一種LED路燈光伏充電器的設(shè)計(jì)

提出了一種新型的智能化小區(qū)大功率Light Emitting Diode (LED)路燈光伏充電器的設(shè)計(jì)方案， 給出了白光LED的工作特性和太陽(yáng)電池的工作特性以及此光伏充電器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 分析了基于Microchip 公司的PIC16F874芯片實(shí)現(xiàn)的控制策略和最大功率跟蹤( MPPT) 原理。最后給出了此充電器的工作原理框圖和控制原理框圖。實(shí)際運(yùn)行表明， 該LED 路燈光伏充電器系統(tǒng)具有顯著優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1 LED 的工作特性

　　發(fā)光二極管LED(Light Emitting Diode)的工作原理是在半導(dǎo)體p-n 結(jié)上加一正向電壓， 從而使其電子與空穴復(fù)合(即結(jié)區(qū)變窄)， 這種復(fù)合是電子從高能級(jí)的導(dǎo)帶釋放能量回到價(jià)帶與空穴復(fù)合， 其釋放的能量以光子的形式出現(xiàn)， 即發(fā)光。

　　根據(jù)半導(dǎo)體物理中的公式： λ=1.24/Eg式中： Eg 為半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的禁帶寬度， λ為波長(zhǎng)。從式中可以看出， 對(duì)于不同材料的半導(dǎo)體來說， 由于它們的Eg 不同， 因此它們的波長(zhǎng)# 也不一樣， 所以發(fā)光的顏色不同。顯然， 一般LED 多為單顏色光， 如紅光、綠光、黃光、藍(lán)光等。所謂白光是多種顏色的光混合而成， 以人類眼睛所能見到的白光形式至少必須兩種以上的光混合， 一般有下列兩種混合方式： 二波長(zhǎng)光———藍(lán)光與黃光混合; 三波長(zhǎng)光———紅光、綠光與藍(lán)光混合。目前已經(jīng)商品化的白光LED 產(chǎn)品多為二波段藍(lán)光單晶片加上YAG 黃色熒光粉; 三波長(zhǎng)光以無機(jī)紫外線光晶片加R、G、B 三顏色熒光粉。此外， 有機(jī)單層三波長(zhǎng)型白光LED 也有成本低、制作容易等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.2 太陽(yáng)電池的工作特性

　　圖1、圖2 分別給出了太陽(yáng)電池溫度在25 ℃時(shí)， 工作電壓、電流和日照( W/m2) 的關(guān)系曲線及太陽(yáng)電池的輸出功率和日照、電壓之間的曲線。

　　從圖1 的I/U 關(guān)系可以看出， 太陽(yáng)電池陣列既非恒壓源，也非恒流源， 而是一種非線性直流電源， 電池輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當(dāng)恒定， 最終在一個(gè)足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。由圖2 可知， 太陽(yáng)電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽(yáng)電池面積上的功率之比。因此， 為了提高本系統(tǒng)的工作效率， 必須盡可能地使太陽(yáng)電池在最大功率點(diǎn)處工作， 這樣就可以用功率盡可能小的太陽(yáng)電池獲得最大的功率輸出， 這就是進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的意義所在。如圖1 和圖2 所示， 圖中的A、B、C、D、E 點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)不同日照時(shí)的最大功率點(diǎn)。

　　1.3 鉛酸蓄電池的工作特性

　　目前在光伏充電器系統(tǒng)中大量使用的是鉛酸蓄電池， 它的工作原理是依靠鉛酸正極的活性物質(zhì)二氧化鉛( PbO2) 和負(fù)極的活性物質(zhì)海綿狀鉛( Pb) 與電解液硫酸( H2SO4) 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鉛( PbSO4) , 在此工作過程中將引起硫酸( H2SO4) 的減少， 而且在正極板上不斷生成水( H2O) , 從而引起電解液的密度降低。在充電期間， 正極極板上的硫酸鉛( PbSO4) 氧化成了二氧化鉛( PbO2) , 此時(shí)負(fù)極極板上的硫酸鉛( PbSO4) 還原成鉛( Pb) , 同時(shí)生成硫酸( H2SO4) , 耗去了蓄電池中的水( H2O) , 使電池中電解液的密度上升， 完成充電過程。

　　2 系統(tǒng)的工作原理

　　2.1 系統(tǒng)的主控制芯片介紹

　　充電器系統(tǒng)的硬件框圖如圖3 所示。

　　主控芯片采用Microchip 公司的PIC16F874, 它采用RISC 指令系統(tǒng)， 哈佛總線結(jié)構(gòu)， 低功耗， 高速度。內(nèi)部集成了ADC、SPI 和Flash 程序存儲(chǔ)器等模塊， 具有10 位A/ D 轉(zhuǎn)換、PWM 輸出、LCD 驅(qū)動(dòng)等功能， 此外它還帶有128 個(gè)字節(jié)的E2PROM 存儲(chǔ)器， 能方便寫入調(diào)整量以備后用。PIC16F874通過SPI 接口可以實(shí)現(xiàn)與CAN 控制器MCP2510 的無縫連接， 且同時(shí)同步串行模塊( SSP) 為以后與工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。PIC16F874 的I/O 資源豐富， 共有A、B、C、D、E 五個(gè)I/O口， 每個(gè)I/O 口除了基本用途外還有一些特殊功能。豐富的資源和強(qiáng)大的功能， 使之十分適合于作為控制系統(tǒng)的控制核心芯片。

　　2.2 系統(tǒng)的工作過程分析

　　充電器系統(tǒng)的控制框圖如圖4 所示。

　　由圖4 可以看出， 在蓄電池充電階段， 控制回路電壓環(huán)僅由太陽(yáng)電池電壓構(gòu)成。此時(shí)， 電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定，通過檢測(cè)主電路中蓄電池的充電電流與給定電流相比較來改變SG3525 的輸出脈沖寬度， 使太陽(yáng)電池的電壓跟蹤給定電壓。由圖1 可知， 當(dāng)太陽(yáng)電池電壓下降， 在穩(wěn)態(tài)時(shí)， 太陽(yáng)電池電壓等于給定電壓， 電流環(huán)的給定亦為穩(wěn)定值， 蓄電池的充電電流等于給定電流; 反之， 當(dāng)太陽(yáng)電池電壓小于給定電壓時(shí)，SG3525 輸出脈沖寬度作用于驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)功率器件， 使其導(dǎo)通占空比減小， 蓄電池充電電流變小， 工作電壓增加， 電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)太陽(yáng)電池電壓等于給定電壓。在過充電階段， 兩個(gè)電路均起作用， 電壓環(huán)由太陽(yáng)電池電壓構(gòu)成的電路和蓄電池構(gòu)成的電路組成， 此時(shí)， 蓄電池電壓和給定太陽(yáng)電池工作電壓之和大于太陽(yáng)電池電壓， 偏差信號(hào)經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后加到SG3525 的電流輸入端， 使SG3525 輸出脈沖寬度減小， 蓄電池充電電流變小。由圖1 可知， 太陽(yáng)電池實(shí)際工作電壓漸漸增大， 直到穩(wěn)態(tài)時(shí)， 工作于開路狀態(tài)， 蓄電池充電電流為零， 從而實(shí)現(xiàn)了過充保護(hù)。

　　此外可以通過Modbus 通信標(biāo)準(zhǔn)使模塊控制器以主( 即上位機(jī)) —從( 即下位機(jī)) 方式進(jìn)行通信， 對(duì)光伏充電器的運(yùn)行情況和LED 燈的運(yùn)行情況通過若干控制器或其它Modbus設(shè)備通過RS485 總線組建成Modbus 網(wǎng)絡(luò)， 可以成功地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]3 太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)

　　對(duì)于光伏充電系統(tǒng)來說， 系統(tǒng)首先采用太陽(yáng)電池陣列對(duì)蓄電池進(jìn)行充電， 以化學(xué)能的形式將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄電池中。在這個(gè)過程中， 由于光伏陣列的伏安特性具有強(qiáng)烈非線性的特點(diǎn)， 在控制策略中通常采用自尋最優(yōu)控制方式使太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)處。整個(gè)控制過程可以分解成兩個(gè)階段進(jìn)行：

　　(1) 確定出太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)的輸出電壓值Uref;

　　(2) 改變太陽(yáng)電池對(duì)蓄電池的充電電流使太陽(yáng)電池的輸出電壓穩(wěn)定在Uref。

　　這兩個(gè)階段是由控制電路通過檢測(cè)太陽(yáng)電池的輸出電壓和電流， 采用逐次比較法來實(shí)現(xiàn)的。它的搜索起始點(diǎn)應(yīng)在接近陣列開路電壓處， 在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上的時(shí)候光伏陣列的工作電壓值應(yīng)在最大功率電壓值附近搜索， 其搜索的幅度越小，MPPT 的精度就越高。其最大功率點(diǎn)跟蹤控制過程如圖5 所示， 它保證系統(tǒng)不論在何種日照及溫度條件下， 始終使太陽(yáng)能光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)， 使充電器系統(tǒng)工作時(shí)獲得較高的穩(wěn)定性和輸出效率。

　　4 結(jié)論

　　經(jīng)實(shí)際運(yùn)行表明， 該LED 路燈光伏充電器系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

　　( 1) LED 固體光源具有耐抗震、抗沖擊、光效高、壽命長(zhǎng)和無污染;

　　( 2) 電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、性價(jià)比高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn);

　　( 3) 使用雙閉環(huán)的控制策略， 較好地改善了蓄電池的工作狀態(tài)， 保證了充電質(zhì)量;

　　( 4) 實(shí)現(xiàn)LED 路燈光伏充電器的自動(dòng)充電過程， 提高了蓄電池的使用壽命;

　　( 5) 使用通用型號(hào)的蓄電池， 便于推廣應(yīng)用和現(xiàn)有普通光源路燈的更新?lián)Q代;

　　( 6) 利用取之不盡， 用之不竭無污染的太陽(yáng)能， 不用挖坑布線， 體現(xiàn)了綠色能源環(huán)保利用。