察法和電導增量法均屬于自尋優算法，擾動觀察法雖性能稍差于電導增量法，但其簡單、容易實現、對硬件要求低，且太陽能LED系統對MPPT性能要求不高。綜合以上因素選擇擾動觀察法作為太陽能LED照明系統MPPT算法。

擾動觀察法（perturbation and observation）原理是每隔一定的時間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，這一過程稱為“干擾”，并觀測之后其輸出功率變化方向，若ΔP＞0，說明參考電壓調整的方向正確，可以繼續按原來的方向“干擾”；若ΔP＜0，說明參考電壓調整的方向錯誤，需要改變“干擾”的方向。其跟蹤流程如圖5所示。

圖5 擾動觀察法流程圖Fig.5 Perturbation ＆ observation algorithm flow chart

2.2.2 恒壓、浮充實現

由2.1分析可知恒壓充電和浮充充電均向蓄電池提供一個固定電壓值，有2種實現方法，一是，如果系統精度要求不高，只要向Cuk電路提供一個固定的占空比即可，二是，如果系統精度要求很高，可以采用反饋方式來實現，即檢測實際輸出電壓值與給定值進行比較，再通過程序調整占空比使輸出電壓穩定為某一具體數值。為降低系統的復雜度，提高可靠性，本系統選擇第1種實現方法。

3 實驗調試

3.1 系統容量確定

系統各部分容量選取配合是系統設計關鍵，需要綜合考慮成本、效率和可靠性，并留有一定的裕量。

3.1.1 太陽能電池型號

太陽能電池選擇Solarex MSx60 60W電池板，在標準測試條件下，即光強1 000W／m2，溫度為25℃，其參數：最大功率Pm＝59.9W，峰值工作電流Im＝3.5A，峰值工作電壓Vm＝17.1V，短路電流Isc＝3.74A，開路電壓Uoc＝21.0V。

3.1.2 LED光源類型

太陽能LED照明系統光源為高性價比的1W白光LED 36只，采用6串6并混連方式進行連接，恒流方式進行驅動［5］。

3.1.3 蓄電池容量

本設計采用閥控密封式鉛酸蓄電池（VR－LA）。設計容量越大，工作越處于淺循環，壽命越長，但成本也相對較高，實際安裝時酌情選擇。蓄電池容量計算如下所示［6］：

式中：Bc為蓄電池容量；A為安全系數，一般為1.1～1.4；Q1為日耗電量，即工作電流乘以日工作小時數；T0為溫度系數，一般0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；Cc為放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。

此處蓄電池額定電壓為12V，設計容量當連續5天陰雨仍可工作，考慮到上一次放電后夜間未能充電，所以N1＝6，計算如下式：

因此取300A·h。

3.2 實驗數據

使用3.1計算參數配置構建實驗系統，以太陽光照較強的一整天為測試對象，對實驗數據進行記錄。早上8∶30之前一般為系統啟動階段，晚上6∶00以后因光線不足系統將停止充電，所以系統著重研究8∶30～17∶30時的實驗數據。表1為充電控制器實測數據，表1中列出整點時刻數據，實為一段時間內的平均值，蓄電池的初始荷電狀態（SOC）為70%。由表1可以看出，充電控制器能夠依照圖4給出的控制流程根據蓄電池所處工作狀態在MPPT充電，恒壓充電，浮充3種工作方式之間切換。既充分利用了太陽能，又有利于延長蓄電池使用壽命。

表1 充電控制器實測數據Tab.1 The measured data of charge controller

采用MPPT算法充電可以提高太陽能電池的利用率，MPPT充電算法和恒壓充電算法數據對比如表2所示。由于蓄電池兩端電壓基本相同，所以表2只列出兩種算法充電電流。數據顯示采用MPPT算法充電較采用恒壓充電太陽能電池的利用率平均提高了15.96%。

表2 MPPT算法與恒壓算法充電電流對比Tab.2 Compare of charging current between MPPT and constant voltage

實驗表明，作者所設計的充電控制器能夠根據蓄電池所處的工作狀態進行充電算法的切換，當蓄電池剩余電量不足時采用MPPT算法充電，以充分利用太陽能，當蓄電池快充滿時采用恒壓充電以保護蓄電池，當蓄電池已充滿時采用浮充維持其電量。通過對比MPPT算法和恒壓算法充電電流，發現采用MPPT算法太陽能電池的利用率有較大幅度的提高。

4 結論

論文首先介紹太陽能LED照明系統主要組成部分，并對其進行特性分析，可知太陽能LED照明系統充電控制電路設計既要充分利用太陽能，又要滿足蓄電池充電特性。隨后論文給出一種充電控制方案，即當端電壓較低時采用MPPT算法充電；當端壓電壓上升一定數值之后且充電電流較大時采用恒壓充電；當充電電流下降到某一閾值時采用浮充方式。最后根據太陽能電池板和LED負載容量，計算確定蓄電池容量，構建實驗系統，測試表明，控制器可以根據蓄電池狀態準確地在MPPT、恒壓、浮充算法之間切換，對比MPPT充電和恒壓充電其充電效率提高約16%。總之，該控制器既實現了太陽能的有效利用，又延長了蓄電池的使用壽命。

［1］李鷹，康龍云，朱洪波，等.一種新型光伏發電系統最大功率跟蹤算法［J］.電氣傳動，2010，40（12）：35－39.

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［3］余發平.LED光伏照明系統優化設計［D］.合肥：合肥工業大學，2006.

［4］楊曉光，寇臣銳，汪友華.太陽能LED照明路燈充電器的研制［J］.太陽能學報，2010，31（1）：67－71.

［5］張波，鄭宏，曹豐文，等.LED光伏路燈系統的研究與設計［J］.電氣傳動，2010，40（9）：38－40.

［6］粟梅，李黎明，孫堯.獨立光伏系統用蓄電池充放電策略的設計［J］.蓄電池，2011，48（3）：130－137.