基于單片機(jī)的太陽能LED路燈控制器設(shè)計(jì)

　　2. 1 充電電路及控制策略

　　充電電路由電感L1、功率MOSFET 管T1和續(xù)流二極管D2構(gòu)成降壓型Buck 電路，如圖3 所示。 通過改變加在MOSFET 控制柵極的脈沖寬度（ 脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation,PWM） 就可以改變太陽能電池板的輸出電壓。 通過檢測太陽能電池板的輸出電壓和電流、蓄電池的電壓和電流，判斷蓄電池的電荷狀態(tài)，選擇合適的充電方式為蓄電池優(yōu)化充電。 當(dāng)蓄電池電壓超過一定電壓后，關(guān)斷T1,防止蓄電池過充電。 當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境光線充足，控制器就會(huì)進(jìn)入充電模式。

圖3 Buck 主充電電路

　　然而，充電的效率與充電電源（ 太陽能電池） 、負(fù)載（ 蓄電池） 以及環(huán)境的特性是緊密相關(guān)的。 太陽能電池的輸出功率是日照強(qiáng)度和周圍環(huán)境溫度的非線性函數(shù)，如圖4 所示。

　　也就是說，當(dāng)日照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，最大輸出功率相應(yīng)增大； 當(dāng)溫度增加時(shí)，輸出功率降低； 但一定條件下，總存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)。 當(dāng)忽略溫度效應(yīng)時(shí)，不同光照條件的輸出特性與負(fù)載曲線L 的交點(diǎn)A,B,C,D,E（ 工作點(diǎn)） 顯然不都是最大功率點(diǎn)，若采用直接匹配必然帶來輸出功率的損失。

圖4 太陽能光伏電池的輸出特性

　　采用最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（ Maximum Power Point Track） 的控制策略就可以將采集到的太陽能盡可能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存到蓄電池組中。 MPPT 控制策略主要有干擾觀測法、導(dǎo)納增加法和固定參數(shù)法等算法。 這里采用干擾觀測法，其思想： 控制器在每個(gè)控制周期用較小的步長改變光伏電池的輸出電壓或電流---"干擾",改變的方向可以增加或減??； 比較前后光伏電池的輸出功率，如果輸出功率增加，就按照上一周期的方向繼續(xù)干擾過程； 如果輸出功率減小，則改變干擾的方向，最終在最大功率點(diǎn)往復(fù)達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)還可以減小步長以進(jìn)一步逼近最大功率點(diǎn)。

　　另外，目前條件下鉛酸蓄電池是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的蓄電裝置。 鉛酸蓄電池的容量和壽命是蓄電池的重要參數(shù)，受充電方法的影響很大。 可接受的理想充電曲線是充電電流隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減的曲線，但極化現(xiàn)象卻制約了蓄電池的壽命和光伏電池發(fā)電系統(tǒng)充電模式。 因此需要根據(jù)蓄電池充電特性曲線，采用分階段的充電策略，才可以提高充電的效率和延長蓄電池的壽命。 這里蓄電池的充電策略是三階段充電（ 快充、過充和浮充）。

　?。?） 快充階段充電電路的輸出方式等效為電流源。 電流源的輸出電流根據(jù)蓄電池最大可接受電流來確定。 充電過程中，檢測蓄電池端電壓，當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限值后，充電電路轉(zhuǎn)到過充階段。 固定輸出電流，采用MPPT 算法控制輸出電壓。

　?。?） 過充階段充電電路對蓄電池提供一個(gè)較高電壓，同時(shí)檢測充電電流。 當(dāng)充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值時(shí)，認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。

　?。?） 浮充階段蓄電池組充滿電后，保持電量的最好方法就是給蓄電池提供一個(gè)精確的、具有溫度補(bǔ)償功能的浮充電壓。

　　2. 2 放電電路及控制策略

　　放電電路的負(fù)載是大功率LED 路燈，它是由1 W 及以上的高亮度LED 按一定的拓?fù)溥B接而成的綠色光源。 大功率LED 路燈的發(fā)光強(qiáng)度是和流過的電流成正比。 由于大功率LED 的電流、電壓參數(shù)具有典型的PN 結(jié)伏安特性，其正向壓降的微小變化會(huì)引起較大的正向電流變化。 不穩(wěn)定的工作電流會(huì)影響LED 的壽命和光衰，所以大功率LED 的驅(qū)動(dòng)電路必須提供恒定的電流。 其控制電路主要采用DC /DC 升壓驅(qū)動(dòng)電路（ Boost） ,控制策略采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM） ,Boost 充電電路如圖5 所示。

圖5 Boost 放電電路。

　　電感L2、功率MOSFET 管Q2和D3構(gòu)成升壓型DC /DC 轉(zhuǎn)換器，通過單片機(jī)控制輸出PWM2,獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓； 通過PWM3和PWM4 通道進(jìn)行2 路LED 照明的恒流控制，完全關(guān)斷這2 路負(fù)載還可以用作半功率點(diǎn)控制； R7和R10提供LED 照明驅(qū)動(dòng)電路的電流反饋采樣； 其它時(shí)控功能、溫度補(bǔ)償電路和蓄電池的過放保護(hù)電路在此就不詳細(xì)討論。