基于單片機的太陽能LED路燈控制器設計

　　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。 當蓄電池電壓超過一定電壓后，關斷T1,防止蓄電池過充電。 當系統(tǒng)檢測到環(huán)境光線充足，控制器就會進入充電模式。

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） 、負載（ 蓄電池） 以及環(huán)境的特性是緊密相關的。 太陽能電池的輸出功率是日照強度和周圍環(huán)境溫度的非線性函數(shù)，如圖4 所示。

　　也就是說，當日照強度增強時，最大輸出功率相應增大； 當溫度增加時，輸出功率降低； 但一定條件下，總存在一個最大輸出功率點。 當忽略溫度效應時，不同光照條件的輸出特性與負載曲線L 的交點A,B,C,D,E（ 工作點） 顯然不都是最大功率點，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，儲存到蓄電池組中。 MPPT 控制策略主要有干擾觀測法、導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，最終在最大功率點往復達到穩(wěn)定，此時還可以減小步長以進一步逼近最大功率點。

　　另外，目前條件下鉛酸蓄電池是比較經(jīng)濟實用的蓄電裝置。 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）。

　　（1） 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較高電壓，同時檢測充電電流。 當充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值時，認為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。

　　（3） 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精確的、具有溫度補償功能的浮充電壓。

　　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 按一定的拓撲連接而成的綠色光源。 大功率LED 路燈的發(fā)光強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引起較大的正向電流變化。 不穩(wěn)定的工作電流會影響LED 的壽命和光衰，所以大功率LED 的驅(qū)動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，通過單片機控制輸出PWM2,獲得一個穩(wěn)定的輸出電壓； 通過PWM3和PWM4 通道進行2 路LED 照明的恒流控制，完全關斷這2 路負載還可以用作半功率點控制； R7和R10提供LED 照明驅(qū)動電路的電流反饋采樣； 其它時控功能、溫度補償電路和蓄電池的過放保護電路在此就不詳細討論。