- 高亮度LED太陽能路燈照明系統設計方案
- 太陽能板與蓄電池組中加入DC/DC電路
- 單片機與開關管間加入了D/A 轉換和PWM芯片
在傳統的太陽能路燈系統中，通常經過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連，這將導致太陽能板的利用效率低，同時容易使蓄電池長期處于欠充滿狀態，造成其使用壽命的縮減。本文在研究太陽電池電路模型的基礎上，提出了一種數模混合的最大功率點追蹤（Maxim Power Point Tracking,簡稱MPPT）策略，它可最大程度地利用太陽能，同時對固態光源LED 的驅動電路做了研究，最后用實驗驗證了該方案的高效性和實用性。
1 引言
隨著固態光源的發展，LED 的應用已不再僅僅局限于指示燈領域，它憑借壽命長，光效高等優點在現代照明體系中日益凸現優越性。伴隨著光伏技術的發展，大功率高亮度LED 更以其高效、節能而進一步引起了社會各界對該光源的廣泛關注。但目前，LED 太陽能路燈還存在因燈驅動電路導致LED 光衰現象及太陽能利用率不高等不足。業界普遍認為LED的恒流驅動對抑制光衰效果顯著。
傳統的太陽能路燈充電系統中，通常經過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連，這將導致太陽能板的工作點偏移最大功率點（MaximPower Point,簡稱MPP），而未有效利用太陽能板的可輸出功率；同時容易使蓄電池因供能不足而長期處于欠充滿狀態，造成壽命縮減。本文在研究太陽電池電路模型的基礎上，分析了恒壓追蹤[1]、擾動觀察[2,3]等最大功率追蹤（MPP Tracking,即MPPT）法，提出了一種數模混合的MPPT 策略，它可使太陽電池的輸出穩定在MPP 附近，從而有效利用了太陽能板可輸出的最大功率。
2 太陽電池的電路模型
圖1 示出太陽電池的電路模型。通常，材料內部的等效并聯電阻Rsh 值大，而材料內部的等效串聯電阻Rs 值很小。
圖1 太陽電池的電路模型
圖中Is---由光生伏特效應產生的電流
輸出負載RL 上的電壓電流關系為：
式中q,k---電子電荷量及波耳茲曼常數
A---太陽能板的理想因素，A=1~5
T---太陽能板的溫度
Ios---太陽能板的逆向飽和電流，與T有關
由上述關于太陽能板電路模型的分析可見，太陽電池的輸出是一個隨光照條件及溫度等因素變化的復雜變量。圖2示出太陽電池在標準測試條件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 時的典型輸出特性。
圖2 太陽能板的典型輸出特性曲線
太陽能板的輸出開路電壓uoc 和輸出短路電流isc的值由生產廠給出。
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3 電路工作原理
目前，市場上絕大部分太陽能路燈都是通過防電流倒灌二極管將蓄電池與太陽能板直接相連以充電的。圖3 示出傳統的充電電路。
圖3 傳統的充電電路
這種做法的弊端是它將使太陽能板的輸出電壓Uarr 被蓄電池箝位在其電動勢12V 左右，也即其工作點被限制在圖2 的Q 點，這將使太陽能板的輸出功率Parr 大幅度降低。
在太陽能板與蓄電池組中加入DC/DC電路，通過對其進行控制，調節Uarr,從而使其穩定在圖2 的P 點，以便能有效利用太陽能板的可輸出功率。在標準測試條件下，太陽電池的最佳工作電壓與其開路電壓之間存在一個特定的比例關系，基于該思想產生了恒壓跟蹤MPPT策略，但在非標準條件下，其實用性較差。利用擾動開關管的工作占空比D,直至輸出功率Parr 達到最大的擾動觀察法，在尋找MPP 上更具通用性。
對于Buck 電路，存在UarrD=Ubat 關系，所以：
式中Ubat ---蓄電池電壓
式（1）代入得：
由圖2 可知，在MPP 時，dParr /dUarr=0,（d2Parr /dUarr2）<0,因此可由式（3）和式（4）化簡為：
因此，輸出功率和D 的關系與圖2 中的P 和U關系相似。從而可通過擾動D,實現輸出功率的變化，并尋找出MPP.由于輸出電壓即蓄電池的充電電壓短期內變化不大，在進行D 擾動尋找MPP 期間可近似認為恒定，因此輸出功率的大小直接反應在輸出電流即蓄電池的充電電流上，通過采樣該充電電流值，從而判斷出輸出功率隨D 擾動的變化情況，以便進行MPPT.為了提高控制精度和驅動能力，單片機與開關管間加入了D/A 轉換和PWM芯片，圖4 示出其主電路拓撲。
4 最大功率點追蹤（MPPT）
電路尋找MPP 的工作原理可簡述為：通過不斷改變開關管驅動信號的D,直至蓄電池的充電電流達到最大，此刻即可認為太陽電池的輸出功率達到最大，實現太陽電池的最大功率點追蹤。在尋找MPP 過程中，根據D 的擾動情況，輸出功率有3 類模式，對應9 種大小關系。
圖5 示出輸出功率隨D 擾動的變化情況
[page]根據上述模式變化，擾動開關管的D,當檢測到當前輸出功率與D 的大小關系為模式2 時，即可認為已搜尋到MPP,同時將以該D 進行工作。
考慮到溫度及光照條件的改變，太陽電池的輸出參數不斷變化，同時導致MPP 的漂移，單片機在經過設定時間后，將再一次做D的擾動，搜尋新的MPP,以保證太陽電池的最大功率輸出，從而有效利用太陽能。
根據上述分析，編制了相關程序。圖6 示出其設計流程。
圖6 軟件設計流程圖
通過實驗發現，在晴日里不同時刻的MPP 處，電路工作的D 均變化不大。因此，為了避免搜尋過程中造成尋找時間太久及帶來的能量浪費，下一時刻進行MPP 追蹤的搜尋起點設定為上一次MPP 時的D 值。5 MPPT 策略實驗結果
主電路的工作頻率為100kHz,當搜尋到輸出電流達到最大時，即認為該點為電路工作的MPP,圖7 示出此刻的驅動信號Ugs 實驗波形。可見，此時開關管的D≈0.65,這與理論分析結果很吻合。表1 給出由上述分析得到的傳統電路與MPPT 電路的對比性試驗結果。
圖7 輸出最大功率時的ugs 波形
表1 傳統充電電路與MPPT 充電電路的實驗結果
由表1 可見，傳統太陽能充電電路中，15W的Parr 最大值出現在早上溫度不高、光照比較強的時刻，但此時的利用率僅僅約為68.4%;而采用帶有MPPT 功能的DC 變換電路后，輸出功率明顯上升。
6 結論
LED 燈的恒流驅動，對抑止光衰現象起到了很有效的作用；通過數模混和的方法，避免了單純數字控制所帶來的控制精度不高等問題，且單片機的智能控制，使得能夠較快的尋找到最大功率點，提高了太陽能板的利用率及整個路燈照明系統的性能價格比。
