用于太阳能照明系统的智能控制器

清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）太阳能电池、蓄电池、照明灯具和控制器这几部分组：2002-）7-18成。运行中包括充电、供电照明、等待3种工作状态。：吴理博（1980-），男（汉），湖北，博士研究生。 ◎在现有的太阳能照明系统中，普遍存在着效率此‘通讯联系Z1人18赵争鸣，1教授S博料E-mail：你espok.cntd.net短、运行不稳定等问题，提出了I种应用于太阳能照明系统的新型智能控制器。控制器实现了基于单片机89C51的工作状态控制和蓄电池能量智能管理，满足了太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求。太阳能电池*大功率点跟踪和蓄电池充电精确控制也在此控制器中得到实现。试验结果表明，应用此智能控制器的太阳能照明系统效率高、运行稳定，蓄电池寿命可从2a延长到3a以上。 放电615：A太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。放电电路主要包括一个高效率的DC-）C变换器，为照明负载提供匹配电压。为与光效率更高的照明灯具配合，变换器采用推挽结构的直流升压电路以提高输出电压。而基于单片机的能量管理电路，通过检测太阳能电池输出和蓄电池电量，从而确定系统工作状态，实现了整个系统的自动控制和智能管理。 1太阳能照明系统的组成采用所提出的智能控制器的太阳能照明系统的结构框图如所示。系统由光伏阵列、蓄电池、照明节能灯和智能控制器组成。虚线框中部分即为新型智能控制器的结构框图，它由充电电路、放电电路（推挽结构的DC-DC变换器）和控制电路3部分组成。下面将介绍系统各组成部分的特性和配合。 太阳能电池：太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。在白天光照条件下，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，输出端开路。 蓄电池：作为太阳能照明系统的储能环节，白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到照明负载。全天中智能控制器的电源一直由蓄电池供给。 照明灯具：照明灯具一般选取寿命长、发光效率高的节能灯，以提高效率和系统的稳定性。 系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。随着光伏产业的迅速发展，太阳能电池的价格正在逐步下降，然而它仍是整个系统中*昂贵的部分。它的容量影响着整个系统的成本。 相比而言，蓄电池价格较为低廉，因此可以选取相对较大容量的蓄电池，尽可能充分利用太阳能电池所发出的功率。另外，在与照明负载配合时，应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。 2系统各运行状态分析系统运行包括充电、供电和等待3种工作状态。 系统的每个运行周期都由这3种工作状态组成。控制器根据环境和系统条件，选择合适的工作状态，进行蓄电池能量管理，使系统性能发挥到*佳。 2.1充电状态白天太阳能电池板经充电电路给蓄电池充电。 充电电路根据蓄电池状态选取不同的充电方式进行分阶段充电。充电电路输入接太阳能电池，输出接蓄电池正负极。因为太阳能电池板在低输出电压阶段具有电流源特性，因此用它作电源可以不考虑负载的过流问题。实际电路设计中在主回路加入二极管防止蓄电池对太阳能电池的反向放电。 2.2供电状态天黑后，控制器检测到太阳能电池无输出，则在设定时间后自动开启放电电路。此部分电路等效于一个智能开关，是采用脉宽调制（PWM）控制的推挽放大电路。 2.3等待状态在太阳能电池板输出为零的前提下，如照明设定时间到、或蓄电池电量不足，则停止供电照明，系统进入等待状态。蓄电池仅为控制器提供电源。理由基于单片机89C51的控制电路实现。其控制信号为太阳能电池输出电压。白天光照条件下，控制电路检测到太阳能电池有正常输出，则开启充电电路，关闭放电电路，系统工作在充电状态下。天黑后，太阳能电池输出电压降低到1V以下，此时控制电路关闭充电电路，开启放电电路，系统供电照明。状态控制电路通过状态互锁避免误动作，保证照明系统工作的稳定性。控制电路具有定时功能。 能量管理模块通过监测系统工作状态和统计蓄电池电量选择系统的工作方式，防止对蓄电池过充电和深度放电，同时尽可能满足照明需求。照明方式包括不间断、定时和节能3种方式，采用方式根据充电结束时蓄电池电量进行选取。根据不同的照明负载，还可以灵活选择供电输出方式，在需要的场合可加逆变模块对交流负载进行供电。 3蓄电池充电策略太阳能照明系统工作在充电状态时，一方面希望能保持太阳能电池输出功率*大，一方面又要考虑到蓄电池不同电量时的电流接受能力。因此，根据蓄电池的不同状态，充电电路采取两种不同策略进行充电控制。 3.1太阳能*大功率点跟踪快充阶段蓄电池的电流接受能力大于太阳能电池经充电电路后的输出能力。因此，可以只考虑如何实现太阳能电池的*大功率输出。控制器实现了太阳能电池*大功率点的一阶跟踪。 是在一定温度时，不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线。由所示的功率电压曲线可以看到，每条曲线都存在着一个*大功率输出点，并且这个*大功率点在当前的光照条件下是惟一的。在实际应用系统中采用的一阶MPPT正是利用了*大功率点的如/dv为零的特性。先对太阳能电池的输出电压和电流进行连续地采样，并将每次采样的一组电压电流数据相乘折合成功率值，然后减掉上一次采样得到的功率值，即为功率差分值。当功率达到*大值时满足式2.4状态控制与能量管理快充阶段结束后，因为太阳能电池的输出能力*系统不同土作状态的控制转换和电池能量管舰己超出蓄电池的接受能力，控制器停止对太阳能电近似认为达到*大功率点，这样就构成了*大功率点跟踪的一阶差分算法。 池的MPPT控制，转为恒定电压控制（CVT）。 3.2蓄电池充电方法蓄电池的使用，归根结底是如何利用蓄电池的充放电特性。有效、科学地使用蓄电池，对提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命，十分关键。 对于一个蓄电池而言，选择适当的充电方法，不只可以延长蓄电池的使用寿命，而且还可以提高充电效率。这就需要准确判断蓄电池的充电状态从而选取充电电路的工作状态。控制器使用的充电电路采取了快充、过充、浮充3个阶段的充电方法：快充阶段：在快充阶段，充电电路的输出等效于电流源。电流源的输出电流根据蓄电池的充电状态确定，为蓄电池*大可接受电流/M1AX.充电过程中，电路检测蓄电池端电压。当蓄电池端电压上升到转换门限值后，充电电路转到过充阶段。 过充阶段：在过充阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压Voc，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值/OCT时，认为蓄电池电量己充满，充电电路转到浮充阶段。 浮充阶段：在浮充阶段，电路给蓄电池提供一个精确的、带温度补偿功能的浮充电压I 3.3浮充电压温度补偿蓄电池在充满电后，保持电量的*好方法就是加一个恒定电压到蓄电池上。这对充电电路提出了提供合适浮充电压的要求。浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电池的自放电电流；又不能太大，以免导致蓄电池内部因过充而发生化学成分的分解。在适当的浮充状态下，全封闭免维护铅酸蓄电池能够稳定工作610a.而浮充电压即使只有5%的偏差，也会使蓄电池的寿命减半。 必须考虑的是，铅酸蓄电池的电压特性具有明显的负温度系数，2V的电池约为-4.0mV/*C.也就是说，一个在25*C能够正常工作的充电器，在0C时就不能提供和保持足够的电量；相对地，50C时这个充电器会导致严重的过充。合理考虑温度变化范围，充电器应该根据蓄电池的温度系数给予某种形式的补偿。实际采取式（2）确定浮充电压Vf，其中Vf和T分别为基准点的电压和温度值，c为电压温度系数，控制器中，围绕充电控制芯片UC3906组成的充电电路有效地满足了以上要求。它同时检测充电电压、充电电流和蓄电池温度，根据蓄电池状态可以提供3种充电状态还包括有充电状态下的过流、过充保护，浮充状态下的温度补偿等功能。可以使蓄电池的寿命得到*大限度的延长。 4供电电路实现方法放电（供电）电路采用无工频变压器的推挽结构开关电源设计。无工频变压器开关电源是利用体积很小的高频变压器，取代体积笨重的工频变压器，来实现电压转换与隔离，具有体积小、重量轻、效率高等优点。脉宽调制器是这类开关电压的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。原理示意图如所示。 其中：q为占空比，n为变压器绕组比，n=Ni*N2.控制器中实现的推挽放大电路开关频率为50kHz，输入直流电压12V，输出直流电压300V.试验装置实测数据表明，采取这种设计的供电电路效率高、输出电压稳定，平均效率能达到90%以上，从而有效地提高了整个系统的效率。 5调试结果与试验波形建立了所示结构的太阳能照明系统，并进行了试验。系统组成包括：60A时12V直流全封闭免维护铅酸蓄电池，46W太阳能电池板2块，12W双U形节能灯和照明控制器。 表1为充电状态快充阶段蓄电池端电压与充电电流的试验数据，蓄电池初始电量为容量的30%.表1快充阶段蓄电池电压-电流表时间蓄电池端电压/V充电电流/A注：由于日照强度变化快，相应充电电流也有一定起伏，各时间点充电电流为该时间点起10min内平均值。 快充阶段结束后，充电转入过充和浮充状态，充电电流迅速减小。 供电状态下，蓄电池输出电流约为1A，随蓄电池端电压有所变化。推挽电路中功率MOSFET管根据变压器匝数比和推挽电路输入输出电压进行理验结果证实，系统运行在充电和供电状态时都具有很高的效率。 6结论本文介绍了一种应用于太阳能照明系统的新型智能控制器。控制器由充电、放电和能量管理3部分电路组成。充电电路实现了蓄电池的充电控制和太阳能电池的一阶*大功率点跟踪；供电电路采用推挽结构的无工频变压器开关电源设计，输出接照明负载；*后，基于单片机89C51的能量管理电路通过检测外部环境状态和蓄电池能量，选择系统工作状态，实现了整个系统的自动、稳定运行。试验和运行结果表明，应用此智能控制器的太阳能照明系统，具有效率高、稳定性好的优点，并能长期自动运行在免维护状态下，具有广阔的应用前景。