太阳能LED区域照明控制系统的研制

杨晓光 申荣河 刘秀军

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130)

1 引言

太阳能作为一种新兴的绿色能源，正得到迅速的推广应用。其中，太阳能照明系统具有广泛的应用前景［1～9］。

在众多光源中，LED以其色光饱满、切换迅速、耐震、耐潮、超长寿命等优势成为人们日常生活中最热门、最瞩目的光源。随着新材料、新工艺的不断进展，LED的发效率有了很大的提高，特别是高亮度LED的出现，使其应用领域得到进一步的拓宽。

太阳能LED照明已成为人们关注的热点。从技术实现上来说，由于LED具有驱动电压低的优点，更适合于电池驱动。目前，太阳能LED照明系统已经获得了广泛和深入的应用研究。

在实际应用中，某一区域需要很多太阳能照明路灯;在现有的设计中，各个路灯之间独立运行。然而对于这样的独立光伏照明系统，在其运行过程中会遇到很多实际问题。比如:冬季和夏季日落和日出时间不同，需要在不同的时间开启和关闭路灯;为了提高蓄电池的寿命，需要检测蓄电池的状态;LED是否出现照明故障的检测;路灯时钟的校正等。因而，为了保证路灯系统高效、稳定和可靠运行，需要对路灯系统进行必要的设置和监测。如果对于每个单独系统都要到现场进行设置和检测，显然是不方便和低效率的。

而照明的实际现状是:大约有70%的照明能源消耗是在家庭场合以外，包括商场、工业生产以及学校、医院与区域照明等公共空间，其中区域照明更涵盖了如街道照明、人行通道、停车场以及公园等公共空间的多种应用场合。

针对区域照明的实际问题，本文在前期工作［6～9］的基础上开发了太阳能LED路灯区域照明控制系统，以提高工作效率、节约能源并方便系统的调试、检修、监测和维护。

2 系统组成

所开发的太阳能LED路灯区域照明控制系统如图1所示。其中虚线框内为单个太阳能LED照明系统，系统包括:太阳电池板、蓄电池、照明 LED灯、充电电路、放电电路、ATMEGA16单片机。其中，充放电控制、电压、电流和温度采样部分实现的功能为:(1)根据蓄电池的状态选择不同的充电方式;(2)LED照明时间可选择自动控制或定时控制;(3)在离线状态时采样太阳电池的开路电压，在充电状态时采样太阳电池的输出电压和电流;(4)采样蓄电池端口的电压和电流值，包括充电和放电两种状态;(5)蓄电池温度采样。

实线框内包含单个太阳能LED照明系统 (虚线框内的部分)，和用于数据存储的SD卡以及用于数据通信的NRF9E5无线数传单元。

上位机对区域内所有的光伏系统进行控制。

图1 系统组成

3 单个路灯照明系统的设计

3.1 容量配置

在太阳能照明系统的设计中，根据太阳能功率和蓄电池容量的组合关系［10，11］选择太阳电池板和蓄电池。本文所选择的太阳电池板在标准测试条件的参数为:短路电流Isc=5.35(A)，开路电压Voc=46.0(V)，最大功率点电流Im=4.78(A)，最大功率点电压Vm=36.5(V)，最大功率Pm=165(W)。蓄电池为12V，200Ah的阀控式免维护铅酸蓄电池1块。

3.2 充电电路

文献中现有的太阳能充电器的DC/DC转换电路为 Buck［10－13］、Boost［14］、Cuk［15］和 Buck-Boost变换器［16－17］。这些变换器上续流二极管上的耗损较大，降低了充电器的效率;对于较大功率的充电器还需要在这个器件上配置较大散热器以保证器件的正常运行，增加了充电器的成本和体积。

本文中充电电路的设计是基于所选择的太阳电池和蓄电池的具体输出特性为依据。测试表明:当太阳电池的输出只有1W时，其峰值电压约为18V伏，大于蓄电池的浮充电压14.5V。因而充电转换电路选择了Buck电路。

如上所述，由于传统Buck电路中续流二极管上的损耗很大，本文中采用MOSFET取代二极管，即同步Buck:减小了开关损耗，提高了效率;同时，由于开关损耗减小了，主开关管和续流开关管上散热器体积减小。

驱动电路采用了高压浮动MOS栅极驱动芯片IR2103。

3.3 放电电路

本文选择48只1W、额定电流350mA的白光LED作为光源。为了满足节能的需要，分为三路，每路16W。根据所选择的LED伏安特性测试曲线［6］，可知:LED的驱动电流对电压很敏感，微小的电压扰动将导致电流很大的变化，造成其发光质量下降。因而，为了确保LED的发光效率，LED灯采用了恒流控制。本系统中蓄电池供电电压在11.8V～13.5V之间，点亮一组16只LED需要大约48V的电压，因而选择了Boost升压变换作为放电电路。MOSFET的驱动采用推挽式结构。

3.4 单片机的选择

充放电综合控制是通过以单片机为核心的控制系统来实现的。目前市场上的单片机种类繁多，选择适合的单片机类型是问题的关键。本文选择的单片机为ATMEGA16，基于下述考虑:ATMEGA16具备灵活的 PWM单元，可直接输出 PWM波;ATMEGA16具有最高10位的片上 AD(模数转换器)，不需要外部配置;ATMEGA16系统的稳定高、抗干扰能力强;ATMEGA16内置的串行通讯接口USART(通用同步和异步收发器)是一个高度灵活的串行通讯设备，本系统中串口的任务是与上位机双向通讯;SPI(串行外围设备接口)允许ATMEGA16和SD卡进行高速的同步数据传输。

在我们最初的样机研制中，用单片机AT89S52作为控制核心，然而开关电压的振荡影响到控制系统的稳定性;为了解决了这一问题而采用了缓冲和吸收电路，增加系统的成本、体积和重量，降低了效率［8，9］。在以后的样机开发中，我们采用了ATMEGA16，实验结果表明:开关电压的振荡对控制系统的稳定性没有影响［10，11］。这说明:ATMEGA16较之AT89S52具有更强的抗干扰性。

4 区域照明控制系统

4.1 系统整体控制

太阳能照明系统包括三种工作状态:太阳能对蓄电池的充电，蓄电池对LED的放电和系统等待状态。系统等待状态是指:太阳能既不满足对蓄电池的充电条件，也没有到照明设定时间，此时蓄电池只对控制系统供电。系统总体控制如图2所示。系统上电后首先进行初始化，包括各存储单元初始化，外部时钟初始化和温度传感器初始化等。系统首先检测当前是否为照明设定时间，如果是照明时间，程序转到LED灯照明控制子程序;否则检测太阳能电池的端口电压是否大于启动电压Vs，若满足充电条件，则系统对蓄电池充电;否则继续对时钟和太阳能电池输出电压进行检测。

图2 系统总体控制

4.2 最大功率点跟踪控制

目前太阳能电池最大功率跟踪的方法很多［15，17～21］，而应用较多的算法有恒压跟踪法、爬山法 (又称干扰或观察法)和增量电导法等。恒压跟踪法是一种近似最大功率跟踪方法。爬山法有比较好的跟踪效率，且实现简单，是最常用的方法，但它跟踪时波动较大，在光强迅速变化时可能误动作。增量电导法的最大优点是能快速地跟踪光强迅速变化引起地最大功率点的变化，有较好的跟踪效果，但硬件实现难度较大。

由蓄电池的特性可知，在太阳电池对蓄电池充电过程中，蓄电池电压上升，并且变化缓慢。因而本文通过实现其最大充电电流的跟踪来近似其最大功率点的跟踪，以简化算法的实现和减轻单片机的运算负担，这一方法更适合工程应用［6］。

4.3 蓄电池充电控制

对于一个蓄电池，选择适当的充电方法，不仅可以提高充电效率，而且能够延长蓄电池的使用寿命。本文根据太阳能电池的输出特性和蓄电池的输入特性，采用MPPT充电、恒压充电和浮充充电三种充电控制方式。其具体过程是:当检测到蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限UC时，实施最大功率充电 (MPPT)。当检测U=UC时，如果此时充电电流大于转换门限值IC，则对蓄电池进行恒压充电 (CV);若 I＜IC，则转换为浮充充电(VF)。总之，采用什么样的充电方式是由蓄电池的状态决定的，充电控制流程如图3所示。

图3 蓄电池充电控制

4.4 温度补偿

如前所述，蓄电池的特性受温度的影响，根据所选定的蓄电池，当蓄电池的温度在T1=15℃和T2=35℃之间时无需温度补偿，但当温度不在这一区间时需要根据下式确定浮充电压［12，19］

式中 VF0，T0——基准点的电压和温度值;

C——电压温度系数。

首先检测当前的蓄电池正电极的温度T，根据温度得出浮充电压后进行恒压控制。

4.5 LED照明控制

为了满足节能的需要，LED照明等分为三组，每组16W单独由Boost电路驱动，由用户定义在不同的时间段点亮一组、两组或三组。在LED工作的时候，需要实时检测蓄电池的电压，以免蓄电池过放电。

5 区域照明管理系统

为了对区域内的所有路灯进行管理，本文开发了区域照明管理系统。该系统采用一PC机作为上位机，为操作人员提供操作界面，内嵌了通讯协议，支持广播或按地址呼叫每一个路灯。该系统包含数据通讯单元、数据存储单元和上位机操作程序。该系统具有以下功能:

读取和修改路灯时钟;读取蓄电池电极的温度;读取光伏电池的电压和电流，蓄电池的电压和电流，和各路LED的工作电流，系统可实时记录上述实测数据，生成数据曲线;修改照明时间;查询当前的各路LED工作状态，确定是否发生了LED器件的损坏;可手动调整充电电路的占空比，以调试和验证充电算法。

5.1 数据通讯

路灯分散的布局决定了路灯与上位机的通讯适合采用无线的方式，适用于本系统的无线数据传输单元应具有:低功耗，开阔的传输距离，兼容ATMEGA16的串口，良好的抗干扰能力。基于NRF9E5的无线数传单元满足上述要求。该芯片为工作在430/868/915Mhz频段的高性能单片式无线收发芯片，内置高性能增强型51单片机，在4MHz的CPU频率下，单片机全速运行消耗1mA。模块工作电压范围为1.9～3.6V，待机电流2uA，全部高频元件集成;独特的载波监测输出，避免无线通信碰撞;地址匹配输出，易于点对多点无线通信设计;就绪输出，便于节能设计，满足低功耗设计。

在上位机和每个路灯都接上该模块后，可以实现区域内远程通讯。每个模块具有独立地址，可以实现上位机对所有路灯的广播和单独呼叫。

串口通讯在系统开发初期用有线方式实现，在实用阶段采用无线方式。光伏照明路灯在协议上与上位机保持一致，每部路灯有唯一的地址，响应上位机的按地址呼叫或者对区域内所有路灯进行广播。按地址呼叫主要用于双向的通讯，如查询工作状况等;广播呼叫用于单向的参数修改，如对路灯时钟的校正。

5.2 数据存储

为了兼顾光伏照明系统的可靠性和经济性，应对太阳电池和蓄电池的容量进行优化配置，使得系统在满足长期稳定正常工作的前提下，尽量减小容量，降低成本。

太阳电池所能接收的辐射能量是由当地气象与地理条件决定。

光伏电池输出电压和电流在一段时间内的实测数据可为掌握当地光照数据，进行系统优化配置提供依据。长时间测试的数据量是非常大的，普通的FLASH存储器容量小，不能满足要求，而且不便于插拔。SD卡 (Secure Digital Memory Card)的高容量、非易失性和易插拔特点非常适合本系统。

SD卡在系统中充当从机，单片机作为主机负责控制数据的存储，SD卡具有SD总线和SPI总线两种连接方式，为了方便与ATMEGA16的连接，SD卡采用SPI总线进行通讯。

应该说明是:在调试初期，SD卡对于太阳电池和蓄电池容量的优化配置是有益的;在配置完成后，可去掉SD卡，以减小成本。

5.3 上位机程序设计

上位机程序的开发采用了Visual Basic 6.0(VB 6.0)。VB 6.0所具有的窗体、按钮、文本框等控件使得人机交互界面开发容易。上位机与路灯系统通讯协议的设定以及合理的指令格式是程序开发的关键。程序中约定接口:RS232;波特率:9600bps;数据格式:8位数据位;1位停止位，无校验。

系统主要的操作界面如图4和图5所示。图4为系统参数选项界面:(1)该选项卡用于查询系统时钟、功率器件温度、节点电压电流参数等，并提供时钟的修改功能;(2)查询时间:点击“查询时间”按钮即可，在其左边显示10位数字，格式为年、月、日、时、分。如图4时间为2008年11月29日19点54分;(3)查询温度:单击“查询温度”按钮，在其左边显示核心器件的当前工作温度;(4)修改时间:在框内按查询时间项目的格式输入10位数时间，点击“校正时间”即可把系统时钟修改为设定值;(5)节点参数查询:如图4所示，八个参数每一个都有自己独立的查询按钮，在按钮左侧显示数值。

图5为高级控制选项界面:该选项卡的功能更多的是面向调试人员。自动运行模式下，路灯系统自动进行充放电，而在高级调试模式，系统不再按照系统时钟运行，允许操作人员手动设置充放电参数，例如设置按某个占空比充电或者点亮某几路LED。该选项卡还允许操作人员设置 LED工作电流，修改路灯在各个时间段的开启路数，查询当前各路LED的工作情况。三路LED各自用图例来说明当前工作状况，如图5所示，第一路点亮，第二路没有接到点亮指令，第三路没有接LED或者LED损坏开路。

左下方的项目， “自动生成数据文件”，打钩后，开始自动记录当前路灯的各项参数，也就是前一选项卡所述8个节点参数查询，用于长期积累本地光照等数据。图4和图5中的“参数曲线”界面可用于绘制8个节点参数在一段时间内随时间的变化情况，为优化配置系统提供数据。

图4 系统参数界面

图5 高级控制界面

6 测试结果

对系统进行测试，路灯系统充电启动电流约为0.06A，最大工作电流可达到10A。充电电路启动和停止时刻，太阳能电池的输出功率约为1W，这表明:所设计的系统能充分利用太阳能电池的能量。

电路的现场测试与上位机测试的结果一致，表明整个系统数据通信正常。

图6给出了充电器充电过程实测数据。测试地点:天津，测试时间为:9:00～17:00，每隔半小时测试一次。蓄电池初始电量为额定容量的70%。由图可以看出:充电电压不断增大，符合蓄电池的特性;在全天的大多数时间为MPPT充电;在16:00时，蓄电池的电压达到了14.50V，为恒压充电;在17:00电池充满，转入浮充状态。充电电流在中午达到最大，符合太阳电池的特性。系统的充电效率约为86%。

图6 蓄电池的充电曲线

测试结果表明，所开发的系统能够正确地工作于充电，供电和等待三种状态。在充电阶段，系统能够依据蓄电池的不同状态准确切换到MPPT充电、恒压充电和浮充方式。

流过LED负载的电流稳定于350mA，负载电压约为52.4伏;纹波在 ±4mV之间，尖峰在20～25mV左右。因而纹波和尖峰电压对LED负载的影响可以忽略。

7 结论

长期测试结果表明:本文所开发的系统运行稳定，充放电状态正确，数据通信正常。

(1)所开发的系统能够正确地工作于充电，供电和等待三种状态。在充电阶段，系统能够依据蓄电池的不同状态准确切换到MPPT充电、恒压充电和浮充方式。

(2)上位机管理系统的开发使得充放电控制器的调试和维护更加便利。

(3)利用SD卡存储太阳电池的实测数据为太阳能LED照明系统的优化配置提供了依据。

(4)路灯分散的布局决定了路灯与上位机的通讯适合采用无线的方式。

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