太阳能LED照明系统充电控制器设计

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（1.南京铁道职业技术学院 自动控制系，江苏 苏州 215137；2.华中科技大学 控制科学与工程系，湖北 武汉 430074）

太阳能LED照明系统主要由太阳能电池板、蓄电池、LED照明设备、充电电路、LED驱动电路、控制器组成。太阳能电池板是整个系统最昂贵的部件，为有效利用太阳能，需要对系统进行最大功率点跟踪；蓄电池是整个系统最脆弱的部件，为延长蓄电池的使用寿命，需要根据蓄电池特性对蓄电池进行充电和放电；蓄电池输出需要采用一定的驱动电路才能保证LED照明设备可靠稳定地工作；以上所有控制功能均由控制器实现。

1 系统组成及特性分析

太阳能LED照明系统主要由太阳能电池板、DC－DC变换电路、蓄电池、LED驱动电路、LED光源、控制器等组成。

1.1 太阳能电池特性

太阳能电池无需外加电压，可以直接将太阳能转换成电能，并驱动负载工作，太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据太阳能电池的工作原理，以及影响太阳能电池工作效能的因素，可以用下面的数学方程来表示太阳能电池的输出电流与输出电压的关系：

式中：I为太阳能电池板的输出电流，A；V为太阳能电池板的输出电压，V；q为一个电子所含的电荷量，1.6×10－19C；K为波尔兹曼常数，1.38×10－23J／K；T为太阳能电池板表面温度，K；n为太阳能电池板的理想因数，n＝1～5；I0为太阳能电池板的逆向饱和电流。

在Matlab中建立太阳能电池数学模型［1］，写成嵌入函数的形式，并根据数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的I－V如图1所示，P－V曲线如图2所示。

图1 太阳能电池I－V特性曲线Fig.1 I－Vcharacteristic curves of Solar cells

图2 太阳能电池P－V特性曲线Fig.2 P－Vcharacteristic curves of solar cells

由图1和图2特性曲线可以看出辐照度主要影响太阳能电池的短路电流，温度主要影响太阳能电池的开路电压，特定光照和温度条件下太阳能电池供电系统存在单峰值最大功率点，这为我们进行最大功率点跟踪找到了理论依据。

1.2 DC－DC变换电路

常见的DC－DC变换电路主要有Buck电路（降压型）、Boost电路（升压型）、Cuk电路（升降压型）。太阳能LED照明系统由于受日照强度及环境温度变化的影响，其电压（电流）变化很大。为了在负载变化较大时系统有较大的灵活性和较高的转换效率，本系统的主电路选用Cuk电路［2］，其拓扑结构如图3所示。

图3 Cuk电路原理图Fig.3 Cuk circuit schematic

Cuk斩波电路输入电源电流和输出负载电流都是连续的，脉动很小，且Cuk斩波电路能量的储存和传递同时在2次开关动作期间和2个回路中进行，这种对称性使变换器效率很高。当开关管Q1处于通态时，Vin－L1－Q1回路和Vo－L2－C1－Q1回路分别流过电流；当开关管Q1处于断态时，Vin－L1－C1－D1回路和Vo－L2－D1回路分别流过电流。Cuk电路输入、输出电压关系为

由于Cuk变换器的负载为蓄电池，Vo的值将被钳位于蓄电池两端的电压。则Vin由Q1的占空比D确定，调节D就能找到太阳能电池最大功率点的电压值Vm和电流值Im，此时太阳能电池以最大功率对蓄电池进行充电。

1.3 蓄电池

蓄电池作为太阳能LED照明系统的储能元件，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜晚时，控制器启动LED驱动电路，LED光源开始照明，蓄电池释放电能。一天中，控制器的电源一直由蓄电池供给。目前光伏系统多采用阀控密封式铅酸（valve regulated lead acid battery，VRLA）蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。

2 充电算法及实现

2.1 充电控制算法

对于一个蓄电池，选择适当的充电方法，不仅可提高充电效率，而且能够延长蓄电池的使用寿命。其中最理想的充电方式为3段式充电法，即恒流，恒压，浮充3个阶段充电［3］。

第1阶段恒流充电：在此阶段，充电电路的输出等效于电流源。蓄电池的充电电流通常由蓄电池的总容量确定，为蓄电池最大可接受电流Imax。充电过程中，通过实时监控蓄电池电压，当蓄电池荷电状态到达相应状态后，充电进程进入恒压充电阶段。第2阶段恒压充电：在恒压阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测充电电流，该电压对应于蓄电池充满时对应的端电压值。当充电电流降到低于阈值电流IC时，可以认为蓄电池电量已充满，充电状态进入下一阶段。第3阶段浮充：在浮充阶段，电路给蓄电池提供一个精确的、带温度补偿功能的浮充电压，以补偿蓄电池自放电的损失。浮充电压VF计算如下：

式中：VF0，T0分别为基准点的电压和温度值；C为电压温度系数。

3段式充电法与蓄电池本身特性最为匹配，更有利于延长蓄电池使用寿命，成为以市电充电中应用最广泛的方法。若将3段式充电法直接应用于太阳能照明系统，最大问题是无法实现最大效率利用太阳能电池板的输出；蓄电池的最大可接收电流Imax一般很大，第1阶段的恒流充电亦无法实现。蓄电池智能充电策略必须最大限度提升太阳能电池板功率输出，同时最大程度延长蓄电池使用寿命。论文借鉴上述3段式充电法，同时结合光伏系统实际情况，给出一种有效的充电方法［4］。

对于太阳能LED照明系统来说，晚上蓄电池对照明灯供电，并且控制电路始终由蓄电池供电，因而当检测到太阳能电池满足供电条件，DC－DC转换电路开始工作时，蓄电池总为非满状态，此时蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限UM（U＜UM），此时实施最大功率充电（MPPT）；当检测U＝UM时，如果此时的I＞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，采用何种充电方式是由蓄电池的充电条件和当前状态决定的，蓄电池的充电控制流程如图4所示，其中MPPT算法采用了扰动观察法。

图4 蓄电池充电控制流程图Fig.4 Battery charging control flow chart

2.2 充电算法实现

2.2.1 MPPT充电实现

光伏系统MPPT算法主要有固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、神经网络法等。固定电压简单但跟踪效果较差，已较少使用；模糊控制法和神经网络法跟踪效果较好，但实现困难。扰动观察法和电导增量法均属于自寻优算法，扰动观察法虽性能稍差于电导增量法，但其简单、容易实现、对硬件要求低，且太阳能LED系统对MPPT性能要求不高。综合以上因素选择扰动观察法作为太阳能LED照明系统MPPT算法。

扰动观察法（perturbation and observation）原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压，这一过程称为“干扰”，并观测之后其输出功率变化方向，若ΔP＞0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干扰”；若ΔP＜0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。其跟踪流程如图5所示。

图5 扰动观察法流程图Fig.5 Perturbation ＆ observation algorithm flow chart

2.2.2 恒压、浮充实现

由2.1分析可知恒压充电和浮充充电均向蓄电池提供一个固定电压值，有2种实现方法，一是，如果系统精度要求不高，只要向Cuk电路提供一个固定的占空比即可，二是，如果系统精度要求很高，可以采用反馈方式来实现，即检测实际输出电压值与给定值进行比较，再通过程序调整占空比使输出电压稳定为某一具体数值。为降低系统的复杂度，提高可靠性，本系统选择第1种实现方法。

3 实验调试

3.1 系统容量确定

系统各部分容量选取配合是系统设计关键，需要综合考虑成本、效率和可靠性，并留有一定的裕量。

3.1.1 太阳能电池型号

太阳能电池选择Solarex MSx60 60W电池板，在标准测试条件下，即光强1 000W／m2，温度为25℃，其参数：最大功率Pm＝59.9W，峰值工作电流Im＝3.5A，峰值工作电压Vm＝17.1V，短路电流Isc＝3.74A，开路电压Uoc＝21.0V。

3.1.2 LED光源类型

太阳能LED照明系统光源为高性价比的1W白光LED 36只，采用6串6并混连方式进行连接，恒流方式进行驱动［5］。

3.1.3 蓄电池容量

本设计采用阀控密封式铅酸蓄电池（VR－LA）。设计容量越大，工作越处于浅循环，寿命越长，但成本也相对较高，实际安装时酌情选择。蓄电池容量计算如下所示［6］：

式中：Bc为蓄电池容量；A为安全系数，一般为1.1～1.4；Q1为日耗电量，即工作电流乘以日工作小时数；T0为温度系数，一般0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；Cc为放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。

此处蓄电池额定电压为12V，设计容量当连续5天阴雨仍可工作，考虑到上一次放电后夜间未能充电，所以N1＝6，计算如下式：

因此取300A·h。

3.2 实验数据

使用3.1计算参数配置构建实验系统，以太阳光照较强的一整天为测试对象，对实验数据进行记录。早上8∶30之前一般为系统启动阶段，晚上6∶00以后因光线不足系统将停止充电，所以系统着重研究8∶30～17∶30时的实验数据。表1为充电控制器实测数据，表1中列出整点时刻数据，实为一段时间内的平均值，蓄电池的初始荷电状态（SOC）为70%。由表1可以看出，充电控制器能够依照图4给出的控制流程根据蓄电池所处工作状态在MPPT充电，恒压充电，浮充3种工作方式之间切换。既充分利用了太阳能，又有利于延长蓄电池使用寿命。

表1 充电控制器实测数据Tab.1 The measured data of charge controller

采用MPPT算法充电可以提高太阳能电池的利用率，MPPT充电算法和恒压充电算法数据对比如表2所示。由于蓄电池两端电压基本相同，所以表2只列出两种算法充电电流。数据显示采用MPPT算法充电较采用恒压充电太阳能电池的利用率平均提高了15.96%。

表2 MPPT算法与恒压算法充电电流对比Tab.2 Compare of charging current between MPPT and constant voltage

实验表明，作者所设计的充电控制器能够根据蓄电池所处的工作状态进行充电算法的切换，当蓄电池剩余电量不足时采用MPPT算法充电，以充分利用太阳能，当蓄电池快充满时采用恒压充电以保护蓄电池，当蓄电池已充满时采用浮充维持其电量。通过对比MPPT算法和恒压算法充电电流，发现采用MPPT算法太阳能电池的利用率有较大幅度的提高。

4 结论

论文首先介绍太阳能LED照明系统主要组成部分，并对其进行特性分析，可知太阳能LED照明系统充电控制电路设计既要充分利用太阳能，又要满足蓄电池充电特性。随后论文给出一种充电控制方案，即当端电压较低时采用MPPT算法充电；当端压电压上升一定数值之后且充电电流较大时采用恒压充电；当充电电流下降到某一阈值时采用浮充方式。最后根据太阳能电池板和LED负载容量，计算确定蓄电池容量，构建实验系统，测试表明，控制器可以根据蓄电池状态准确地在MPPT、恒压、浮充算法之间切换，对比MPPT充电和恒压充电其充电效率提高约16%。总之，该控制器既实现了太阳能的有效利用，又延长了蓄电池的使用寿命。

［1］李鹰，康龙云，朱洪波，等.一种新型光伏发电系统最大功率跟踪算法［J］.电气传动，2010，40（12）：35－39.

［2］王兴贵，刘健.光伏电源系统最大功率点跟踪控制方法的研究［J］.电力电子技术，2009，43（9）：38－40.

［3］余发平.LED光伏照明系统优化设计［D］.合肥：合肥工业大学，2006.

［4］杨晓光，寇臣锐，汪友华.太阳能LED照明路灯充电器的研制［J］.太阳能学报，2010，31（1）：67－71.

［5］张波，郑宏，曹丰文，等.LED光伏路灯系统的研究与设计［J］.电气传动，2010，40（9）：38－40.

［6］粟梅，李黎明，孙尧.独立光伏系统用蓄电池充放电策略的设计［J］.蓄电池，2011，48（3）：130－137.