發(fā)布時間：2018/11/3 10:23:02 來源：本站
一般的太陽能LED照明設(shè)備，需將光伏充電控制器和LED驅(qū)動電源兩個獨立的產(chǎn)品集成，涉及產(chǎn)品選型、匹配等一系列問題。本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)，將光伏充電與LED驅(qū)動兩個功能在同一電路中實現(xiàn)。
要在同一主電路中實現(xiàn)太陽能充放電控制和恒流驅(qū)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(xiàn)光伏發(fā)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(fā)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(qū)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。
本系統(tǒng)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(jīng)典的方案是采用Buck拓撲結(jié)構(gòu)的DC/DC轉(zhuǎn)換電路。蓄電池放電采用Boost 的DC/DC 轉(zhuǎn)換電路，為LED驅(qū)動提供電能。本系統(tǒng)充放電與LED恒流驅(qū)動一體，電路在Buck和Boost電路的基礎(chǔ)上改為基本架構(gòu)為Buck-Boost 雙向DC/DC變換器。
如圖1所示，本系統(tǒng)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(guān)管、電容等組成。此電路通過MOS功率管Q4和Q1兩個開關(guān)控制Buck充電和Boost放電的切換。
2.2.1 最大功率點跟蹤充電技術(shù)
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(jié)構(gòu)DC/DC變換電路。單片機控制Buck電路的MOS管Q4的開關(guān) ，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(zhuǎn)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(tǒng)通過MPPT算法，在實用的精度范圍內(nèi)，設(shè)置合適的太陽能板輸出電壓盡可能地保證系統(tǒng)具有最大光電轉(zhuǎn)換效率。
太陽能板在參考光照強度、環(huán)境溫度下的功率與輸出電壓的關(guān)系
在極值條件， dP/dV=0得
圖1 主電路結(jié)構(gòu)
其中 DI、DV是關(guān)于太陽能板在參考光強、參考溫度環(huán)境下的參數(shù)，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(yīng)最大功率點的電壓 Vmax。
通過對迭代法的簡化處理，實現(xiàn)在低端單片機中可以處理的MPPT算法，由單片機控制MOS 開關(guān)管Q4 的PWM 信號占空比，調(diào)整等效Buck邊換電路的輸出電壓和輸入電壓的大小。在適當(dāng)?shù)木确秶鷥?nèi)，實現(xiàn)充電環(huán)節(jié)的MPPT控制。
2.2 .2 放電驅(qū)動負載
本系統(tǒng)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(tǒng)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(guān)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(diào)整開關(guān)管Q1 的PWM信號，調(diào)節(jié)輸出電流LED電流的大小，實現(xiàn)對LED負載的恒流驅(qū)動。
考慮到本系統(tǒng)的一些關(guān)鍵控制要求，以及制造成本，控制系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的單片機STM8S103F3為控制核心。相對于現(xiàn)在眾多的8位單片機，STM8的性價比是很高的：一個10位連續(xù)漸近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC1)，提供多達5個多功能的輸入通道和一個內(nèi)部多路復(fù)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(tǒng)的控制功能要求。
控制設(shè)計框架如圖2所示，系統(tǒng)以STM8單片機為控制核心，外圍電路包括數(shù)據(jù)采集、PWM和I/O控制等信號的驅(qū)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(shù)信息，通過相應(yīng)的驅(qū)動電路轉(zhuǎn)化送入STM8 的ADC 接口，進行AD 轉(zhuǎn)換。根據(jù)程序算法，控制信號單元輸出信號，通過驅(qū)動電路控制對應(yīng)的MOS開關(guān)管（含普通開關(guān)信號和PWM信號），實現(xiàn)MPPT 充電、LED恒流供電。用紅外遙控器與主機進行通信，設(shè)置所需工作參數(shù)，主機人機界面顯示相應(yīng)工作狀態(tài)。
此外，本系統(tǒng)通過對蓄電池電流、電壓等數(shù)據(jù)的采集控制，還具有對蓄電池過充、過放等各項保護功能。
對本文設(shè)計的系統(tǒng)進行實驗驗證。主要參數(shù)：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(shè)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(tǒng)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(tǒng)對充電電壓加以不斷調(diào)節(jié)，測量系統(tǒng)PV輸出電壓值與Matlab仿真的結(jié)果接近，響應(yīng)的時間也在許可范圍了，達到預(yù)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(wěn)定，上下波動在3%以內(nèi)。說明控制器的很好恒流驅(qū)動作用。
圖2 系統(tǒng)整體控制設(shè)計框架
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(jīng)過簡化的迭代法實現(xiàn)MPPT控制，一定程度地使充電效率得到提高。并且本系統(tǒng)把小型光伏充電系統(tǒng)與LED照明控制系統(tǒng)有效結(jié)合，節(jié)約成本，減小了設(shè)備的體積，便于推廣。
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