基于Buck/Boost太阳能LED路灯控制器

德州学院机电工程学院 曲帅帅 王志坤

1.系统简介

本作品的最大特点在于提高了太阳能电池板的光伏利用效率，最大限度的降低了控制电路本身的功耗，具有良好的实用性和较高的技术含量。系统采用了一种自适应性算法的MPP最大功率追踪控制法，实现了在同样光照条件下太阳能电池发电量最大化的控制，设计了电池板智能追光与自动清洁板面的机械结构，使各个时间段的光线与电池板都能保持最佳角度，做到了强光时降压防过充、弱光时升压继续充的全功能充电控制，使相对昂贵的太阳能电池得到了最大限度的利用。采用了蓄电池剩余容量(SOC)控制法的最新技术，从而使蓄电池不会发生过充、过放现象，延长了蓄电池的使用寿命，提高了太阳能路灯系统运行可靠性，使该系统更加节能环保。整体系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.研制背景及意义

近年来，随着石油、煤碳等不可再生资源的枯竭，能源问题成为多方面关注的焦点。各国都在寻求解决能源危机的办法。

目前被称为第四代新光源的高亮度LED灯作为新型照明灯具有功耗低、亮度高、色彩艳丽、抗振动、寿命长(正常发光60000—100000h)，冷光源、节能环保等优点，是真正的“绿色照明”。以LED为光源的灯饰产品在21世纪的将来，必然取代白炽灯，成为人类照明史上的又一次革命。

我们根据太阳能利用和LED灯特点，在经多方面的走访调查、征求部分太阳能路灯厂家和客户意见的基础上，以最大限度提高能源利用，最佳节能减排环保精神为准则，开发了该能适用于太阳能路灯的充电过程控制、点亮时间设定的全功能控制系统。

3.设计方案

我们制作的这个控制系统，功能强大，但电路设计简单，外围器件较少，这是主要考虑到控制系统本身的耗能问题。

3.1 控制模块的选择方案

采用AT89C51单片机进行控。AT89C51价格低廉，结构简单，且资料丰富，性能稳定故采用AT89C51作为主控制芯片。采用STC12C5410AD单片机作为充电控制核心。STC12C5410AD单片机虽然也是一种8位单片机，但其具有独特的AD功能，还可输出PWM波，外围电路简单，编程方便且存储空间大，抗干扰性能强。更适合做充电控制。

3.2 其他方案的选择

根据系统要求，我们在电路设计上采用单片机输出的PWM波对两只VMOS管进行控制，一只控制太阳能电池板的充电全过程，一只控制蓄电池对LED灯点亮时间和电流大小的全功能控制。

为了设定LED灯点亮或半功率点亮时间，电路板上加了数码管显示连接接口。

为了方便调节各种参数和连接器件，电路上加了按键和输出端口。

4.理论设计与计算

控制器系统由于采用了高性能的单片机，所以在各种功能控制上可以较为方便的实现。为了充分利用太阳能电池板进行能量转换，对电池板设计了追光控制系统；并用最先进的蓄电池五步充电法给对蓄电池实施最佳充电管理。根据充电方式，控制器可分为开关型控制器和脉宽调制型(PWM)控制器两种控制器都具有充满断开(HVD)欠压断开(LVD)和恢复功能也就是说，当蓄电池电压升至过充点时，控制器能自动切断充电；当蓄电池电压降到过放点时，控制器能自动切断负载，而当蓄电池电压回升到充电恢复点时，控制器能自动恢复对负载的供电，在程序上设置了特殊的调制信号脉冲，用以提高蓄电池的充电效率和容量减少老化效应延长，并有修复电瓶的作用。为了节能，微控制器可对LED灯的点亮时间进行任意设定，并可对全功率点亮时间和任意功率点亮时间进行设定，系统使得LED灯点亮时间的控制具有很强的可控性；在程序编制上我们采用一种适应性算法的MPP最大功率追踪控制法。

图2 充电电路

图3 主控电路

同时实现了在同样光照条件下太阳能电池发电量最大化的控制，并设计了电池板自动清洁板面的机械结构。根据目前市场上普通充电控制器存在阳光最强时和光照不足时不能给电瓶充电的事实。从电路上和程序上均做到了强光时降压、弱光时升压全功能的充电控制。对由于蓄电池处于过放电而造成蓄电池寿命短和可靠性不高等问题，采用了蓄电池剩余容量(SOC)控制法的最新技术，编制了具有自适应功能的新型太阳能路灯全新控制系统，从而使蓄电池不会发生过充、过放现象，延长了蓄电池的使用寿命，提高了太阳能路灯系统运行可靠性。蓄电池剩余容量控制法对蓄电池的放电过程进行控制。它所依据的理论是根据电化学原理导出的蓄电池放电过程中的余容量(SOC)与端电压之间关系的数学模型：

式中：a由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1～0.2；b为电化学极化项常数，0.1～0.15；c为内阻极化项常数，0.08～0.15；Vr为蓄电池充电初始或放电终了的静态电压；SOC为蓄电池的荷电状态或在任意时刻的容量；I为充电电流或放电电流；T为实际温度；K为温度系数；DOD为蓄电池放电深度。

5.电路设计方案

我们的控制系统，主要是以单片机为控制单元，以大功率VMOS管为执行器件，根据太阳能电池板的光电特性，太阳能专用蓄电池充、放电性能特点进行了各种功能设定和控制，以使用方便、控制简单，寿命长成本低等要求，以最简洁的电路结构，最人性化的程序保证，最实用的蓄电池充、放电规程，充电电路如图2所示，主控电路如图3所示。

[1]张国华,刘克铜,李雪霞.一款太阳能警示灯的设计和实现[J].电子科技,2010(12).

[2]宋振灿,邹继军.太阳能充电器的设计[J].湖南农机,2009(07).

[3]赵云丽,宋振灿.太阳能手机充电器的设计[J].电子质量,2009(04).

[4]刘克铜,张国华.单片机设计与制作——太阳能警示灯[J].经营管理者,2010(14).

[5]谢志义.基于MC68HC908JL3抽油烟机控制器设计[J].中国高新技术企业,2010(33).

[6]李鹏.基于单片机的太阳能充电装置设计[J].科技信息,2009(20).

[7]刘巍,王志超,沈峘,朱天宇,卞新高.太阳自动跟踪系统的研究与设计[J].水电能源科学,2009(02).

[8]张华熊,汪亚明,张聿,章晨衍.基于单片机的货运电梯控制器设计[J].测试技术学报,2008(03).

[9]阚玉怀,王占杰.基于STC5404AD的太阳能路灯控制器设计与实现[J].照明工程学报,2010(04).