1、歡迎引用：1 黃克亞, 尤鳳翔. 太陽能照明系統(tǒng)充電控制器設(shè)計(jì)J, 電氣傳動(dòng), 2012, 42(11):38-41.太陽能LED照明系統(tǒng)充電控制器設(shè)計(jì)摘 要：設(shè)計(jì)一種太陽能LED照明系統(tǒng)充電控制器，既能實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)又能滿足蓄電池電壓限制條件和浮充特性。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測試表明，控制器可以根據(jù)蓄電池狀態(tài)準(zhǔn)確地在MPPT、恒壓、浮充算法之間切換，MPPT充電效率較恒壓充電提高約16%。該充電控制器既實(shí)現(xiàn)了太陽能的有效利用，又延長了蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞：太陽能電池,蓄電池,充電控制器,LED照明中圖分類號(hào): TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of Charge

2、 Controller for Solar LED lighting systemsAbstract：A charge controller for solar LED lighting system was designed. The proposed charging method not only uses the maximum power point tracking (MPPT) scheme, but also satisfies the requirement of the storage batterys voltage limit and float charging ch

3、aracteristic. Experimental system was built, and tested results show that the charge controller can be switched precisely to work in the MPPT charging status, the constant voltage status, or the float charging status according to the status of Battery. Compared with constant voltage status, the effi

4、ciency of MPPT status increased about 16%. The charge controllers not only achieved the effective use of solar energy, but also extend battery life.Keywords：solar cells; battery; charge controller; LED lighting太陽能LED照明系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、LED照明設(shè)備、充電電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、控制器組成。太陽能電池板是整個(gè)系統(tǒng)最昂貴的部件，為有效利用太陽能，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)

5、跟蹤；蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)最脆弱的部件，為延長蓄電池的使用壽命，需要根據(jù)蓄電池特性對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和放電；蓄電池輸出需要采用的一定驅(qū)動(dòng)電路才能保證LED照明設(shè)備可靠穩(wěn)定地工作；以上所有控制功能均由控制器實(shí)現(xiàn)。1 系統(tǒng)組成及特性分析太陽能LED照明系統(tǒng)主要由太陽能電池板、DC-DC變換電路、蓄電池、LED驅(qū)動(dòng)電路、LED光源、控制器等組成。1.1 太陽能電池特性太陽能電池?zé)o需外加電壓，可以直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，太陽能電池的工作機(jī)理是光生伏特效應(yīng)，即吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢。根據(jù)太陽能電池的工作原理，以及影響太陽能電池工作效能的因素，我們可以用下式所示的數(shù)學(xué)方程來表示太陽能電池的輸出電

6、流與輸出電壓的關(guān)系: (1) 式中，I：太陽能電池板的輸出電流(A)；V：太陽能電池板的輸出電壓(V)；q：一個(gè)電子所含的電荷量(l.6x10-19C)；K：波爾茲曼常數(shù)(l.38×1023J/K)；T：太陽能電池板表面溫度(K)；n：太陽能電池板的理想因數(shù)(n=1-5)；I0：表示太陽能電池板的逆向飽和電流。 在Matlab中建立太陽能電池?cái)?shù)學(xué)模型1，寫成嵌入函數(shù)的形式，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型，繪制不同輻照度和不同溫度條件下的I-V如圖1所示，P-V曲線如圖2所示。其中圖(a)標(biāo)注為輻照度，單位為W/m2；圖(b)標(biāo)注為陣列表面溫度，單位為。圖1 太陽能電池I-V特性曲線Fig.1 I-V

7、 characteristic curve of Solar cells圖2 太陽能電池P-V特性曲線Fig.2 P-V characteristic curve of Solar cells由圖1和圖2特性曲線可以看出輻照度主要影響太陽能電池的短路電流，溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，特定光照和溫度條件下太陽能電池供電系統(tǒng)存在單峰值最大功率點(diǎn)，這為我們進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤找到了理論依據(jù)。1.2 DC-DC變換電路常見的DC-DC變換電路主要有Buck電路（降壓型）、Boost電路（升壓型）、Cuk電路（升降壓型）。太陽能LED照明系統(tǒng)由于受日照強(qiáng)度及環(huán)境溫度的影響，其電壓（電流）變化很大。為

8、了在負(fù)載變化較大時(shí)系統(tǒng)有較大的靈活性和較高的轉(zhuǎn)換效率，本系統(tǒng)的主電路選用Cuk電路2，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 Cuk電路原理圖Fig.3 Cuk circuit schematicCuk斬波電路輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，脈動(dòng)很小，且Cuk斬波電路能量的儲(chǔ)存和傳遞同時(shí)在兩次開關(guān)動(dòng)作期間和兩個(gè)回路中進(jìn)行，這種對(duì)稱性使變換器效率很高。當(dāng)開關(guān)管Q1處于通態(tài)時(shí)，Vin-L1-Q1回路和Vo-L2-C1-Q1回路分別流過電流；當(dāng)開關(guān)管Q1處于斷態(tài)時(shí)，Vin-L1-C1-D1回路和Vo-L2-D1回路分別流過電流。Cuk電路輸入、輸出電壓關(guān)系為：（2）由于Cuk變換器的負(fù)載為蓄電池，Vo的值

9、將被箝位于蓄電池兩端的電壓。則Vin由Q1的占空比D確定，調(diào)節(jié)D就能找到太陽能電池最大功率點(diǎn)的電壓值Vm和電流值Im，此時(shí)太陽能電池以最大功率對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。1.3蓄電池蓄電池作為太陽能LED照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，白天蓄電池將太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，到夜晚時(shí)，控制器啟動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)電路，LED光源開始照明，蓄電池釋放電能。全天中，控制器的電源一直由蓄電池供給。目前光伏系統(tǒng)多采用閥控密封式鉛酸（Valve Regulated Lead Acid Battery，簡稱VRLA）蓄電池，VRLA蓄電池采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長，正

10、常運(yùn)行時(shí)毋需對(duì)電解液進(jìn)行檢測和調(diào)酸加水，又稱為“免維護(hù)”蓄電池。2 充電算法及實(shí)現(xiàn)2.1 充電控制算法對(duì)于一個(gè)蓄電池,選擇適當(dāng)?shù)某潆姺椒?不僅可提高充電效率,而且能夠延長蓄電池的使用壽命。其中最理想的充電方式為三段式充電法，即恒流，恒壓，浮充三個(gè)階段充電3。第一階段恒流充電:在此階段，充電電路的輸出等效于電流源。蓄電池的充電電流通常由蓄電池的總?cè)萘看_定，為蓄電池最大可接受電流Imax。充電過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池電壓，當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)到達(dá)相應(yīng)狀態(tài)后，充電進(jìn)程進(jìn)入恒壓充電階段。第二階段恒壓充電:在恒壓階段，充電電路對(duì)蓄電池提供一個(gè)較高電壓，同時(shí)檢測充電電流，該電壓對(duì)應(yīng)于蓄電池充滿時(shí)對(duì)應(yīng)的端電壓

11、值。當(dāng)充電電流降到低于閾值電流IC時(shí)，可以認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電狀態(tài)進(jìn)入下一階段。第三階段浮充:在浮充階段，電路給蓄電池提供一個(gè)精確的、帶溫度補(bǔ)償功能的浮充電壓，以補(bǔ)償蓄電池自放電的損失。浮充電壓VF計(jì)算如式2所示。式VF0，T0分別為基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓和溫度值，C為電壓溫度系數(shù)。VF=VF0+（T-T0）C(2)三段式充電法與蓄電池本身特性最為匹配，更有利于延長蓄電池使用壽命，所以成為以市電充電中應(yīng)用最廣泛的方法。若將三段式充電法直接應(yīng)用于太陽能照明系統(tǒng)，最大的問題在于無法實(shí)現(xiàn)最大效率利用太陽能電池板的輸出；蓄電池的最大可接收電流Imax一般很大，第一階段的恒流充電亦無法實(shí)現(xiàn)。蓄電池智能充電策

12、略必須最大限度提升太陽能電池板功率輸出，同時(shí)最大程度延長蓄電池使用壽命。論文借鑒上述三段法充電法，同時(shí)結(jié)合光伏系統(tǒng)實(shí)際情況，給出一種有效的充電方法4。對(duì)于太陽能LED照明系統(tǒng)來說，晚上蓄電池對(duì)照明燈供電,并且控制電路始終由蓄電池供電，因而當(dāng)檢測到太陽電池滿足供電條件，DC-DC轉(zhuǎn)換電路開始工作時(shí),蓄電池總為非滿狀態(tài)，此時(shí)蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限UM（U<UM）,此時(shí)實(shí)施最大功率充電（MPPT）；當(dāng)檢測U=UM時(shí),如果此時(shí)的I>IC,則對(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓充電（CV）；若I<IC,則轉(zhuǎn)換為浮充充電（VF）?？傊?，采用何種充電方式是由蓄電池的充電條件和當(dāng)前的狀態(tài)決定的，

13、蓄電池的充電控制流程如圖4所示，其中MPPT算法采用了擾動(dòng)觀察法。圖4 蓄電池充電控制流程圖Fig.4 Battery charging control flow chart2.2 充電算法實(shí)現(xiàn) MPPT充電實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)MPPT算法主要有固定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。固定電壓簡單但跟蹤效果較差，所以現(xiàn)在已較少使用；模糊控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法跟蹤效果較好，但實(shí)現(xiàn)困難。擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法均屬于自尋優(yōu)算法，擾動(dòng)觀察法雖性能稍差于電導(dǎo)增量法，但其簡單、容易實(shí)現(xiàn)、對(duì)硬件要求低，且太陽能LED系統(tǒng)對(duì)MPPT性能要求不高。綜合以上因素選擇擾動(dòng)觀察法作為太陽能LED照明系統(tǒng)MP

14、PT算法。擾動(dòng)觀察法(Perturbation and Observation)原理是每隔一定的時(shí)間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，這一過程稱為“干擾”，并觀測之后其輸出功率變化方向，若P>0，說明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向“干擾”；若P<0，說明參考電壓調(diào)整的方向錯(cuò)誤，需要改變“干擾”的方向。其跟蹤流程如圖5所示圖5 擾動(dòng)觀察法流程圖Fig.5 Perturbation & Observation Algorithm flow chart 恒壓、浮充實(shí)現(xiàn)由2.1分析可知恒壓充電和浮充充電均向蓄電池提供一個(gè)固定電壓值，有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一是，如果系統(tǒng)精度要求不

15、高，只要向Cuk電路提供一個(gè)固定的占空比即可，二是，如果系統(tǒng)精度要求很高，可以采用反饋方式來實(shí)現(xiàn)，即檢測實(shí)際輸出電壓值與給定值進(jìn)比較，再通過程序調(diào)整占空比使輸出電壓穩(wěn)定為某一具體數(shù)值。為降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高可靠性，本系統(tǒng)選擇第一種實(shí)現(xiàn)方法。3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試3.1系統(tǒng)容量確定系統(tǒng)各部分容量選取配合是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，需要綜合考慮成本、效率和可靠性，并留有一定的裕量。 太陽能電池型號(hào)太陽能電池選擇經(jīng)典的Solarex MSx60 60W電池板，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，即光強(qiáng)1000W/m2，溫度為25，其基本參數(shù)：最大功率Pm=59.9W、峰值工作電流Im=3.5A、峰值工作電壓Vm=17.1 V、短路

16、電流Isc=3.74A、開路電壓Uoc=21.0V。 LED光源類型太陽能LED照明系統(tǒng)光源為高性價(jià)比的1W白光LED 36只，采有6串6并混連方式進(jìn)行連接，恒流方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)5。 蓄電池容量本設(shè)計(jì)采用閥控密封式鉛酸蓄電池（VRLA）。設(shè)計(jì)容量越大，工作越處于淺循環(huán)，壽命越長，但成本也相對(duì)較高，實(shí)際安裝時(shí)酌情選擇。蓄電池容量計(jì)算如式（3）所示6。(3)式中：Bc為蓄電池容量；A為安全系數(shù)，一般為1.11.4；Q1為日耗電量，即工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；T0為溫度系數(shù)，一般0以上取1，-10以上取1.1，-10以下取1.2；Cc為放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。此處蓄電池額定電壓為12V，設(shè)計(jì)

17、容量當(dāng)連續(xù)5天陰雨仍可工作，考慮到上一次放電后夜間未能充電，所以N1=6，計(jì)算如式（4）所示，結(jié)果為295.68 AH，取300AH。(4)3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用3.1計(jì)算參數(shù)配置構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以太陽光照較強(qiáng)的一整天為測試對(duì)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。早上8:30之前一般為系統(tǒng)啟動(dòng)階段，晚上6:00以后因光線不足系統(tǒng)將停止充電，所以系統(tǒng)著重研究8:30-17:30時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1為充電控制器實(shí)測數(shù)據(jù)，表中列出整點(diǎn)時(shí)刻數(shù)據(jù)，實(shí)為一段時(shí)間內(nèi)的平均值，蓄電池的初始荷電狀態(tài)（SOC）為70%。由表1可以看出，充電控制器能夠依照?qǐng)D4給出的控制流程根據(jù)蓄電池所處工作狀態(tài)在MPPT充電，恒壓充電，浮充三種工作方

18、式之間切換。既充分地利用了太陽能，又有利于延長蓄電池使用壽命。表1：充電控制器實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.1 The measured data of charge controller測試時(shí)刻蓄電池端電壓充電電流充電方式9:0012.10 V1.87 AMPPT10:0012.16 V2.52 AMPPT11:0012.21 V2.71 AMPPT12:0012.25 V2.81 AMPPT13:0012.28 V3.06 AMPPT14:0012.31 V2.70 AMPPT15:0012.35 V2.13 AMPPT16:0012.40 V1.63 A恒壓17:0012.46 V0.90 A浮充采用

19、MPPT算法充電可以提高太陽能電池的利用率，MPPT充電算法和恒壓充電算法數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。由于蓄電池兩端電壓基本相同，所有表只列出兩種算法充電電流。數(shù)據(jù)顯示采用MPPT算法充電較采用恒壓充電太陽能電池的利用率平均提高了15.96%。表2 MPPT算法與恒壓算法充電電流對(duì)比Tab.2 Compare of charging current between MPPT and constant voltage測試時(shí)刻MPPT電流恒壓電流(A)轉(zhuǎn)化率提高(%)9:001.93 A1.69 A13.85%10:001.73 A1.48 A16.85%11:002.54 A2.19 A16.21%12:002.07 A1.83 A13.35%13:002.02 A1.74 A16.08%14:001.91 A1.62 A17.86%15:001.81 A1.54 A17.50%實(shí)驗(yàn)表明，作者所設(shè)計(jì)的充電控制器能夠根據(jù)蓄電池所處的工作狀態(tài)進(jìn)行充電算法的切換，當(dāng)蓄電池剩余電量不足時(shí)采用MPPT算法充電，以充分利用太陽能，當(dāng)蓄電池快充滿時(shí)采用恒壓充電以保護(hù)蓄電池，當(dāng)蓄電池已充滿時(shí)采用浮充維持其電量。通過對(duì)比MPPT算法和恒壓算法充電電流發(fā)現(xiàn)采用MPPT算法太陽能電