基于MPPT光伏LED路燈照明系統設計

張志宏++華前斌

摘 要：本文采用一高性價比8位單片機STM8S103F3作為核心控制芯片，系統涉及DC/DC雙向變換技術，把光伏充電與LED驅動控制技術應用有效結合。采用的簡化的迭代法來進行最大功率點跟蹤，提高充電效率。通過STM8單片機PWM調節LED驅動電路，進一步提高電流穩定精度。

關鍵詞：最大功率點跟蹤；LED 照明；DC/DC變換器

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A

0.引言

傳統光伏LED 路燈照明設備采用光伏發電儲能系統和LED驅動電路的兩個獨立系統組合而成，導致安裝復雜、成本高、可靠性差等缺點。為此，本文所設計光伏LED路燈照明系統，采用光伏發電儲能控制與LED恒流驅動共用一套電路，電路利用率提升，降低了制造成本。對促進節能環保LED路燈照明的普及推廣有重大的現實意義。本文給出了該系統的硬件設計和軟件設計的具體方案，最后對所設計的樣品實驗測試，達到了預期的效果。

1.設計思想

一般的太陽能LED照明設備，需將光伏充電控制器和LED驅動電源兩個獨立的產品集成，涉及產品選型、匹配等一系列問題。本文所設計的控制系統，將光伏充電與LED驅動兩個功能在同一電路中實現。

要在同一主電路中實現太陽能充放電控制和恒流驅動一體化，需采用雙向直流變換器電路。雙向直流變換器電路，實現光伏發電與LED輸出兩者間自動切換，即在白天有光照時，雙向變換器切換為輸入模式，對太陽能電池發電進行蓄電池儲存；夜晚或無光照時，雙向變換器切換為輸出模式，蓄電池通過直流變換器放電，提供LED路燈照明電能。電路中單片機及其驅動電路控制充電和放電過程的切換，以及充電電壓和LED路燈電流大小。

2.電路設計

2.1 電路結構

本系統蓄電池一組充電電壓13V左右，太陽能板開路電壓達到21.5V，充電需要降壓處理，經典的方案是采用Buck拓撲結構的DC/DC轉換電路。蓄電池放電采用Boost 的DC/DC 轉換電路，為LED驅動提供電能。本系統充放電與LED恒流驅動一體，電路在Buck和Boost電路的基礎上改為基本架構為Buck-Boost 雙向DC/DC變換器。

如圖1所示，本系統的主電路為雙向DC/DC變換電路，由一個電感和多個功率MOS 開關管、電容等組成。此電路通過MOS功率管Q4和Q1兩個開關控制Buck充電和Boost放電的切換。

2.2 工作原理

2.2.1 最大功率點跟蹤充電技術

雙向DC/DC變換電路的光伏充電的工作過程為：MOS管Q2、 Q1斷開，形成Buck結構DC/DC變換電路。單片機控制Buck電路的MOS管Q4的開關 ，輸出一定的電壓或電流，對蓄電池充電。

光伏太陽能板只有在一個特定輸出電壓下，才能得到最大的光電轉換效率（即輸出功率最大）。受外部光照強度和溫度的影響，其輸出Upmax是變化的。本系統通過MPPT算法，在實用的精度范圍內，設置合適的太陽能板輸出電壓盡可能地保證系統具有最大光電轉換效率。

其中 DI、DV是關于太陽能板在參考光強、參考溫度環境下的參數，Isc為太陽板短路電流。表達式是個超越方程，可由牛頓迭代法解出對應最大功率點的電壓 Vmax。

通過對迭代法的簡化處理，實現在低端單片機中可以處理的MPPT算法，由單片機控制MOS 開關管Q4 的PWM 信號占空比，調整等效Buck邊換電路的輸出電壓和輸入電壓的大小。在適當的精度范圍內，實現充電環節的MPPT控制。

2.2.2 放電驅動負載

本系統使用采用太陽能專用膠體蓄電池，一組的工作輸出電壓DC12V ，而LED路燈負載的工作電壓范圍大多在DC36～48 V，所以系統蓄電池放電過程，采用Boost 變換電路進行DC電壓的變換，MOS開關管Q2接通Boost回路，蓄電池儲蓄的電能向路燈負載放電。通過單片機調整開關管Q1 的PWM信號，調節輸出電流LED電流的大小，實現對LED負載的恒流驅動。

2.3 控制系統設計

考慮到本系統的一些關鍵控制要求，以及制造成本，控制系統以意法半導體公司的單片機STM8S103F3為控制核心。相對于現在眾多的8位單片機，STM8的性價比是很高的：一個10位連續漸近式模數轉換器（ADC1），提供多達5個多功能的輸入通道和一個內部多路復用輸入通道；16位通用定時器，帶有3個CAPCOM通道（IC、OC 或 PWM） ，可滿足本系統的控制功能要求。

控制設計框架如圖2所示，系統以STM8單片機為控制核心，外圍電路包括數據采集、PWM和I/O控制等信號的驅動電路。光照強度、溫度，蓄電池、光伏陣列和LED 負載的電壓/ 電流 等參數信息，通過相應的驅動電路轉化送入STM8 的ADC 接口，進行AD 轉換。根據程序算法，控制信號單元輸出信號，通過驅動電路控制對應的MOS開關管（含普通開關信號和PWM信號），實現MPPT 充電、LED恒流供電。用紅外遙控器與主機進行通信，設置所需工作參數，主機人機界面顯示相應工作狀態。

此外，本系統通過對蓄電池電流、電壓等數據的采集控制，還具有對蓄電池過充、過放等各項保護功能。

3.測試系統

對本文設計的系統進行實驗驗證。主要參數：太陽能組件標稱最大功率電壓 17.5V，最大功率電流5.71A，短路電流6.31A；儲能設備采用一組膠體畜電池，充電電壓13.8V；LED負載額定功率40W，測量工作電壓31.6V，工作電流1.2A。

在系統對儲能電池充電這一階段，對光伏電池電壓輸出實行MPPT控制，通過半透明物體改變光照傳感器接收的光照強度，系統對充電電壓加以不斷調節，測量系統PV輸出電壓值與Matlab仿真的結果接近，響應的時間也在許可范圍了，達到預期的控制效果。實驗電路中，如圖1所示，測量R5兩端電壓波形（即間接測LED負載電流變化），得到波形穩定，上下波動在3%以內。說明控制器的很好恒流驅動作用。

結論

本文進行了MPPT獨立式光伏大功率LED照明電源研究，采用了經過簡化的迭代法實現MPPT控制，一定程度地使充電效率得到提高。并且本系統把小型光伏充電系統與LED照明控制系統有效結合，節約成本，減小了設備的體積，便于推廣。

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