自适应单纯太阳能路灯控制器的设计

王 强，张雅凡

（1.渤海大学 数理学院，辽宁 锦州 121013；2.天津英诺华微电子技术有限公司 天津 300252）

太阳能路灯以其无需铺设电缆，不消耗常规能源等优点得到了广泛认可。然而太阳能路灯还存在一些问题造成其成本偏高，可靠性不稳定。比如电池往往不到一年就需要更换，不仅提高了后期维护的费用，而且增加了客户的消费成本，也造成了资源浪费。其次是太阳能属于不稳定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路灯使用时间短，冬天有效光照时间短，但路灯使用时间长，大大降低了运行的可靠性，其原因主要受到太阳能路灯控制器性能的影响。太阳能控制器是太阳能光伏系统中的核心部分，主要完成对蓄电池的充、放电、调光和路灯的开、关控制，以及在过充、过放电、过载等情况发生时对系统进行及时和有效地保护，保证照明时间，确保可靠性，有效延长电池寿命，降低成本。

1 太阳能路灯控制器的主要设计要求和发展阶段

太阳能路灯控制器的技术和质量的主要要求有：1）供电系统，根据太阳能路灯蓄电池板特性，要设计成恒流输出；2）过充，过放保护；3）具有系统功率调节功能；4）建立网络控制系统；5）根据市场要求，产品模块化。

太阳能路灯控制器的发展到目前为止已经经历了3个阶段：第一代功能比较简陋，开关灯控制需要外接光敏感应器，定时时间不可设置，没有电池保护电路，系统寿命非常短暂，很快就被市场淘汰；第二代在第一代的基础上，设置了电池保护电路，通过太阳能路灯蓄电池组件搜集光敏数据，通过开关或程序设置定时，技术上有了阶跃式的发展，逐渐被市场接受；第三代路灯控制器在于多数商家采用了PWM充电控制功能，对蓄电池进行涓流充电，有效延长了电池寿命，降低了使用成本，从而进一步扩大市场占有率[1]。

一个好的控制器可以弥补甚至解决纯太阳能路灯的诸多问题，提高其可靠性。自适应太阳能供电路灯需要开发第四代控制器，它的特点是具有自适应灯的功率调节功能，电量检测和剩余电量计算是必备的；同时具有组网功能，这样可以保持整条街的路灯亮度一致，并可以进行通讯。

2 自适应单纯太阳能供电路灯控制器的设计

目前各种现代控制理论，如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用在光伏发电系统中[2]。其中自适应控制太阳能供电路灯控制器设计是值得推进的技术。

2.1 设计目标

自适应单纯太阳能供电路灯的设计目标：主要针对支路和供行人和非机动车通行的居住区道路和人行道路灯[3]；对于由风能供电或风光互补的路灯系统本设计同样适合；由于太阳能的不可靠性以及主干道的照明设计标准的严格性，单纯太阳能供电比市电供电的路灯控制器的设计更为复杂，如系统控制需要太阳能和市电切换，则在本设计的基础上进行精简就好了。目标地点位于北京市内。

2.2 自适应单纯太阳能供电路灯控制器设计特点及功能

自适应单纯太阳能供电路灯控制器设计方案的宗旨：通过精确控制，达到降低成本，提高可靠性的目的。主要具有以下几个特点及功能（以太阳能路灯储能器件为铅酸电池为例）：

1）MPPT电路 根据太阳能路灯蓄电池板的特性，如将太阳能路灯蓄电池阵列的输出电压控制在某个恒定电压值附近，则太阳电池在整个工作过程中近似工作在最大功率点处，太阳能电池组件的能量转换效率最高。利用PWM技术并通过对负载稳压来实现对LED的恒流，从而保证了LED的可靠使用[4]。采用意法半导体公司的MPPT专用芯片SPV1020，跟踪效率可达98%，能量转换效率为95%。理论上，使用MPPT技术会比传统方法效率提高50%，实际测试中，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%～30%。

2）过充过放保护 采用充电限压，电池温升检测策略，如蓄电池电36 V，充电截止电压42.5～43 V，充电截止温度80℃，充电截止温升30℃。不过绝大部分时间蓄电池基本处于欠充状态。同时通过对电池电压的数据实时采集，利用软件控制对电池采取限压保护；通过实时计算电池电量进行防过充过放保护，电量为100%时停止充电，电量为20%时停止放电，为延长其寿命，做了第二道防线。图1为蓄电池过充保护流程图。

图1 蓄电池过充保护流程图Fig.1 Flow chart of battery overcharge protection

3）智控开关，实时监测，预警功能 进行太阳能路灯电池板电流检测，蓄电池电压检测，蓄电池电量监测，以及环境温度的检测，采用光开时关，并实时上传工作环境及状态数据，预警故障，保证系统的可靠性。图2为太阳能路灯的开、关控制流程图。

图2 路灯的开、关控制流程图Fig.2 Flow chart of lamp open and close control

4）亮度的自适应调节 通常太阳能路灯厂家为了保证连续阴雨天的正常工作，只一味地加大蓄电池容量，一般蓄电池的容量可达电池板容量的5倍，其实这样做并不能解决问题。因为阴雨天工作的可靠性并不取决于电池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根据当前地理位置，季节，时间，气象条件，光的辐射量，浮尘浓度，工作环境以及剩余电量，自适应调节灯的亮度，合理分配能量。由于设计为纯太阳能供电，不考虑双电源情况，所以要想提高系统可靠性，唯一的方案就是牺牲灯的亮度。

根据当天用电前的剩余电量和当天的充电量来进行自适应调节，在保证正常照明的同时，使电池的工作点长期保持在高电位，并且使充放电深度在30%以下，根据电池循环寿命曲线，可以延长电池寿命4～5倍，有效降低太阳能路灯的成本，提高可靠性。以下将分别阐述剩余电量和充电量的计算过程。

2.2.1 电池电量检测

1）电量检测的算法

大量的实验数据表明，电池老化时蓄电池的内阻与电荷之间有较高的相关性（0.88左右），蓄电池完全充电和完全放电时的内阻相差2～4倍，所以通过测量电池内阻可较准确地检测电池电量。

2）建立内阻—电量—循环周期的关系曲线

为了得到实时剩余电量值，要建立一个电量和内阻之间关系的数据库。

以时间为标准，就可以建立起内阻—电量—循环周期的关系曲线，然后通过Matlab的曲线拟合功能得出内阻，电量以及循环周期的关系式。蓄电池内阻与剩余电量关系曲线如图3所示，剩余电量随着内阻的增大而成指数趋势减小[5]。

图3 蓄电池内阻与剩余电量关系曲线Fig.3 Relation curve of battery internal resistance and remaining power

3）在线检测电量

在太阳能路灯工作开始之前检测出剩余电量，采用交流压降内阻测量法测得内阻值，通过查做好的数据表，并进行数据校正，得出对应的电量值。

给电池施加一个固定频率和固定电流（目前一般使用1 kHz频率、50 mA小电流），然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。图4为在线测量剩余电量硬件框图。

图4 在线测量剩余电量硬件框图Fig.4 Hardware diagram of online measure remaining power

2.2.2 充电量计算

充电量是通过太阳能电池板接收辐射强度和电池板面积计算得到的。太阳能电池板接收辐射强度为单日辐射强度与sin α的乘积，其中α为正午太阳辐射与电池板的平均夹角。电池板面积可参考配置计算部分的内容，并且经过优化得到的。

2.2.3 剩余电量计算

通过计算电流在时域上的积分，可得出电量变化值，在路灯工作前检测到的电池电量作为初始电量，则剩余电量为初始电量减去电量变化值。同时通过对MPPT电路的输出电流做积分，作为电量变化的校正值，从而得到较准确的剩余电量值。图5为剩余电量计算流程图。

图5 剩余电量计算流程图Fig.5 Capacity check and remaining power calculation flow chart

1）Zigbee无线通讯系统连网

保证整条路的路灯的开，关时间一致，马路亮度均匀，保证驾驶安全，避免驾驶员视觉疲劳；实时传送数据，进行远程监测和控制；在线软件升级，降低维护及调试成本；待机睡眠，降低系统功耗。将Zigbee无线传感器网络技术应用于蓄电池生产过程中的充放电参数检测中，将极大地提高产品测试的灵活性和可靠性，对提高蓄电池生产质量和效率具有重要意义[6]。

2）模块化可扩展性

设计的控制器的供电系统可以是模块化的，设计采用恒流充电方式，所以电池板可扩展，LED模组可根据系统功率进行并联扩展。

根据如上计算，具体设计框图如图6所示，为太阳能路灯控制系统硬件框架。图7为太阳能路灯控制系统电路原理图。

3 自适应单纯太阳能供电路灯控制器设计方案模拟

开关灯的时间根据天安门升降旗时间而定[7]，如表1所示，全年最长点灯时长在12月为14.52小时，最短为9.13小时。照明时间分为3个时段，第一个时段从当天天安门降旗时刻开始，为5个小时，第二个时段到早上5点，第三个时段从5点到天安门升旗时刻，灯光亮度各时段权重比为5∶2∶3，如果以100 W光源为设计标准，则光源功耗最大为1.068 5 kW·h，在5月份。根据计算单日辐射强度各月差别为3倍左右，而电池板真正接收到的辐射强度各月差别只有2倍，与传统固定调节的光源功耗相比，自适应单纯太阳能供电路灯节能明显，这样就充分体现了自适应调节的灵活性。

图6 太阳能路灯控制系统硬件框架Fig.6 Hardware framework of solar street lamp control system

图7 太阳能路灯控制系统电路原理图Fig.7 The circuit principle diagram of solar street lamp control system

表1 照明策略基准参数Tab.1 Lighting strategy benchmark parameters

图8显示根据表1中的数据得出的各月太阳能电池板面积排列柱形图，从而可以选定电池板的面积为柱形途中的拐点处2月的面积值，太阳电池板面积为2.2 m2，蓄电池为115 Ah。这样选择的原因是这样可以保证全年85%的照明时间，剩下的15%为过放，不过要给自适应调节留下一个调节余量，所以选择以2月数据计算出的太阳能面积的值，即2.216 2 m2，过放的情况为3个月，过放比率为25%，从而有10%的调节空间。

4 结 论

图8 各月太阳能电池板对应面积排列柱形图Fig.8 Each month solar panels corresponding area arrangement bar charts

自适应单纯太阳能供电路灯控制器的设计，实现了以MPPT电路为控制核心的智能太阳能路灯控制器，具有外围电路简单，可靠性高的特点，实现了太阳能电池的最大功率点跟踪，采用了合理的蓄电池充放电策略，实现算法简单，既提高了太阳能电池板的使用效率，又延长了蓄电池的使用寿命 ，对于个别过分欠充、过充灯根据问题加大、减小电池板面积，更换电池或灯珠，根据每盏路灯的实际情况灵活调整其配置，可使每盏灯都工作在最佳状态，不但保证了正常照明，而且避免了资源浪费，也降低了产品造价，具有一定的参考和推广应用价值。

[1]童铭.太阳能路灯控制器研发步进[C]//四直辖市照明科技论坛、长三角照明科技论坛暨上海市照明学会2008年年会论文集，2011-03-16.

[2]杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3]中华人民共和国建设部.城市道路照明设计标准[S].北京：中国建筑出版社，2006.

[4]余发平，张兴，王国华.基于PI自适应控制的太阳能LED照明系统PWM恒流控制器[J].太阳能学报，27(2):132-135.YU Fa-ping，ZHANG Xing，WANG Guo-hua.Research on controller of PWM caonstant current based on adaptive PI control for photovolait LED lighting Sysemt[J].Acta Energiae Solaris Sinica，27（2）:132-135.

[5]李福伟.基于SOC单片机C8051F022蓄电池剩余电量的测量[J].电源技术应用，2010（9）：13-16.LI Fu-wei.The measurement of remaining capacity of storage battery based on SOC technology C8051F02[J].Power Supply Technologies and Applications，2010（9）：13-16.

[6]孙会祥.ZigBee技术在蓄电池监测系统中的应用[J].信息技术与信息化，2009（3）:110-111.SUN Hui-xiang.ZigBee Application in monitoring system of storage battery[J].Information Technology and Informatization，2009（3）:110-111.

[7]天安门地区管理委员会网站.升降旗时间[EB/OL].[2011-03-18].http://www.tiananmen.org.cn/index.asp.