太阳能景观灯设计课件

太阳能景观灯设计太阳能景观灯设计目录n太阳能景观灯设计方案电路介绍太阳能景观灯设计方案电路介绍n光伏控件介绍光伏控件介绍n充电电路设计介绍充电电路设计介绍n放电电路设计介绍放电电路设计介绍n具体电路设计方案和功能简介具体电路设计方案和功能简介n光伏器件选择优化光伏器件选择优化目录太阳能景观灯设计方案电路介绍2太阳能景观灯设计n（1）不需要使用外部供电环保节能。）不需要使用外部供电环保节能。n（2）可以独立使用在多种场合，具有美观和实用性。）可以独立使用在多种场合，具有美观和实用性。n（3）本次实验采用电路和设计程序达到一方面能够将电）本次实验采用电路和设计程序达到一方面能够将电池板能量最大限量的存储（电导增量法获得最大功率追踪池板能量最大限量的存储（电导增量法获得最大功率追踪和三步法充电）另一方面对负载供电中可以节能控制输出。和三步法充电）另一方面对负载供电中可以节能控制输出。n（4）通过实际测试当地的阳光环境进行优化，在保证）通过实际测试当地的阳光环境进行优化，在保证满满足负载供电需要的前提下足负载供电需要的前提下,确定使用的太阳能电池组件功确定使用的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量最小率和蓄电池组件容量最小,以尽量减少初始投资以尽量减少初始投资。n（5）在控制电路设计过程中使用改进后的）在控制电路设计过程中使用改进后的BUCK降压电降压电路能够更好的控制占空比调节路能够更好的控制占空比调节PWM驱动对蓄电池充电，驱动对蓄电池充电，不需要另外附加计时电路，且在阴雨天可以根据需要控制不需要另外附加计时电路，且在阴雨天可以根据需要控制开启或者关闭。开启或者关闭。n（6）通过程序控制电压来调控景观灯颜色和亮度变化。）通过程序控制电压来调控景观灯颜色和亮度变化。太阳能景观灯设计（1）不需要使用外部供电环保节能。3设计电路方案图电池板电池U-I检测单片机控制蓄电池DC-DC升压负载DC-DC降压设计电路方案图电池板电池U-I检测单片机控制蓄电池DC-DC4电路说明本次设计采用：本次设计采用：（1）通过检测电池板）通过检测电池板U-I曲线用电导增量的方法获曲线用电导增量的方法获得最大功率点跟踪。程序较为复杂但可以更加精得最大功率点跟踪。程序较为复杂但可以更加精确的提高电池板能量的存储量。确的提高电池板能量的存储量。（2）对蓄电池充电当中使用三步法，即）对蓄电池充电当中使用三步法，即MPPT充电，充电，恒压充电，浮充，一方面提高充电效率另一方面恒压充电，浮充，一方面提高充电效率另一方面提高电池使用寿命。提高电池使用寿命。（3）利用单片机编程可以控制景观灯亮度变化和颜）利用单片机编程可以控制景观灯亮度变化和颜色转换。色转换。（4）通过检测蓄电池的）通过检测蓄电池的U-I输入到单片机中通过控输入到单片机中通过控制来实现对负载的调控，以免欠压状态下蓄电池制来实现对负载的调控，以免欠压状态下蓄电池损坏。损坏。（5）单片机控制电压由蓄电池提供。）单片机控制电压由蓄电池提供。电路说明本次设计采用：5光伏控制器介绍 光伏控制器是光伏控制器是太阳能光伏发太阳能光伏发电系统中，能电系统中，能自动防止蓄电自动防止蓄电池组过充电和池组过充电和过放电并具有过放电并具有简单测量功能简单测量功能的电子设备的电子设备。注：开关器件，可以是继电器，也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器，只能用MOSFET模块作为开关器件。光伏控制器介绍 光伏控制器是太阳能光伏发电系统中，能6光伏控制器分类（1 1）并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部）并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。（用于小率模块上去，然后以热的形式消耗掉。（用于小型、低功率系统电流在型、低功率系统电流在2A2A以内）以内）（2 2）串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，）串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列（用于较高功率系统电流并在夜间切断光伏阵列（用于较高功率系统电流在在4A5A4A5A以上的串联控制器）以上的串联控制器）光伏控制器分类（1）并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部7光伏控制器分类（3）脉宽调制型控制器：它以脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。频率和时间缩短。（这种充电过程形成较完整的（这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命）寿命）（4）智能型控制器：）智能型控制器：采用带采用带CPU的单片机对光伏的单片机对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离列进行切离/接通控制。接通控制。光伏控制器分类（3）脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关8光伏控制器分类（5 5）最大功率跟踪最大功率跟踪（MPPTMPPT）型控制器型控制器：根据调整：根据调整MPPTMPPT，采用采用PWMPWM调制方式，使充电电流成为脉冲电调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。注：在实际工作研发过程中（注：在实际工作研发过程中（4 4）和（）和（5 5）使用较多，）使用较多，一方面可以提高电池能量利用率，另一方面可以一方面可以提高电池能量利用率，另一方面可以更好控制与逆变器蓄电池之间的连接与控制。更好控制与逆变器蓄电池之间的连接与控制。光伏控制器分类（5）最大功率跟踪（MPPT）型控制器：根据调9光伏控制器功能n（1）高压（）高压（HVD）断开和恢复功能）断开和恢复功能n（2）欠压（）欠压（LVG）告警和恢复功能）告警和恢复功能n（3）低压（低压（LVD）断开和恢复功能）断开和恢复功能n（4）保护功能：保护功能：n 防止任何负载短路的电路保护。防止任何负载短路的电路保护。n 防止充电控制器内部短路的电路保护。防止充电控制器内部短路的电路保护。n 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。n 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。保护。n 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。n（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于）温度补偿功能：当蓄电池温度低于25时，蓄电池时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。该温度蓄电池要求充电电压较低。光伏控制器功能（1）高压（HVD）断开和恢复功能10充放电电路设计n1.1.在充电电路部分，在充电电路部分，实现实现了太阳能电池组件的最了太阳能电池组件的最大功率点跟踪和蓄电池充电策略的优化。设计了大功率点跟踪和蓄电池充电策略的优化。设计了基于基于 Buck Buck 型的型的 DC-DC DC-DC 电路，采用了电导增量法电路，采用了电导增量法实现了最大功率点的跟踪。基于实现了最大功率点的跟踪。基于 Buck Buck 电路，对电路，对蓄电池实施了三阶段充电方法。在充电过程中，蓄电池实施了三阶段充电方法。在充电过程中，充电电流的变化趋势符合铅酸蓄电池的马斯充电充电电流的变化趋势符合铅酸蓄电池的马斯充电曲线，具备一定的科学性。曲线，具备一定的科学性。n2 2.在放电电路部分，结合控制器硬件电路，设计在放电电路部分，结合控制器硬件电路，设计了恒流源驱动电路，通过驱动电路的设计，保证了恒流源驱动电路，通过驱动电路的设计，保证蓄电池稳定的输出恒流，优化了系统的可靠性，蓄电池稳定的输出恒流，优化了系统的可靠性，增强了蓄电池的使用寿命。增强了蓄电池的使用寿命。充放电电路设计1.在充电电路部分，实现了太阳能电池组件的最大11n3.考虑到太阳能控制器自身的功耗和效率，本课考虑到太阳能控制器自身的功耗和效率，本课题摒弃了一些传统的设计方案，采用了多题摒弃了一些传统的设计方案，采用了多 MOSFET 功率管相融合的技术，设计出了安全、功率管相融合的技术，设计出了安全、高效的电源防反接电路、防反充电路、过流保护高效的电源防反接电路、防反充电路、过流保护以及自恢复式的短路保护，提高了整个系统运行以及自恢复式的短路保护，提高了整个系统运行的可靠性与稳定性。的可靠性与稳定性。n4.完成了基于完成了基于 MSP430F235 太阳能控制器的硬件太阳能控制器的硬件电路设计、电路板的绘制和电路的焊接，并且利电路设计、电路板的绘制和电路的焊接，并且利用用 C 语言编制了相应的控制程序，实现了太阳能语言编制了相应的控制程序，实现了太阳能路灯控制器的充、放电控制功能路灯控制器的充、放电控制功能。3.考虑到太阳能控制器自身的功耗和效率，本课题摒弃了一些传统12独立太阳能路灯照明系统中。基于实际的需求，设计功能如下：1.充电模块功能：1)具有过充自动关断、恢复功能。2)具有防反接、防反充保护，防雷击功能。3)具有指示功能：太阳能电池组件的充电指示功能、蓄电池电压状态指示功能。4)多模式充电功能：采用了多种充电模式，充分利用了太阳能电池组件，并且保证蓄电池工作在最佳状态，延长了电池的寿命。5)显示功能：用八段码显示各种工作模式，方便用户的检测和维护，使用户在使用的时候尽可能的操作方便、可靠、安全。独立太阳能路灯照明系统中。基于实际的需求，n2.放电模块功能：放电模块功能：n1)具有过放自动关断、恢复功能，负载过流保护具有过放自动关断、恢复功能，负载过流保护和短路保护的功能。和短路保护的功能。n2)具有防反接、防雷击的功能。具有防反接、防雷击的功能。n3)指示功能：负载工作状态功能指示和故障指示指示功能：负载工作状态功能指示和故障指示功能。功能。n4)恒流驱动功能：该功能保证了负载供电的稳定恒流驱动功能：该功能保证了负载供电的稳定性以及可靠性。性以及可靠性。2.放电模块功能：14独立照明系统需求n独立照明系统由太阳能电池组件、蓄电池、控制独立照明系统由太阳能电池组件、蓄电池、控制器和器和 LED 灯这四个部分所组成。灯这四个部分所组成。n太阳能电池组件是整个系统的能量来源，它将太太阳能电池组件是整个系统的能量来源，它将太阳的辐射能转化为电能阳的辐射能转化为电能。n蓄电池是路灯照明系统当中的储能设备。它的性蓄电池是路灯照明系统当中的储能设备。它的性能和系统的充电方式有很大的关系，只有结合蓄能和系统的充电方式有很大的关系，只有结合蓄电池的性能选择最合适充电方式，才可以最大限电池的性能选择最合适充电方式，才可以最大限度安全、可靠的使用蓄电池。度安全、可靠的使用蓄电池。n本系统选用了铅酸蓄电池作为储能设备。本系统选用了铅酸蓄电池作为储能设备。独立照明系统需求独立照明系统由太阳能电池组件、蓄电池、控制器15LED灯性能nLED 灯当中的发光二极管主要由灯当中的发光二极管主要由 PN 结芯片、光学系统、结芯片、光学系统、电极组成。其优点如下：电极组成。其优点如下：1节能：节能：LED 发光颜色更接近于自然光，与高压钠灯相比，发光颜色更接近于自然光，与高压钠灯相比，人眼感到同样亮度时所需的光强就低很多。人眼感到同样亮度时所需的光强就低很多。2长寿：由于大功率长寿：由于大功率 LED 路灯是由很多路灯是由很多 LED 光源组成，光源组成，即使个别的损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像即使个别的损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像高压钠灯损坏时全部灯熄灭，大功率高压钠灯损坏时全部灯熄灭，大功率 LED 路灯寿命长达路灯寿命长达 5 万小时，是高压钠灯的十几倍，户外使用寿命长达万小时，是高压钠灯的十几倍，户外使用寿命长达 10 年以上。年以上。3显色性好：大功率显色性好：大功率 LED 路灯显色性大大高于高压钠灯，路灯显色性大大高于高压钠灯，高压钠灯以金属钠蒸汽为发光源，光线呈单一偏黄，与阳高压钠灯以金属钠蒸汽为发光源，光线呈单一偏黄，与阳光相差甚远，而光相差甚远，而 LED 路灯发出的是白色光，色彩更真实，路灯发出的是白色光，色彩更真实，也不存在危害性的紫外光线和红外光线，不吸引昆虫。也不存在危害性的紫外光线和红外光线，不吸引昆虫。LED灯性能LED 灯当中的发光二极管主要由 PN 结芯片、164无频闪：大功率无频闪：大功率 LED 路灯采用直流供电，加上路灯采用直流供电，加上光电独有的恒流装置，使大功率光电独有的恒流装置，使大功率 LED 路灯发光恒路灯发光恒定，彻底无闪烁。定，彻底无闪烁。5快速响应：高压钠灯等高强度气体放电灯有延迟快速响应：高压钠灯等高强度气体放电灯有延迟效应，要在点燃效应，要在点燃 15 分钟后才能达到其分钟后才能达到其 90%100%光通量，而大功率光通量，而大功率 LED 路灯通电即可达到路灯通电即可达到正常亮度，无开灯正常亮度，无开灯28 智能型太阳能路灯控制器的智能型太阳能路灯控制器的研制延时现象。研制延时现象。6安全：安全：LED 照明是一种固态照明，可以有效的照明是一种固态照明，可以有效的防震，对于类似震动比较大的高速公路及对安全防震，对于类似震动比较大的高速公路及对安全性要求更高的隧道和矿井等尤其适用。性要求更高的隧道和矿井等尤其适用。7优良的散热性能：低热阻的结构设计和良好的散优良的散热性能：低热阻的结构设计和良好的散热设计，保证了热设计，保证了 LED 的的 PN 结结温度不会超过结结温度不会超过 75度度，从而保证了，从而保证了 LED 的发光效率和工作寿命。的发光效率和工作寿命。4无频闪：大功率 LED 路灯采用直流供电，加上光电独有的17控制器对LED负载作用n控制器部分由充电电路、放电电路、电流电压检控制器部分由充电电路、放电电路、电流电压检测电路和测电路和 MCU 以及辅助电路等部分组成。以及辅助电路等部分组成。n一般太阳能电池组件输出的电压不稳定，铅酸蓄一般太阳能电池组件输出的电压不稳定，铅酸蓄电池和电池和 LED 灯的寿命也受到诸多条件的影响。因灯的寿命也受到诸多条件的影响。因此，不能直接将太阳能电池组件联接此，不能直接将太阳能电池组件联接 LED 灯，也灯，也不便直接给储能设备蓄电池充电，不当的充电方不便直接给储能设备蓄电池充电，不当的充电方式会对式会对 LED 灯和蓄电池造成严重影响，缩短了使灯和蓄电池造成严重影响，缩短了使用寿命，降低了稳定性和可靠性。在本系统中，用寿命，降低了稳定性和可靠性。在本系统中，铅酸蓄电池和铅酸蓄电池和 LED灯的成本占很大的比例，如果灯的成本占很大的比例，如果这两者不能得到很好保护，通常会造成严重的经这两者不能得到很好保护，通常会造成严重的经济损失。因此，需要采用相关的电力电子电路，济损失。因此，需要采用相关的电力电子电路，先将太阳能电池组件产生的电能以一定的方式储先将太阳能电池组件产生的电能以一定的方式储存到铅酸蓄电池中，在适当的时候再控制蓄电池存到铅酸蓄电池中，在适当的时候再控制蓄电池向负载向负载 LED 放电。控制器在这个过程中起着枢纽放电。控制器在这个过程中起着枢纽作用，决定着系统使用性能的好坏。作用，决定着系统使用性能的好坏。控制器对LED负载作用控制器部分由充电电路、放电电路、电流电18照明系统电路照明系统电路19n基于实际系统的需求，我们在此选用美国德州仪基于实际系统的需求，我们在此选用美国德州仪器（器（TI）公司设计的）公司设计的 MSP430F235 作为作为 MCU。这是德州仪器这是德州仪器 1996年推向市场的一种年推向市场的一种 16 位低功位低功耗的混合信号处理器，耗的混合信号处理器，3.3V 电源供电，其活动模电源供电，其活动模式耗电式耗电 250A/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数：每秒百万条指令数)，IO 输入端口的漏电流最大仅输入端口的漏电流最大仅 50nA。具有。具有 16 位位 RISC 结构，结构，125ns指令周期，具有很高的指令执指令周期，具有很高的指令执行速度和效率。内部集成有行速度和效率。内部集成有 12 位精度位精度 A/D 转换转换器，可选择同步和异步串行通信接口。内置温度器，可选择同步和异步串行通信接口。内置温度测试电路，可方便地实现传感器的温度补偿。测试电路，可方便地实现传感器的温度补偿。基于实际系统的需求，我们在此选用美国德州仪器（TI）公司设计20n在在 MSP430F235 单片机的外围，设计了辅助电单片机的外围，设计了辅助电路、电流电压检测电路、充电模块、放电模块、路、电流电压检测电路、充电模块、放电模块、按键和显示电路等几部分按键和显示电路等几部分。n充电电路要求能够通过改变开关管的占空比而改充电电路要求能够通过改变开关管的占空比而改变光伏电池的工作点，完成蓄电池三个阶段的充变光伏电池的工作点，完成蓄电池三个阶段的充电。电。n在放电电路中，在放电电路中，通过单片机通过单片机驱动电路的输出信号驱动电路的输出信号将完成对功率器件开通与关断的控制。为了提高将完成对功率器件开通与关断的控制。为了提高系统运行的可靠性和安全性，需要有负载保护电系统运行的可靠性和安全性，需要有负载保护电路，主要分为过流保护和短路保护电路。过流保路，主要分为过流保护和短路保护电路。过流保护通过检测放电电流的大小，以软件保护的方式护通过检测放电电流的大小，以软件保护的方式来报警并采取相应的切断放电回路的保护动作来报警并采取相应的切断放电回路的保护动作。在 MSP430F235 单片机的外围，设计了辅助电路、电流21MCU外围电路MCU外围电路最大功率控制（MPPT）为了提高太阳电池板产生的电能能够最大限度的储为了提高太阳电池板产生的电能能够最大限度的储存和利用一般设计最大功率控制追踪获得最大功存和利用一般设计最大功率控制追踪获得最大功率点。率点。（1）恒定电压控制法恒定电压控制法（太阳能电池的最大功率点电（太阳能电池的最大功率点电压是其开路电压的压是其开路电压的76%左右）左右）（2）曲线拟合法：将太阳能电池组件的输出特性测）曲线拟合法：将太阳能电池组件的输出特性测量出来量出来,同时用数学表达式进行描述的方法。同时用数学表达式进行描述的方法。最大功率控制（MPPT）为了提高太阳电池板产生的电能能够23n(3)导纳微分法导纳微分法：认为在太阳能电池阵列的最大功：认为在太阳能电池阵列的最大功率点处率点处,输出功率对输出电压的一阶导数为零输出功率对输出电压的一阶导数为零。n(4)扰动观察法扰动观察法其基本思想就是控制充扰动观察法扰动观察法其基本思想就是控制充电电路开关信号的占空比电电路开关信号的占空比,使之增大或者减少使之增大或者减少,从而从而改变电路的输出功率改变电路的输出功率,根据功率的变化来决定对占根据功率的变化来决定对占空比的控制空比的控制,是让其减小还是让其增大是让其减小还是让其增大(3)导纳微分法：认为在太阳能电池阵列的最大功率点处,输出功24n恒定电压控制法恒定电压控制法这种方法忽略了太阳能电池温度这种方法忽略了太阳能电池温度对自身最大功率点的影响对自身最大功率点的影响。n曲线拟合法缺点是受限于复杂因素的影响曲线拟合法缺点是受限于复杂因素的影响,比如温比如温度，老化以及电池的击穿等度，老化以及电池的击穿等,不容易测量。不容易测量。恒定电压控制法这种方法忽略了太阳能电池温度对自身最大功率点的25n扰动观察法的缺点是扰动观察法的缺点是系统必须引入扰动造成了能量的损失，系统必须引入扰动造成了能量的损失，降低了太阳能电池组件的工作效率。其次，步长的选择很降低了太阳能电池组件的工作效率。其次，步长的选择很难取到合适值。难取到合适值。n电导增量法的优点在于在日照强度发生变化时，太阳能电电导增量法的优点在于在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。电压振荡也较扰动观察法小。n通过比较之后，无论光强强度和温度如何变化，电导增量通过比较之后，无论光强强度和温度如何变化，电导增量法总能够快速的实现太阳能电池组件的最大功率点跟踪。法总能够快速的实现太阳能电池组件的最大功率点跟踪。同时，在稳态时，太阳能电池组件的工作电压十分稳定，同时，在稳态时，太阳能电池组件的工作电压十分稳定，工作点波动非常小。于是，在我们的工作点波动非常小。于是，在我们的 MPPT 大电流充电大电流充电过程中，我们选择了电导增量法。过程中，我们选择了电导增量法。扰动观察法的缺点是系统必须引入扰动造成了能量的损失，降低了太26电导增量法电导增量法27充电控制策略设计n本课题设计并使用了新的智能充电策略：三阶段充电法。本课题设计并使用了新的智能充电策略：三阶段充电法。三阶段充电法的优势在于：既能提高了充电的效率，同时三阶段充电法的优势在于：既能提高了充电的效率，同时又保护了电池容量和寿命，充电曲线近似于马斯最佳充电又保护了电池容量和寿命，充电曲线近似于马斯最佳充电曲线。曲线。n路灯照明系统中，蓄电池处于循环使用状态，白天的时候，路灯照明系统中，蓄电池处于循环使用状态，白天的时候，光照充足，负载光照充足，负载 LED 灯关闭，蓄电池处于充电状态。判灯关闭，蓄电池处于充电状态。判断此时蓄电池的电量，当蓄电池处于欠压时，首先在第一断此时蓄电池的电量，当蓄电池处于欠压时，首先在第一阶段进行最大功率点跟踪（阶段进行最大功率点跟踪（MPPT）充电，这个阶段充电）充电，这个阶段充电电流比较大，电池的大部分电能在这一阶段恢复。实验表电流比较大，电池的大部分电能在这一阶段恢复。实验表明，以明，以 MPPT 充电到限压点时，只能充进约充电到限压点时，只能充进约 80%的容量，的容量，于是进入第二阶段。第二阶段为恒压充电，在第二阶段中，于是进入第二阶段。第二阶段为恒压充电，在第二阶段中，将补充剩余的大约将补充剩余的大约 20%的电量。恒压充电结束后，充电的电量。恒压充电结束后，充电器应自动转入第三阶段，即浮充电过程。根据电池的自放器应自动转入第三阶段，即浮充电过程。根据电池的自放电特性，浮充电速率很低，使用电特性，浮充电速率很低，使用 PWM 脉冲充电，充电器脉冲充电，充电器将给电池补充电荷，这样蓄电池就可以处于充足电状态。将给电池补充电荷，这样蓄电池就可以处于充足电状态。充电控制策略设计本课题设计并使用了新的智能充电策略：三阶段充28三阶段充电曲线三阶段充电曲线29充电原理框图充电原理框图30n太阳能电池组件输出直流电压，先经过输入滤波，太阳能电池组件输出直流电压，先经过输入滤波，然后通过然后通过 Buck 电路的电路的 DC/DC 变换，再经过输变换，再经过输出滤波，这样就得到了满足负载所需求的直流输出滤波，这样就得到了满足负载所需求的直流输出电压，并且完成了能量的传递。电流电压检测出电压，并且完成了能量的传递。电流电压检测电路负责对太阳能组件和蓄电池端电压，进行采电路负责对太阳能组件和蓄电池端电压，进行采样，通过采样之后，传入单片机样，通过采样之后，传入单片机 ADC 采样端口。采样端口。单片机单片机MSP430F235 作为核心，控制算法软件运作为核心，控制算法软件运算后，再从算后，再从 PWM 输出端口送出控制信号给驱动输出端口送出控制信号给驱动电路，最终由驱动电路完成对功率器件开通、关电路，最终由驱动电路完成对功率器件开通、关断的控制。断的控制。太阳能电池组件输出直流电压，先经过输入滤波，然后通过 Buc31nBuck 变换器设计中，主功率开关管驱动电路的变换器设计中，主功率开关管驱动电路的设计很重要，驱动电路设计的好坏将影响整个电设计很重要，驱动电路设计的好坏将影响整个电路的工作性能及可靠性。路的工作性能及可靠性。Buck 变换器设计中，主功率开关管驱动电路的设计很重要，驱32Buck电路驱动电路Buck电路驱动电路33充电流程图充电流程图34n三阶段充电控制流程如下：三阶段充电控制流程如下：首先，第一阶段为首先，第一阶段为 MPPT 大电流充电阶段。在前大电流充电阶段。在前面介绍过，在本课题中面介绍过，在本课题中 MPPT大电流充电采用了大电流充电采用了电导增量法。本方法跟踪比较稳定，并且精度比电导增量法。本方法跟踪比较稳定，并且精度比较高。它要求在较高。它要求在 MPP 点功率对电压求导为零，点功率对电压求导为零，在功率对电压导数大于零的区域增加电压，而在在功率对电压导数大于零的区域增加电压，而在功率对电压导数小于零的区域减小电压，在接近功率对电压导数小于零的区域减小电压，在接近于零的区域保持不变，这样就可以找到最大功率于零的区域保持不变，这样就可以找到最大功率点。点。三阶段充电控制流程如下：35MPPT占空比调整MPPT占空比调整36n在第二阶段是恒压充电，第三阶段则是浮充电。在第二阶段是恒压充电，第三阶段则是浮充电。在这两个阶段中，都是以恒压进行充电，不同的在这两个阶段中，都是以恒压进行充电，不同的是浮充电的电压非常小。在这样的过程中，首先是浮充电的电压非常小。在这样的过程中，首先通过电流电压检测电路采集太阳能电池组件端电通过电流电压检测电路采集太阳能电池组件端电压，将其与期望值进行比较，得到差值压，将其与期望值进行比较，得到差值 U，进行，进行比例环节和积分环节的控制，得到比例环节和积分环节的控制，得到 MOSFET 的的占空比的变化量占空比的变化量 D，进而得到下一步的控制占空，进而得到下一步的控制占空比，从而使充电电压恒定。比，从而使充电电压恒定。在第二阶段是恒压充电，第三阶段则是浮充电。在这两个阶段中，都37恒压充电流程恒压充电流程38n由由 LED 灯的特性可知：光源系统的稳定性与驱动灯的特性可知：光源系统的稳定性与驱动电源有很大的关系，瞬态的电流或电压尖峰等许电源有很大的关系，瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易对其造成损坏。驱动电源的性能多因素都很容易对其造成损坏。驱动电源的性能直接影响整个光源系统的工作寿命、稳定性等性直接影响整个光源系统的工作寿命、稳定性等性能。能。n采用恒流源驱动可以合理的使用电池的存储能量，采用恒流源驱动可以合理的使用电池的存储能量，既可以保护蓄电池寿命，又能够稳定的驱动既可以保护蓄电池寿命，又能够稳定的驱动 LED 灯发光。恒流源驱动控制电流大小，电流的大小灯发光。恒流源驱动控制电流大小，电流的大小又控制着光照的亮度，恒流源驱动为又控制着光照的亮度，恒流源驱动为 LED 灯的放灯的放电提供了高质量、高效率、高可靠性的准备。电提供了高质量、高效率、高可靠性的准备。由 LED 灯的特性可知：光源系统的稳定性与驱动电源有很大的39放电原理框图放电原理框图40n当在夜间的时候，蓄电池通过放电电路给负载当在夜间的时候，蓄电池通过放电电路给负载 LED 灯供电。灯供电。首先，当开关电路开通，蓄电池的电流可以通过首先，当开关电路开通，蓄电池的电流可以通过此电路。然后通过保护电路，到达恒流源驱动电此电路。然后通过保护电路，到达恒流源驱动电路，最终给负载路，最终给负载 LED 灯提供电流。电流电压检测灯提供电流。电流电压检测电路负责对蓄电池端电压进行采样，通过采样之电路负责对蓄电池端电压进行采样，通过采样之后，传入后，传入 430 单片机单片机 ADC 采样端口。再由采样端口。再由 430 单片机控制开关电路的开通与关断，并且控制恒单片机控制开关电路的开通与关断，并且控制恒流源，使恒流源稳定输出电流，提供给负载流源，使恒流源稳定输出电流，提供给负载 LED。当在夜间的时候，蓄电池通过放电电路给负载 LED 灯供电。41n在放电电路中，我们继续采用在放电电路中，我们继续采用 FDB3632 作为电作为电子开关，因为子开关，因为 FDB3632 为为 N 沟道的沟道的 MOSFET，我们将开关设置在电压低端，易于实现开关控制我们将开关设置在电压低端，易于实现开关控制。在放电电路中，我们继续采用 FDB3632 作为电子开关，因42开关电路开关电路43负载保护原理n进入夜间状态，也就是系统检测到的太阳能电池进入夜间状态，也就是系统检测到的太阳能电池电压小于既定门限电压值电压小于既定门限电压值Vgate，在蓄电池正常，在蓄电池正常的前提条件下，需要产生开灯动作，首先单片机的前提条件下，需要产生开灯动作，首先单片机在在 K5 引脚给出一高电平，此时引脚给出一高电平，此时 Q9 开通，此时开通，此时 R5，R6 和光耦体内二极管构成环路，光耦开通，和光耦体内二极管构成环路，光耦开通，Q5 截止。此时负载的放电环路接通与否就由截止。此时负载的放电环路接通与否就由 Q11 开关控制，若开关控制，若 K4 给出低电平，则给出低电平，则 Q11 打开，打开，因为导通沟道内阻很小，外在表现将因为导通沟道内阻很小，外在表现将 R5 所在支所在支路短路，则蓄电池与恒流源环路接通，路短路，则蓄电池与恒流源环路接通，LED 灯亮。灯亮。负载保护原理进入夜间状态，也就是系统检测到的太阳能电池电压小44负载保护原理n若在若在 LED 路灯发生短路的非正常情况下，则因光路灯发生短路的非正常情况下，则因光耦所在支路被短路，光耦体内发光二极管熄灭，耦所在支路被短路，光耦体内发光二极管熄灭，也就是光耦关断，也就是光耦关断，Q5 基极电压升至蓄电池电压，基极电压升至蓄电池电压，Q5 导通，导通，Q5 的集电极被拉到地电位，也就是的集电极被拉到地电位，也就是 Q11(FDB2532)G 极被拉到了与极被拉到了与 S 极相同的电位，极相同的电位，VGS=0，Q11 关断，此时也就是等效于将关断，此时也就是等效于将 R5 又又重新串回进环路，因为重新串回进环路，因为 R5 值较大，本设计中选值较大，本设计中选用用 10K，等效于回路切断，保护了负载和控制回，等效于回路切断，保护了负载和控制回路。路。负载保护原理若在 LED 路灯发生短路的非正常情况下，则因光45负载保护原理n在在 K4，K5 逻辑没有改变的情况下，也就是逻辑没有改变的情况下，也就是 K4 保持为低，保持为低，K5 保持为高，则保持为高，则Q11 的开通或者关的开通或者关断由断由 Q5 的状态决定。如果短路情况自动消失或的状态决定。如果短路情况自动消失或者人为消除，则者人为消除，则R40，R5，R6 和光耦体内二极和光耦体内二极管构成的环路再次被接通，光耦内部三极管导通，管构成的环路再次被接通，光耦内部三极管导通，Q5 基极被拉至地电位，此时基极被拉至地电位，此时 Q5 截止，则截止，则 Q11 再次开通。整个过程无需外界干预，实现了全自再次开通。整个过程无需外界干预，实现了全自动可恢复的短路保护。动可恢复的短路保护。负载保护原理在 K4，K5 逻辑没有改变的情况下，也就是 K46负载保护电路负载保护电路47电流电压检测电路n本本设计设计中的电流电压检测电路包含了对太阳能电中的电流电压检测电路包含了对太阳能电池组件和蓄电池的电压采集检测，和对充放电环池组件和蓄电池的电压采集检测，和对充放电环路的电流采集检测。路的电流采集检测。nMSP430F235 内部集成了内部集成了 8 通道的单斜率通道的单斜率 ADC 转换内核，转换内核，P6 端口的端口的 8 个个 IO口都可作为外部口都可作为外部 AD 的输入，的输入，AD 转换时钟频率、参考电压和转换转换时钟频率、参考电压和转换模式都可以通过寄存器的设置来进行选择，在本模式都可以通过寄存器的设置来进行选择，在本设计中选择内部标准电压作为设计中选择内部标准电压作为 AD 的参考电压，的参考电压，外部模拟信号都必须经过调理才能送入单片机外部模拟信号都必须经过调理才能送入单片机 AD 通道，然后单片机对经过通道，然后单片机对经过 A/D 转换后的数据转换后的数据进行分析处理，并产生相应的控制作用。进行分析处理，并产生相应的控制作用。电流电压检测电路本设计中的电流电压检测电路包含了对太阳能电池48蓄电池电压检测电路蓄电池电压检测电路49负载电流检测电路负载电流检测电路50n一般常用的一般常用的 LED LED 驱动电源大致分为四类：电阻限驱动电源大致分为四类：电阻限流，线性控制，电荷泵类、开关电源类。流，线性控制，电荷泵类、开关电源类。n通过通过 LED LED 的参数和发光亮度，我们可以得到的参数和发光亮度，我们可以得到 LED LED 的直流电的直流电30 30 智能型太阳能路灯控制器的研制流，智能型太阳能路灯控制器的研制流，从而就可以得到从而就可以得到 LED LED 的端电压。这个方案相对简的端电压。这个方案相对简单，且便于实施，仅需要一个限流电阻就可控制单，且便于实施，仅需要一个限流电阻就可控制 LED LED 灯的光强。但是，这种方法也存在很大的问灯的光强。但是，这种方法也存在很大的问题，限流电阻会消耗很大的功率，使得系统的效题，限流电阻会消耗很大的功率，使得系统的效率降低。同时，电阻的调节精度也有限，微小的率降低。同时，电阻的调节精度也有限，微小的电压输入变化就会导致白光电压输入变化就会导致白光 LED LED亮度的变化及颜亮度的变化及颜色纯度的变化，所以，这种方案基本适用于低成色纯度的变化，所以，这种方案基本适用于低成本，对发光效率要求不高的系统中。本，对发光效率要求不高的系统中。一般常用的 LED 驱动电源大致分为四类：电阻限流，线性控制51n线性控制的方法在精度上比电阻限流法要高很多。线性控制的方法在精度上比电阻限流法要高很多。其基本原理是在电路中，对其基本原理是在电路中，对 LED LED 并联或者并联或者 LED LED 串联一个工作在线性区的功率管，然后通过负反串联一个工作在线性区的功率管，然后通过负反馈来调节功率管的阻值的大小，使得流过馈来调节功率管的阻值的大小，使得流过 LED LED 灯灯的电流保持在一个恒定值上。但是，这种方法也的电流保持在一个恒定值上。但是，这种方法也有其局限性，由于功率管工作在线性区，因此，有其局限性，由于功率管工作在线性区，因此，会消耗较多的功率，使得系统的效率大大降低。会消耗较多的功率，使得系统的效率大大降低。线性控制的方法在精度上比电阻限流法要高很多。其基本原理是在电52n在电荷泵类当中，一般分为两种：一种是电压输在电荷泵类当中，一般分为两种：一种是电压输出型电荷泵电路，出型电荷泵电路，LM3354 LM3354 就是其中一种，就是其中一种，LM3354 LM3354 型开关电容变换器（型开关电容变换器（NSNS）的电源电压范围为）的电源电压范围为 2.5V-5.5V2.5V-5.5V，输出电压有一系列标称值可供选择。，输出电压有一系列标称值可供选择。器件的开关工作频率为器件的开关工作频率为 1MHz 1MHz，最大输出电流，最大输出电流 90mA90mA，带有片内过热保护电路，静态与关态电流，带有片内过热保护电路，静态与关态电流分别为分别为 475uA 475uA 与与 5uA 5uA。控制。控制 LED LED 亮度的脉宽调亮度的脉宽调制信号可由器件的关断控制制信号可由器件的关断控制(SD)(SD)端送入，其重复端送入，其重复频率应在频率应在 60Hz 60Hz 以上以免以上以免 LED LED 产生闪烁现象，但产生闪烁现象，但也不宜超过也不宜超过 200Hz 200Hz 以保证开关电容器具有足够的以保证开关电容器具有足够的放电时间。放电时间。在电荷泵类当中，一般分为两种：一种是电压输出型电荷泵电路，L53n另一类电流输出型电荷泵，如另一类电流输出型电荷泵，如 LM2794(NS)LM2794(NS)以电流以电流镜作为输出级，因而可以省去限流电阻，但是，镜作为输出级，因而可以省去限流电阻，但是，会增加器件功耗。会增加器件功耗。LM2794 LM2794 具有四路电流输出，每具有四路电流输出，每路路 20mA 20mA；若想调整；若想调整 LED LED 亮度，仍可在其关断控亮度，仍可在其关断控制端加入脉宽调制信号，也可采用引入外部电流制端加入脉宽调制信号，也可采用引入外部电流的方式改变其反馈阈值。器件电源电压范围为的方式改变其反馈阈值。器件电源电压范围为 2.75.5V2.75.5V，电压超过大约，电压超过大约 4.7V 4.7V时会自动切换内时会自动切换内部电路，改以部电路，改以“直通直通”方式工作，该切换阈值也方式工作，该切换阈值也有有 250mV 250mV 左右的回差以防输出纹波恶化。左右的回差以防输出纹波恶化。另一类电流输出型电荷泵，如 LM2794(NS)以电流镜作为54n开关电源电路通过调节开关功率管的通断比，可以调节输开关电源电路通过调节开关功率管的通断比，可以调节输出电压的大小，理论上将功率管的损耗降低为出电压的大小，理论上将功率管的损耗降低为 0V。通常。通常采用采用 Buck 型拓扑结构可以实现低于输入电源电压的输出，型拓扑结构可以实现低于输入电源电压的输出，采用采用 Boost 型拓扑结构可以实现高于输入电源电压的输型拓扑结构可以实现高于输入电源电压的输出。在此，与电荷泵类不同的是，出。在此，与电荷泵类不同的是，Boost 理论上升压增益理论上升压增益可以无限大，因此，当需要使用多个可以无限大，因此，当需要使用多个LED 灯的情况时，灯的情况时，可采用串联方式，并保证了每个可采用串联方式，并保证了每个 LED 灯的发光亮度都相灯的发光亮度都相同，而且限流电阻也只有一个，可以有效的提高整个系统同，而且限流电阻也只有一个，可以有效的提高整个系统的效率，基本上是驱动电路当中效率最高的。的效率，基本上是驱动电路当中效率最高的。n通过比较上述几种驱动电源，结合本系统的实际情况，铅通过比较上述几种驱动电源，结合本系统的实际情况，铅酸蓄电池输出的电压高于驱动酸蓄电池输出的电压高于驱动 LED 灯所需要的电压，并灯所需要的电压，并考虑到效率和成本问题，本论文选用考虑到效率和成本问题，本论文选用 Buck型开关电源作型开关电源作为为 LED 负载的恒流驱动器。负载的恒流驱动器。开关电源电路通过调节开关功率管的通断比，可以调节输出电压的大55恒流驱动电路原理图恒流驱动电路原理图56n由由 MSP430F235 单片机提供其中一路单片机提供其中一路 AD（通道（通道 5，见表，见表），发送串行数据给），发送串行数据给 DAC7512，DAC7512 将数据进行数模转换，并且发送给电将数据进行数模转换，并且发送给电压驱动型脉宽调制器压驱动型脉宽调制器 TL494，由，由 TL494 产生方产生方波，方波通过波，方波通过 IR2117 驱动器，提供给驱动器，提供给 Buck电路，电路，再由再由 Buck 电路输出一个恒定的电流提供给负载电路输出一个恒定的电流提供给负载 LED 灯。负载灯。负载 LED 灯产生一路反馈，反馈给灯产生一路反馈，反馈给 TL494，这条反馈和设定值比较，用来调节占空，这条反馈和设定值比较，用来调节占空比，使得输出合适的、稳定的方波，进而得到恒比，使得输出合适的、稳定的方波，进而得到恒流输出。流输出。由 MSP430F235 单片机提供其中一路 AD（通道 557DAC7512数据采集模块电路图DAC7512数据采集模块电路图58TL494电路图TL494电路图59Buck型变换电路及其驱动Buck型变换电路及其驱动60反馈电路工作原理图反馈电路工作原理图61n当当IR2117的接收端的接收端IN收到来自收到来自TL494产生的控制产生的控制脉冲波时，通过内部工作从脉冲波时，通过内部工作从 NO 端输出一路驱动端输出一路驱动脉冲，该脉冲用以调节脉冲，该脉冲用以调节 MOSFET 的通断，产生的通断，产生稳定的输出电流给稳定的输出电流给 LED 供电。此时，通过供电。此时，通过 LED 的电流流经采样电阻，形成反馈电压，这个反馈的电流流经采样电阻，形成反馈电压，这个反馈电压就作为闭环回路的反馈信号，这个反馈信号，电压就作为闭环回路的反馈信号，这个反馈信号，通过一些简单的有源二阶低通滤波电路进行平滑通过一些简单的有源二阶低通滤波电路进行平滑和去除杂波干扰后，送入和去除杂波干扰后，送入 TL494 的误差比较放大的误差比较放大器的反相输入端。反馈信号和之前的设定信号在器的反相输入端。反馈信号和之前的设定信号在 TL494 的误差比较放大器中进行比较，进而控制的误差比较放大器中进行比较，进而控制脉冲宽度，这个脉冲会再一次的供给脉冲宽度，这个脉冲会再一次的供给 IR2117 来来调节调节 LED 的电流。通过这个过程调整被控制量，的电流。通过这个过程调整被控制量，使被控制量与设定值保持一致，形成闭环控制回使被控制量与设定值保持一致，形成闭环控制回路。路。当IR2117的接收端IN收到来自TL494产生的控制脉冲波62过流保护电路过流保护电路63n这个部分是恒流源驱动电路中的过流保护电路。当负载端电流过大时，这个部分是恒流源驱动电路中的过流保护电路。当负载端电流过大时，在在 R109 上的分压就会变大，导致上的分压就会变大，导致 Q103 打开，此时的打开，此时的 IRF640 的的 G 极为地电位，极为地电位，IRF640 截止，电路对截止，电路对 LED 不供电。这样的一个电路，不供电。这样的一个电路，很好的保护了负载很好的保护了负载 LED。这个部分是恒流源驱动电路中的过流保护电路。当负载端电流过大时64系统放电流程图系统放电流程图65n蓄电池对蓄电池对 LED 放电的流程包含了不同的工作模式，放电的流程包含了不同的工作模式，同时还要控制放电功率的大小和放电时间的长短。同时还要控制放电功率的大小和放电时间的长短。在本系统的设计中，我们一共设计了多种工作模在本系统的设计中，我们一共设计了多种工作模式，在这多种模式当中，有常规模式和强制模式。式，在这多种模式当中，有常规模式和强制模式。不同的常规模式具有不同的放电时间，不同的放不同的常规模式具有不同的放电时间，不同的放电功率。强制模式是一种特殊模式，这种模式是电功率。强制模式是一种特殊模式，这种模式是强制性的接通蓄电池和负载回路，无论当时正处强制性的接通蓄电池和负载回路，无论当时正处于什么模式，一旦强制模式接通，就必须按照强于什么模式，一旦强制模式接通，就必须按照强制模式来运行。通常强制模式用于调试和应急的制模式来运行。通常强制模式用于调试和应急的情况。情况。蓄电池对 LED 放电的流程包含了不同的工作模式，同时还要控66过流保护流程图过流保护流程图67n放电过程开始，系统开灯，此时检测放电电流是放电过程开始，系统开灯，此时检测放电电流是否大于否大于 3A，超过，超过 3A 认为放电电流过大，需要采认为放电电流过大，需要采取保护措施，切断放电回路。取保护措施，切断放电回路。放电过程开始，系统开灯，此时检测放电电流是否大于 3A，超过68设计优化n通过当地经度纬度，海拔和太阳高度角计算电池通过当地经度纬度，海拔和太阳高度角计算电池板倾斜角。板倾斜角。n通过以当地光照因素测试在最为阴天较多的月蓄通过以当地光照因素测试在最为阴天较多的月蓄电池连续盈亏值和光照较为强烈的月份的连续过电池连续盈亏值和光照较为强烈的月份的连续过充值来选择合理的蓄电池容量和太阳能电池板。充值来选择合理的蓄电池容量和太阳能电池板。使得在全年中都可以保证正常工作。使得在全年中都可以保证正常工作。n通过调整合适的电路设计降低功耗。提高性能稳通过调整合适的电路设计降低功耗。提高性能稳定性。定性。设计优化通过当地经度纬度，海拔和太阳高度角计算电池板倾斜角。69优化后的路灯和优化前的比较n通过优化后和优通过优化后和优化前比较可以明化前比较可以明显降低设计成本，显降低设计成本，并且也可以保证并且也可以保证太阳能光照系统太阳能光照系统全年可靠的使用。全年可靠的使用。优化后的路灯和优化前的比较通过优化后和优化前比较可以明显降低70