基于單片機的太陽(yáng)能LED路燈控制器設計

　　2. 1 充電電路及控制策略

　　充電電路由電感L1、功率MOSFET 管T1和續流二極管D2構成降壓型Buck 電路，如圖3 所示。 通過(guò)改變加在MOSFET 控制柵極的脈沖寬度（ 脈沖寬度調制Pulse Width Modulation,PWM） 就可以改變太陽(yáng)能電池板的輸出電壓。 通過(guò)檢測太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流、蓄電池的電壓和電流，判斷蓄電池的電荷狀態(tài)，選擇合適的充電方式為蓄電池優(yōu)化充電。 當蓄電池電壓超過(guò)一定電壓后，關(guān)斷T1,防止蓄電池過(guò)充電。 當系統檢測到環(huán)境光線(xiàn)充足，控制器就會(huì )進(jìn)入充電模式。

圖3 Buck 主充電電路

　　然而，充電的效率與充電電源（ 太陽(yáng)能電池） 、負載（ 蓄電池） 以及環(huán)境的特性是緊密相關(guān)的。 太陽(yáng)能電池的輸出功率是日照強度和周?chē)h(huán)境溫度的非線(xiàn)性函數，如圖4 所示。

　　也就是說(shuō)，當日照強度增強時(shí)，最大輸出功率相應增大； 當溫度增加時(shí)，輸出功率降低； 但一定條件下，總存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)。 當忽略溫度效應時(shí)，不同光照條件的輸出特性與負載曲線(xiàn)L 的交點(diǎn)A,B,C,D,E（ 工作點(diǎn)） 顯然不都是最大功率點(diǎn)，若采用直接匹配必然帶來(lái)輸出功率的損失。

圖4 太陽(yáng)能光伏電池的輸出特性

　　采用最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（ Maximum Power Point Track） 的控制策略就可以將采集到的太陽(yáng)能盡可能轉化為電能，儲存到蓄電池組中。 MPPT 控制策略主要有干擾觀(guān)測法、導納增加法和固定參數法等算法。 這里采用干擾觀(guān)測法，其思想： 控制器在每個(gè)控制周期用較小的步長(cháng)改變光伏電池的輸出電壓或電流---"干擾",改變的方向可以增加或減??； 比較前后光伏電池的輸出功率，如果輸出功率增加，就按照上一周期的方向繼續干擾過(guò)程； 如果輸出功率減小，則改變干擾的方向，最終在最大功率點(diǎn)往復達到穩定，此時(shí)還可以減小步長(cháng)以進(jìn)一步逼近最大功率點(diǎn)。

　　另外，目前條件下鉛酸蓄電池是比較經(jīng)濟實(shí)用的蓄電裝置。 鉛酸蓄電池的容量和壽命是蓄電池的重要參數，受充電方法的影響很大。 可接受的理想充電曲線(xiàn)是充電電流隨時(shí)間按指數規律衰減的曲線(xiàn)，但極化現象卻制約了蓄電池的壽命和光伏電池發(fā)電系統充電模式。 因此需要根據蓄電池充電特性曲線(xiàn)，采用分階段的充電策略，才可以提高充電的效率和延長(cháng)蓄電池的壽命。 這里蓄電池的充電策略是三階段充電（ 快充、過(guò)充和浮充）。

　?。?） 快充階段充電電路的輸出方式等效為電流源。 電流源的輸出電流根據蓄電池最大可接受電流來(lái)確定。 充電過(guò)程中，檢測蓄電池端電壓，當蓄電池端電壓上升到轉換門(mén)限值后，充電電路轉到過(guò)充階段。 固定輸出電流，采用MPPT 算法控制輸出電壓。

　?。?） 過(guò)充階段充電電路對蓄電池提供一個(gè)較高電壓，同時(shí)檢測充電電流。 當充電電流降到低于轉換門(mén)限值時(shí)，認為蓄電池電量已充滿(mǎn)，充電電路轉到浮充階段。

　?。?） 浮充階段蓄電池組充滿(mǎn)電后，保持電量的最好方法就是給蓄電池提供一個(gè)精確的、具有溫度補償功能的浮充電壓。

　　2. 2 放電電路及控制策略

　　放電電路的負載是大功率LED 路燈，它是由1 W 及以上的高亮度LED 按一定的拓撲連接而成的綠色光源。 大功率LED 路燈的發(fā)光強度是和流過(guò)的電流成正比。 由于大功率LED 的電流、電壓參數具有典型的PN 結伏安特性，其正向壓降的微小變化會(huì )引起較大的正向電流變化。 不穩定的工作電流會(huì )影響LED 的壽命和光衰，所以大功率LED 的驅動(dòng)電路必須提供恒定的電流。 其控制電路主要采用DC /DC 升壓驅動(dòng)電路（ Boost） ,控制策略采用脈沖寬度調制（ PWM） ,Boost 充電電路如圖5 所示。

圖5 Boost 放電電路。

　　電感L2、功率MOSFET 管Q2和D3構成升壓型DC /DC 轉換器，通過(guò)單片機控制輸出PWM2,獲得一個(gè)穩定的輸出電壓； 通過(guò)PWM3和PWM4 通道進(jìn)行2 路LED 照明的恒流控制，完全關(guān)斷這2 路負載還可以用作半功率點(diǎn)控制； R7和R10提供LED 照明驅動(dòng)電路的電流反饋采樣； 其它時(shí)控功能、溫度補償電路和蓄電池的過(guò)放保護電路在此就不詳細討論。