基于MPPT光伏LED路灯照明系统设计

张志宏++华前斌

摘 要：本文采用一高性价比8位单片机STM8S103F3作为核心控制芯片，系统涉及DC/DC双向变换技术，把光伏充电与LED驱动控制技术应用有效结合。采用的简化的迭代法来进行最大功率点跟踪，提高充电效率。通过STM8单片机PWM调节LED驱动电路，进一步提高电流稳定精度。

关键词：最大功率点跟踪；LED 照明；DC/DC变换器

中图分类号：TM91 文献标识码：A

0.引言

传统光伏LED 路灯照明设备采用光伏发电储能系统和LED驱动电路的两个独立系统组合而成，导致安装复杂、成本高、可靠性差等缺点。为此，本文所设计光伏LED路灯照明系统，采用光伏发电储能控制与LED恒流驱动共用一套电路，电路利用率提升，降低了制造成本。对促进节能环保LED路灯照明的普及推广有重大的现实意义。本文给出了该系统的硬件设计和软件设计的具体方案，最后对所设计的样品实验测试，达到了预期的效果。

1.设计思想

一般的太阳能LED照明设备，需将光伏充电控制器和LED驱动电源两个独立的产品集成，涉及产品选型、匹配等一系列问题。本文所设计的控制系统，将光伏充电与LED驱动两个功能在同一电路中实现。

要在同一主电路中实现太阳能充放电控制和恒流驱动一体化，需采用双向直流变换器电路。双向直流变换器电路，实现光伏发电与LED输出两者间自动切换，即在白天有光照时，双向变换器切换为输入模式，对太阳能电池发电进行蓄电池储存；夜晚或无光照时，双向变换器切换为输出模式，蓄电池通过直流变换器放电，提供LED路灯照明电能。电路中单片机及其驱动电路控制充电和放电过程的切换，以及充电电压和LED路灯电流大小。

2.电路设计

2.1 电路结构

本系统蓄电池一组充电电压13V左右，太阳能板开路电压达到21.5V，充电需要降压处理，经典的方案是采用Buck拓扑结构的DC/DC转换电路。蓄电池放电采用Boost 的DC/DC 转换电路，为LED驱动提供电能。本系统充放电与LED恒流驱动一体，电路在Buck和Boost电路的基础上改为基本架构为Buck-Boost 双向DC/DC变换器。

如图1所示，本系统的主电路为双向DC/DC变换电路，由一个电感和多个功率MOS 开关管、电容等组成。此电路通过MOS功率管Q4和Q1两个开关控制Buck充电和Boost放电的切换。

2.2 工作原理

2.2.1 最大功率点跟踪充电技术

双向DC/DC变换电路的光伏充电的工作过程为：MOS管Q2、 Q1断开，形成Buck结构DC/DC变换电路。单片机控制Buck电路的MOS管Q4的开关 ，输出一定的电压或电流，对蓄电池充电。

光伏太阳能板只有在一个特定输出电压下，才能得到最大的光电转换效率（即输出功率最大）。受外部光照强度和温度的影响，其输出Upmax是变化的。本系统通过MPPT算法，在实用的精度范围内，设置合适的太阳能板输出电压尽可能地保证系统具有最大光电转换效率。

其中 DI、DV是关于太阳能板在参考光强、参考温度环境下的参数，Isc为太阳板短路电流。表达式是个超越方程，可由牛顿迭代法解出对应最大功率点的电压 Vmax。

通过对迭代法的简化处理，实现在低端单片机中可以处理的MPPT算法，由单片机控制MOS 开关管Q4 的PWM 信号占空比，调整等效Buck边换电路的输出电压和输入电压的大小。在适当的精度范围内，实现充电环节的MPPT控制。

2.2.2 放电驱动负载

本系统使用采用太阳能专用胶体蓄电池，一组的工作输出电压DC12V ，而LED路灯负载的工作电压范围大多在DC36～48 V，所以系统蓄电池放电过程，采用Boost 变换电路进行DC电压的变换，MOS开关管Q2接通Boost回路，蓄电池储蓄的电能向路灯负载放电。通过单片机调整开关管Q1 的PWM信号，调节输出电流LED电流的大小，实现对LED负载的恒流驱动。

2.3 控制系统设计

考虑到本系统的一些关键控制要求，以及制造成本，控制系统以意法半导体公司的单片机STM8S103F3为控制核心。相对于现在众多的8位单片机，STM8的性价比是很高的：一个10位连续渐近式模数转换器（ADC1），提供多达5个多功能的输入通道和一个内部多路复用输入通道；16位通用定时器，带有3个CAPCOM通道（IC、OC 或 PWM） ，可满足本系统的控制功能要求。

控制设计框架如图2所示，系统以STM8单片机为控制核心，外围电路包括数据采集、PWM和I/O控制等信号的驱动电路。光照强度、温度，蓄电池、光伏阵列和LED 负载的电压/ 电流 等参数信息，通过相应的驱动电路转化送入STM8 的ADC 接口，進行AD 转换。根据程序算法，控制信号单元输出信号，通过驱动电路控制对应的MOS开关管（含普通开关信号和PWM信号），实现MPPT 充电、LED恒流供电。用红外遥控器与主机进行通信，设置所需工作参数，主机人机界面显示相应工作状态。

此外，本系统通过对蓄电池电流、电压等数据的采集控制，还具有对蓄电池过充、过放等各项保护功能。

3.测试系统

对本文设计的系统进行实验验证。主要参数：太阳能组件标称最大功率电压 17.5V，最大功率电流5.71A，短路电流6.31A；储能设备采用一组胶体畜电池，充电电压13.8V；LED负载额定功率40W，测量工作电压31.6V，工作电流1.2A。

在系统对储能电池充电这一阶段，对光伏电池电压输出实行MPPT控制，通过半透明物体改变光照传感器接收的光照强度，系统对充电电压加以不断调节，测量系统PV输出电压值与Matlab仿真的结果接近，响应的时间也在许可范围了，达到预期的控制效果。实验电路中，如图1所示，测量R5两端电压波形（即间接测LED负载电流变化），得到波形稳定，上下波动在3%以内。说明控制器的很好恒流驱动作用。

结论

本文进行了MPPT独立式光伏大功率LED照明电源研究，采用了经过简化的迭代法实现MPPT控制，一定程度地使充电效率得到提高。并且本系统把小型光伏充电系统与LED照明控制系统有效结合，节约成本，减小了设备的体积，便于推广。

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