摘要：笔者主要从系统总体设计，以及控制器硬件系统方面概述了本文主题，旨在与同行共同探讨学习。
关键词：太阳能；LED；蓄电池；节能控制
一、系统总体设计
1.系统组成
太阳能 LED 路灯系统是由太阳能电池板、铅酸蓄电池、LED 灯、驱动电路和控制器等部分组成。太阳能电池板是将太阳能转化为电能；蓄电池将太阳能电池的电能储存起来用来在夜间给 LED 灯供电；蓄电池输出的电压经过驱动电路升压后作为 LED 灯的输入；控制器控制太阳能电池给蓄电池充电的方式，以及蓄电池给负载放电的时间和亮度，并完成过充保护，过放保护，防反充保护等功能。本系统主要从以下几点来完成节能的目的。
（1）充电采用 MPPT 的方式，这样可以最大限度地将太阳能电池的能量输出，并且采用的是脉冲充电，在很大程度上减弱了极化现象，可以延长蓄电池的使用寿命。
（2）放电时根据蓄电池的电压来决定其全功率放电和半功率放电所占用的时间，这样可以实现能量充分合理的利用。
（3）控制器选用 PIC16F876 来实现，这款芯片功耗很低，实现系统节能的目的。
（4）路灯采用 LED 灯，其具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个 10～12W 的 LED 光源发出的光能与一个35～150W 的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果 LED比传统光源节能 80％～90％。
2.系统框图
图 1 为太阳能 LED 灯控制系统的系统框图，充电电路由 T1 和 T2 组合起来控制，其中 T1 为充电控制场效应管；T2 为防反冲控制场效应管；T3 为放电控制场效应管。充放电电路的通断均由场效应管的通断来控制，场效应管的栅极和控制电路相连，单片机的输出的信号通过控制电路来决定场效应管的通断。
图 1 系统组成框图
3.控制系统的硬件设计
（1）电源模块的设计
本系统所有的正极连在一起，电路中的其它节点相对于整个电路的参考点的电压均为负值，所以电路中采用的是 LM7905 作为稳压芯片，本控制系统采用了 PIC16F876为主控芯片，对太阳能电池电压、蓄电池电压进行采集；蓄电池电压采集和太阳能电池电压采集均用电阻分压来实现，充电电流采集用霍尔电流传感器实现。
（2）充电电路的设计
T1 为充电控制场效应管，T2 为防反充控制场效应管，两个场效应管串联在一起控制充电电路。T1 是通过一个三极管来驱动的；T2 的通断由光耦来控制，这样可以使控制回路和主回路隔离。充电时，T1、T2 同时通，电流从太阳能电池正极向蓄电池充电，经过 T2 和 T1 流到太阳能电池负极形成回路。充电时 PWM 的占空比从 0％ 到 100％ 持续可调。
（3）放电电路的设计
T3 为放电控制场效应管，其控制方法和 T1 是一样的，利用光耦也可以使主回路和控制回路隔离。到了晚上且蓄电池的电压大于过放电压，则 T3 就会导通，电流从蓄电池向 LED 灯放电，经过 T3 流回蓄电池形成回路。若负载短路，导致采集到的电压值超过了安全值，那么过流保护电路将直接切断 T3，保证系统不会因为负载短路而损坏。
（4）软件设计
本系统主要实现的功能有 12V，24V 识别，识别完后进入相应的服务程序；进白天或者黑夜服务程序由蓄电池的电压来判断；若采集五次的电压平均值小于 4V，则进入黑夜服务程序，若大于 4V，则进入白天服务程序；在白天服务程序中实现过放保护功能，根据蓄电池的电压来决定何种占空比的 PWM 波充电功能以及防反充功能；在黑夜服务程序中实现过放保护功能和根据不同季节所需亮灯时间不同来定时，LED 灯的亮度也可以根据需要进行调节。白天黑夜识别程序流程图如图 2 所示。
图2 白天黑夜识别流程图
二、控制器硬件系统
1.充电管理系统
在白天，太阳能 LED 路灯控制器会自动关闭供电系统而转入充电模式，并且在每次充电之初控制其会首先监测蓄电池电压，并以电压高低来决定充电模式，主要的充电模式有快速充电、恒压充电两种。
（1）充电原理及模式
本控制器采用低压定周期脉冲充放电模式，当蓄电池电压水平较低时，采用大电流快速充电模式，使蓄电池电压迅速上升，当电池的极化现象较为严重时控制器则发出控制指令切断充电回路使其进入短暂的停充环节，使电池开始大电流放电，这样蓄电池的计划现象就会迅速得到缓解或消除，如此反复运行则和可以将电池充满，这种充电模式就是所谓的 Reflex 充电法。其原理是在充电时利用瞬间大电流放电脉冲事积聚在正极板周围的气体除去，使氧气在负极板被充分吸收，以此来缓解或消除由于快速充电而产生的极化现象，使电池内部的艳丽、阻抗和温度得到有效的降低，减少能量损失，提高了电池的充电效率。
随着充电过程的推进，充电过程会进入两个可选模式：一是恒压充电模式，这种充电模式情况下充电电流会随着电池的蓄电池端电压的升高而衰减；二是限压变电流间歇充电模式，这种模式下的充电初期为恒电流充电阶段，这时会采用最佳的充电电流值以使其获得最好的充电效果，到充电后期时则进入定压充电阶段，这样可以得到过充电量，将电池恢复至完全充电状态。
（2）充电管理系统的组成及功能
蓄电池的充电管理系统如图 3 所示。
图 3 蓄电池充电管理系统框图
在充电管理系统中加入了 DC-AC-DC 变换模块，通过这个变换模块 DC-AC 变换将太阳能电池板输出的直流电能首先转化为交流电，并且该变换过程实现了由单片机的脉冲信号的控制，并且脉冲的持续时间可以进行调整。AC-DC 变换环节采用整流桥电路，鉴于单片机控制器的脉冲频率值很高，在整流桥上使用的二极管应该采用快速恢复二极管，整流后的电压就可以直接连接到蓄电池的电极上，同时单片机对蓄电池的电压、电流进行实时监测，以防其过充电，以及电流过大或过小对电池造成损坏或影响充电效率。
2.供电管理系统
在黑天，太能 LED 路灯控制器可以自动进入供电模式，给 LED 等供电，同时对蓄电池的蓄电量进行实时监测，防止过放电给电池造成损害。在蓄电池的检测方式上可以采用恒流放电法，即在对给定的负载供电时，使电流保持不变，当负载变化时，电流也随之改变以适应负载变化。
（1）恒流放电原理
在给负载供电过程中，需要对蓄电池的剩余容量进行实时监测，以便及时充电以防止蓄电池过放电，对蓄电池的检测可以采用电池内阻与容量对应法，简称内阻法，其原理是利用标准检测仪器将蓄电池内阻和容量的对应关系标定出来存入ROM 中，这样当需要知道电池容量时，就可以通过检测电池内阻值，然后通过内阻和容量的对应关系而获得其容量值。这种方法具有一定的局限性，当蓄电池的内阻较大或较小是测量的精度会难以保证。这时候可以采用对蓄电池恒流放电的方式，利用电池电压和容量的对应关系对电池容量进行估算，这种方法叫做恒流放电法，该方法是利用标准的测量设备检测出蓄电池恒流放电时的电压与容量的对应关系，这样检测是通过检测获得的电压值就可以得到电池容量状况，这种方法的准确性较高，但是主要的难点在于要保持蓄电池恒流放电。
（2）供电管理系统的组成及功能
图 3 蓄电池供电管理系统框图
由于 LED 固体光源是直流供电，所以电路设计时不需要再考虑将直流变换为交流，蓄电池供电管理系统如图 3 所示，电池的正极接晶体管集电极，负极接地。系统利用电流电压转换器检测蓄电池的放电电流，然后经过放大电路、跟随器以及A/D 转换电路后，送入到控制器，这时单片机对电池的放电电流是否恒定进行检测，如果其不恒定，则会对输出电压进行调节，输出电压在 D/A 转换之后通过跟随器和反向放大器，实现对晶体管基极电压的控制，从而达到稳定蓄电池放电电流的目的。同时，蓄电池的电压也通过反向放大、跟随器、滤波器之后，由 A/D 转换输入控制器，使控制器可同时监测电压的变化情况。另外，控制器也会对蓄电池的电压和电流进行实时的检测，从而避免蓄电池由于深度放电而使其损坏。
结语
本文介绍的太阳能 LED 路灯节能控制系统利用了最新的充电和放电管理方法，实现了较好的充电、放电效果，工作可靠，使蓄电池得到了很好的保护，同时也获得良好的节能效果，在未来的城市路灯控制系统的应用中具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]魏亚坤.感知天气的太阳能 LED 路灯控制系统［J］.照明工程学报，2014（2）
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[4]李薇.太阳能 LED 照明系统的研究［D］.北京：北京工业大学，2012（5）
论文作者:邓伟龙
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/15
标签：蓄电池论文; 电压论文; 电流论文; 控制器论文; 太阳能论文; 电路论文; 管理系统论文; 《基层建设》2017年第23期论文;