照明I Electric Lighting 太阳能LE D路灯照明控制系统的设计 给出了太阳能LED路灯照明控制系统的硬件实现与控 高太阳能蓄电池系统充放电效率、运行稳 制策略。控制器能够正确地转换充电、供电和等待三种状 定性和使用寿命的关键。 态。充电电路依据蓄电池的不同状态能准确切换到最大功 率充电、恒压充电和浮充补偿三种方式。对LED照明负载 采用了恒流控制以确保其发光效率。目前该系统已经稳定 运行半年以上。观察和测试结果符合设计要求。 杨晓光1。2 寇臣锐2 汪友华2／1．佛山市国星光电股份有限公司 2．河北工 圈1太阳能LED照明系统 业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 本文设计的太阳能照明控制系统主要 太阳能作为一种新兴的绿色能源， 正迅速地得到推广应用。太阳能照明系 统包括：太阳能电池、蓄电池、照明灯、 充电电路、供电电路和控制系统。在白 天，太阳能电池将所接收的光能转换为 电能，经充电电路对蓄电池充电；蓄电 池将电能转换为化学能储存起来。天黑 后，太阳能电池无输出，充电电路停止 完成以下功能： (1)实现太阳能最大功率跟踪。对于 一定的日照强度和环境温度，太阳能电池 的输出存在一个最大功率点以及与最大功 率点相对应的电压和电流。当日照强度和 环境温度变化时，太阳能电池阵列的输出 特性随之变化，与之相对应的最大功率点 也随之改变。为了获得太阳能电池的最大 输出功率，必须通过调整充电电路的占空 比对负载进行匹配来实现最大功率 工作，蓄电池再将化学能转换回电能输 跟踪‘141。 出到照明灯。全天控制系统的电源一直 杨晓光／副教授 由蓄电池供给。 系统设计 (2)依据蓄电池的特性合理充电。对 于蓄电池来说，要求采用合理的充电方式 以延长蓄电池的使用寿命和提高充电效 率"’61。在对蓄电池的充电过程中不能超 所设计的太阳能LED照明系统如图 过蓄电池的电压和电流的上限，否则就会 1所示。太阳能电池板在标准测试条件 影响蓄电池的寿命。蓄电池在充满电后， 的参数为：短路电流，。。=5．35 A，开路 关键影Keywords 电压U。。=46．0 V，最大功率点电流L= 太阳能‘4．78 A，最大功率点电压U。：36．5 v， 蓄皂池。 最大功率P。：165 W。蓄电池为12 V、 保持电量的最好方法就是加一个浮充电 压。浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电 池的放电电流；又不能太大，以免影响蓄 电池的寿命。因此，为了高效合理地对蓄 址u’ 照明‘ 200 A·h的阀控式免维护铅酸蓄电池1 电池充电，需要准确判断蓄电池的状态， 块。与传统光源相比，LED光源具有发 对充电电压和电流进行精确地控制。 光效率高、寿命长、功耗小和安全可靠 (3)对LED灯进行恒流控制。本文 的特点，因此本系统采用了大功率LED 选择了额定功率为1 W，额定电流为 作为光源，照明灯功率为32 W。控制系 350 mA的白光LED作为光源。由LED的 统是太阳能LED照明系统的核心，是提 伏安特性可知，LED的驱动电流对电压很 28 I嘭艺量‘钉·建筑电气·2009年第28卷第3期 ˝ • ‰ ˚ 

太阳能LiED路灯照明控制系统的设计 Electric Lighting I照明 敏感，微小的电压扰动将导致较大的电流变化， 的电压量给SG3524来控制PWM的占空比。该方 从而造成LED发光质量下降…。为了确保LED的 案虽然增加了系统的复杂性，但是却减轻了单片 发光效率，采用了恒流控制方法。 控制系统的硬件实现 机的工作量，更重要的是SC3524最高可以输出高 达500 kHz的PWM信号，从而提高开关电源的工 作频率，这是现有的单片机内置PWM单元不能提 控制系统以单片机AT89S52为控制核心，如 供的。 图2所示。系统对太阳能电池电压U。。．．，、电流，。。。 和蓄电池的电压u。。。。、电流，。。。以及LED灯驱 动电流ILED进行检测，并应用线性光耦合器将单片 机控制系统与主电路隔离。电压的检测采用电阻 分压方法，电流的检测应用霍尔电流传感器。霍 尔电流传感器具有响应速度快与精度高的特点， 可检测从直流到100 kHz的各种波形信号，并能实 现与主电路的隔离。对于蓄电池电流的检测要复 本文Buck电路最大导通输入电压是36．5 V， 如果要保证管子的导通状态，栅源电压U。。≥ U。。m，，栅极的高电压应是36．5 V加上栅源之间 的阈值电压。为了实现这一功能，驱动电路采用 了高压浮动MOS栅极驱动芯片IR21 10。由于浮置 电源采用自举电路，IR2110的高端工作电压可达 500 V。Boost变换电路的驱动相对简单些，所需的 栅极电压是相对于功率信号地的电压，由推挽电 杂一些，其原因是蓄电池的充放电电流方向相反， 路实现¨1。 从而霍尔电流传感器相应地输出正、负电压信号， 但本文采用的A／D只允许输入正信号。为了解决 这一问题，采用了绝对值处理电路。 。—- 数据 传输 儿—小 单片机 ＼广—]／ AT89S52 c■。 __一 光 耦 1,olⅣ 隔 ％m。 离 检 jt越eⅣ 测 电 路 ，I肋 ___—— __—— I温度检测电路}_一 耦 数字量 ； 输出、 转 离 换 电 电 壁 路 量 隔 蹇 _—— 数字量 输出h —— —— 呈 光 耦 隔 离 电 隆 —— 量— 吕 驱 动 电 壁 _—— 高 罢压 悬 浮 驱 避 照 控制系统和主电路在同一PCB板上，而主电 路最大工作电流为10 A。这不仅对电感的设计和 MOSFET尖峰的抑制提出较高要求，同时必然考虑 单片机的抗干扰问题。本文采用了两种措施：其 一是使用看门狗技术来防止单片机的死机；其二 是在电路设计和PCB布局上，将强弱电系统的地 相隔离。实测表明，这两条措施很好地提高了单 片机的抗干扰能力。 控制系统的软件实现 1．系统整体控制 围2控制系统硬件组成原理图 温度检测采用了一线制温度传感器DSl8820。 该传感器提供9位(二进制)温度读数指示，其 供电电源由数据线本身提供而不需要外部电源。 蓄电池的性能受其电解液温度的影响，然而蓄电 池是密封的，无法接触到电解液，考虑到蓄电池 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3 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 电极具有较好的导热性，因而将传感器紧贴在电 化等。系统首先检测当前是否为照明设定时间， 极上以测量的电极温度作为蓄电池的温度。 如果是照明时间，程序转到LED灯照明控制子程 太阳能LED照明系统的充、放电电路分别由 序，否则检测太阳能电池的端口电压是否大于启 Buck和Boost开关电路实现，电路的开关元件采 动电压以，若满足充电条件，则系统对蓄电池充 用了MOSFET。开关电路的运行需要PWM驱动。 电，否则继续对时钟和太阳能电池输出电压进行 由于AT89S52单片机没有专用的片内PWM单元， 检测。 因此系统采用了片外的SG3524来生成PWM波形。 2．蓄电池充电控制 其实现途径为：单片机通过A／D转换器输出指定 对于一个蓄电池，选择适当的充电方法，不 www．eage．corn．cn 2009年2月上·建筑电气·嘭艺县胡l 29 ˝ • ‰ ˚ 

gl wJJ Electric Lighting 图3 系统总体控制丽程图 仅可以提高充电效率，而且能够延长蓄电池的使 圈5温厦补偿流程图 用寿命。本文根据太阳能电池的输出特性和蓄电 4．LF：D照明控制 池的输入特性，采用最大功率充电(MPPT)、恒 照明控制流程如图6所示。本文选择32只额 压充电和浮充充电三种充电控制方式。其具体过 定功率为1 w、额定电流为350 mA的白光LED作 程是：当检测到蓄电池的端电压小于蓄电池的最 为光源。为了满足节能的需要，分为两路、每路 大电压上限以时，实施MPPT充电；当检测U= 16 w，单独由Boost电路驱动，每一路又分为两 U。时，如果此时充电电流大于转换门限值，。，则 组，8个串联为一组，将两组并联。根据用户要 对蓄电池进行恒压充电(CV)；若，<，。，则转换 求，在晚上[t。，t：]时间段内，两路LED灯同时 为浮充充电(VF)。总之，采用什么样的充电方 照明；在[t：，t，]时间段内只有一路LED灯照 式是由蓄电池的状态决定的，充电控制流程如图4 明。在LED工作的时候，需要实时检测蓄电池的 所示。 电压，以免蓄电池过放电。进入放电子程序后首 先点亮两路LED灯，然后判断此时的蓄电池端口 电压是否大于最小阈值电压U。=11．8 V，如果小 于则关断LED，和LED：。 图4 蓄电池充电控制流程圈 3．温度补偿 如前所述，蓄电池的特性受温度影响，根据 所选定的蓄电池，当蓄电池的温度在T。=15 oC和 T2=35 oC之间时无需温度补偿，但当温度不在这 一区间时需要根据式(1)确定浮充电压”’61 U，=U阳+(r一死)C (1) 式中，Um和瓦分别为基准点的电压和温度值；C 为电压温度系数。温度补偿流程如图5所示，首 先检测当前的蓄电池正电极的温度r，根据温度得 出浮充电压后进行恒压控制。 30 I嘭：量胡·建筑电气·2009年第28卷第3期 圈6 LED灯照明控制 ˝ • ‰ ˚ 

太阳能LED路灯照明控制系统的设计 Electric Lighting I照明 是有效的。 表1 蓄电池充电过程 结束语 充电电路波形如图7所示。波形1为充电电 路NMOS管的源极波形，波形2为对应的蓄电池 充电波形，横坐标是10“s／格，波形1的纵坐标 是10 V／格，波形2的纵坐标是5 V／格，此时充电 电路工作于MPPT状态，充电电流为7 A。由于缓 冲和吸收电路的作用，开通尖峰和关断尖峰分别 降低到5 V和10 V左右，实验表明该尖峰没有影 响控制系统的正常工作。为了确保电压和电流检 测的正确性，在采样程序内加了数字滤波算法， 结束语 实验结果表明该算法有效地消除了尖峰。 通过对太阳能LED照明路灯系统半年多的测 试观察，其结果基本符合设计要求，所开发的太 阳能路灯控制系统能够准确地对整个系统进行控 制，正确地工作于充电、供电和等待三种状态。 充电器能够依据蓄电池的不同状态准确切换到不 同的充电方式。 圈7充电电路波形围 参考文献 Boost电路波形如图8所示。波形I为LED照 [1] 王庆章，赵庚申，许盛之，等．光伏发电系统最大功 明电路的漏极波形，一波形2为栅极驱动波形，横 率点跟踪控制方法研究[J]．南开大学学报(自然 坐标是10仙s／格，纵坐标是5 V／格，栅极跟漏极 波形相位相反。栅极的驱动波形幅值为10 V，注 意到该波形开始呈阶梯状，此阶梯处的电压值是 NMOS的开通阈值电压，为3 V左右。漏极波形电 压幅值为26 V左右，此值为LED灯的驱动电压， 其开通尖峰小于5 V以内，不会影响LED的工作 性能。 图8 Boost电路渡形图 所设计的照明系统已经稳定运行了半年，两 路照明LED灯能按照设定的时间点亮或熄灭。测 科学版)，2005，38(6)：74-79． [2] 吴理博，赵争鸣，刘建政．用于太阳能照明系统的智 能控制器[J】．清华大学学报(自然科学版)， 2003，43(9)：1 195-1 198． [3]崔岩，蔡炳煌，李大勇，等．太阳能光伏系统MPPT 控制算法的对比研究[J]．太阳能学报，2006，27 (6)：535．539． [4] 赵庚申，王庆章．最大功率跟踪控制在光伏系统中 的应用[J]．光电子·激光，2003，14(8)： 813-816． [5]Texas Instruments Corp．Improved charging methods for lead·acid batteries using the UC3906[G]．1999． [6] 王鹤，杨宏，王雪冬，等．延长阀控密封铅酸蓄电 池寿命研究一过充电保护与温度补偿特性[J]．电 源技术，2001，25(3)：206-207． [7] 王晶，王进，陈静波，等．白光LED色度特性研究 [J]．光电子·激光，2006，17(7)：899001． 试表明，电路启动后，充电初始方式总为MPPT模 [8]沙占友，李学芝，邱凯，等．新型特种集成电源及 式：之后充电系统能够依据蓄电池的不同状态准 应用[M]．北京：人民邮电出版社，1999． 确切换到不同的充电方式并稳定运行。表l给出 (收稿日期：2008—05—30)EA 了实测结果，可以看出，本文所给出的控制算法 www．eage．com．off 2009年2,q l-·建筑电气·嘭皂量调l 31 ˝ • ‰ ˚