太阳能LED路灯照明系统的研制

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2010 年 6 月电工技术学报 Vol.25 No. 6 第 25 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jun. 2010 太阳能 LED 路灯照明系统的研制杨晓光汪友华丁宁寇臣锐（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津 300130 ）摘要开发了一种新型太阳能 LED 路灯照明系统。依据太阳能电池、蓄电池和大功率 LED的特性，设计了充放电电路。为了减小功率损耗，充电电路采用了同步 Buck 结构；并采用 IR2103实现了同步 Buck 两个开关管的有效驱动。放电电路采用恒流控制以获得 LED 的最大发光效率。采用单片机 ATMEGA16 实现充放电控制；并与上位机之间实现了数据通信，以便于系统的调试和维护。提出了通过追踪太阳能电池对蓄电池的最大充电电流来实现太阳能最大功率点跟踪（ MPPT）的方法，并根据蓄电池的状态分别采用了 MPPT 充电、过充和浮充策略。长期测试结果表明系统运行稳定，充放电状态正确，数据通信正常，充电效率约为 86。对比试验验证了所提 MPPT 算法的有效性。关键词太阳能电池充电器同步 Buck 最大功率点跟踪 LED 照明中图分类号 TK513 Development of a System of Solar LED Street Lamp LightingYang Xiaoguang Wang Youhua Ding Ning Kou Chenrui （ Hebei University of Technology Tianjin 300130 China ）Abstract A novel system of solar LED street lamp lighting was developed. Based on the characteristics of solar cell, storage battery and high power LED, the charging and discharging circuits were designed, respectively. To reduce the power loss, a synchronous Buck topology is applied to the charger, and a chip IR2103 is applied to effectively drive the two switches of the synchronous Buck converter. To achieve the maximum luminescent efficiency of LED, a constant current control technique is used for the discharging circuit. ATMEGA16 is used to control the charging and discharging process; and it is also used to communicate with the host computer for system debugging and maintenance. A new maximum power point tracking MPPT method is proposed. This method is implemented by tracking the maximum storage battery charging current from solar cell. According to the storage battery condition, the MPPT charging, constant voltage charging, and floating charging were applied to the charger, respectively. The long-term test results show that the developed system works stably, and the charging, discharging and the data communication status are correct. The charging efficiency is about 86. The contrast test results validate the proposed MPPT method. Keywords Solar battery, charger, synchronous Buck converter, MPPT, LED, lighting 1 引言太阳能作为一种新兴的绿色能源，正得到迅速的推广应用。其中，太阳能照明系统具有广泛的应用前景。系统的基本组成包含太阳能电池、蓄电池、照明灯具和充放电控制器。目前，太阳能独立光伏照明系统已经获得了广泛和深入的应用研究，但系统的效率、可靠性、稳定性和使用寿命等方面都有待进一步提高。文献中现有的太阳能充电器的 DC/DC 转换电路为 Buck [1-3] 、 Boost[4] 、 Cuk[5] 和 Buck-Boost 变换器 [6-7] 。这些变换器上续流二极管的耗损较大，降低收稿日期 2009-12-15 改稿日期 2010-01-05 第 25 卷第 6 期杨晓光等太阳能 LED 路灯照明系统的研制 131 了充电器的效率；对于较大功率的充电器还需要在这个器件上配置较大散热器以保证器件的正常运行，增加了充电器的成本和体积。本文开发的样机采用 Buck 结构；不同的是，用 MOSFET 取代续流二极管，以减小续流二极管上损耗，即同步 Buck 。与目前现有的系统 [1-7] 比较，本文在独立光伏系统的基础上开发了上位机监控系统以便于太阳能充放电系统的调试和维护。2 系统组成所开发的太阳能路灯照明系统如图 1 所示，其中点划线框内为一独立光伏 LED 照明系统。系统包括太阳能电池板、蓄电池、照明 LED 灯、充电电路、放电电路和 ATMEGA16 单片机。其中，充放电控制、电压、电流和温度采样部分实现的功能为①根据蓄电池的状态选择不同的充电方式。② LED 照明时间可选择自动控制或定时控制。③在离线状态时采样太阳能电池的开路电压，在充电状态时采样太阳能电池的输出电压和电流。④采样蓄电池端口的电压和电流值，包括充电和放电两种状态。⑤蓄电池温度采样。图 1 中的上位机可与 ATMEGA16 单片机进行数据通信。图 1 系统组成Fig.1 System composition 3 光伏照明系统3.1 容量配置在太阳能照明系统的设计中，根据太阳能电池功率和蓄电池容量的组合关系 [8,10] 选择太阳能电池板和蓄电池。本文所选择的太阳能电池板在标准测试条件的参数为短路电流 I sc5.35A ，开路电压Voc46.0V ，最大功率点电流 Im4.78A ，最大功率点电压 Vm36.5V ，最大功率 Pm165W 。蓄电池为 12V ，200A · h 的阀控式免维护铅酸蓄电池。3.2 充电电路充电电路的设计基于所选择的太阳能电池和蓄电池的具体输出特性。测试表明当太阳能电池的输出只有 1W 时，其峰值电压约为 18V，大于蓄电池的浮充电压 14.5V 。因而充电电路选择了 Buck 电路。由于传统 Buck 电路中续流二极管上的损耗很大，本文中采用 MOSFET 取代二极管，即同步 Buck。功率开关管选择了 NMOS 管。其原因是， NMOS管的通态电阻要比同性能的 PMOS 小得多，因而通态损耗小；并且在相同性能指标情况下， NMOS 价格比 PMOS 低。NMOS 管导通的条件是 GS GSthU U≥ ，即栅源电压为正并大于阈值电压，但又要确保栅源压差不要超过 20V。根据太阳能电池的输出特性可知，本Buck 电路最大导通输入电压是 36.5V ，如果要保证开关管的导通状态，栅源电压 GS GSthU U≥ ，栅极的高电压应是 36.5V 加上栅源之间的阈值电压。为了满足这一要求，驱动电路采用了高压浮动 MOS栅极驱动芯片 IR2103 。在以前的样机开发中，使用的是 IR2110，考虑到 IR2103 较之 IR2110 体积小并且价格便宜，因而在新的样机开发中选择了IR2103 。由于浮置电源采用了自举电路， IR2103 的高端工作电压可达 600V。 IR2103 输出的驱动电压范围为 10～ 20V，逻辑电源电压范围为 5～ 15V。输出采用低阻抗的图腾柱结构，输出电流 130/270mA 。开关时间典型值为导通 680ns，关断 150ns，死区时间 520ns。实验表明，当脉冲频率变低时，应增大自举电容，否则输出波形会出现失真。同步 Buck 主电路及其驱动芯片的连接方式如图 2 所示。需要说明的是蓄电池本身就是一个等效的大电容，考虑到一定范围内的纹波电流大小并不影响蓄电池的性能，在本设计中没有用滤波电容，以减小所开发的充电器体积。图 2 IR2103 驱动同步 Buck 电路Fig.2 Synchronous Buck converter driven by IR2103 132 电工技术学报 2010 年 6 月短接在一起的 Hin 和 Lin 引脚接收来自单片机的 PWM 信号，其高电平会触发 HO 引脚上连接的主开关管，相应的， PWM 低电平会触发 LO 引脚上连接的续流开关管。3.3 放电电路本文选择额定功率为 1W 、额定电流 350mA 的白光 LED 作为光源。所选择的 LED 伏安特性测试曲线如图 3 所示。图 3 1W LED 特性曲线Fig.3 Characteristic of 1W LED 照明需求为 32W。为了满足节能的需要，分为两路，每路 16W 单独由 Boost 电路驱动，每一路又分为两组， 8 个串联为一组，将两组并联。由图 3可以看出 LED 的驱动电流对电压很敏感，微小的电压扰动将导致电流很大的变化，造成其发光质量下降。因而，为了确保 LED 的发光效率， LED 灯采用了恒流控制。本系统中蓄电池供电电压在 11.8～ 13.5V 之间，8 个大功率 LED 串并联而成的灯具电压在 26V 左右，因此本文采用 Boost 电路来实现 LED 负载驱动。MOSFET 的驱动采用推挽式结构，与单片机系统共地，直接接收单片机 PWM 信号。推挽部分采用三极管，满足 MOSFET 需要的栅极驱动电流。PWM 高电平驱动 NPN 管导通， MOSFET 得到灌电流而导通；相应地， PWM 低电平驱动 PNP 管导通，MOSFET 栅极被拉到低电平而关断。系统满足放电条件后，开启 Boost 电路，对 LED 负载进行恒流控制，使之稳定运行在 350mA 的电流。图 4 LED 驱动电路Fig.4 Drive circuit for LED 3.4 单片机的选择充放电综合控制是通过以单片机为核心的控制系统来实现的。目前，市场上的单片机种类繁多，选择适合的单片机类型是问题的关键。在以前样机开发中，使用了 STC89C52 单片机，而本文样机的开发所选择的单片机为 ATMEGA16 ，其原因如下（ 1）太阳能充电器 MPPT 的实现是通过调节开关管 PWM （脉冲宽度调制）的占空比来实现的。ATMEGA16 具备灵活的 PWM 单元，可直接输出PWM 波。而对于 51 等不具备内部 PWM 单元的单片机需要额外的 PWM 波形发生器。（ 2）在充电器运行过程中需要对电压、电流和温度信号进行采样， ATMEGA16 具有最高 10 位的片上 A/D （模 /数转换器），不需要外部配置。（ 3）由于充电器的控制系统和主电路在同一块PCB 板上，因而系统的稳定性和抗干扰能力尤为重要。 ATMEGA16 具备片上看门狗，一旦发生死机能有效重启；而且 ATMEGA16 不需要外部晶振，能有效缓解外部干扰对单片机系统的影响。这两个特点很大程度上提高了系统的稳定性和抗干扰能力。（ 4） ATMEGA16 内建的串行通信接口 USART（通用同步和异步收发器）是一个高度灵活的串行通信设备。本系统中，串口的任务是与上位机双向通信。3.5 充电算法对于一个蓄电池，选择适当的充电方法，不仅可以提高充电效率，而且能够延长蓄电池的使用寿命。根据蓄电池不同的充电状态采用快充、过充和浮充三阶段充电方法可取得良好效果 [1,11] 。当蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限时，进行快充；当检测到蓄电池端电压达到电压上限时，采用恒压充电；当检测到充电电流小于某一定值时，认为蓄电池已经充满，转为浮充。浮充时，充电电路给蓄电池提供一个精确的、带温度补偿的浮充电压 VF， VFVF0 T- T0C，其中 VF0、 T0 分别为基准点的电压和温度值， C 为电压温度系数 [1,11] 。目前太阳能电池最大功率跟踪的方法很多 [4,6-7,12-13] ，而应用较多的算法有恒压跟踪法、爬山法（又称干扰或观察法）和增量电导法等。恒压跟踪法是一种近似最大功率跟踪方法。爬山法有比较好的跟踪效率，且实现简单，是最常用的方法，但它跟踪时波动较大，在光强迅速变化时可能误动作。增量电导法的最大优点是能快速地跟踪光强迅速变化引起的最大功率点的变化，有较好的跟踪效第 25 卷第 6 期杨晓光等太阳能 LED 路灯照明系统的研制 133 果，但硬件实现难度较大。对于太阳能 LED 照明系统来说，太阳能电池输出功率的最大跟踪，等效于蓄电池输入功率的最大跟踪。由蓄电池的特性可知，在太阳能电池对蓄电池的充电过程中，相对于蓄电池的充电电流的变化，蓄电池电压变化很小。从而，在一个非常短的时间段内可以认为蓄电池的电压是恒定的，而蓄电池充电功率的变化决定于充电电流的变化。实验结果也表明了这一规律。因而，本文的思路是，通过追踪太阳能电池对蓄电池的最大充电电流，来等效实现太阳能电池最大功率点的跟踪。与其他方法相比，该方法简单，并可以减轻单片机的运算负担，更适合工程应用。4 上位机管理系统为了方便路灯充放电控制器的调试和维护，本文开发了上位机管理系统。该系统采用一 PC 作为上位机，为操作人员提供操作界面，内嵌了通信协议。该系统具有的功能读取和修改路灯时钟；读取蓄电池电极的温度；读取光伏电池电压和电流，蓄电池电压和电流，各路 LED 工作电流，并可实时记录数据；修改照明时间；可手动调整充电电路的占空比，以调试和验证充电算法。上位机程序的开发采用了 Visual Basic 6.0（ VB 6.0）。 VB 6.0 所具有的窗体、按钮、文本框等控件使得人机交互界面开发容易。上位机与路灯系统通信协议的设定以及合理的指令格式是程序开发的关键。程序中约定接口 RS232；波特率 9600bit/s ；数据格式 8 位数据位； 1 位停止位，无校验。5 测试结果与分析当充电器处于最大电流跟踪充电状态时，主开关管和续流开关管 IRF540 栅源与漏源实测电压波形分别如图 5 和图 6 所示。栅源高电压 12Ｖ，大于功率管 IRF540 的栅源阈值电压（ 2～ 4V ）。漏源高电压 35V 。实验波形说明，高压悬浮驱动电路能有效地驱动功率管工作。从实验波形上还可以看出，在主开关管关断时刻，有较小的振荡。这是考虑到ATMEGA16 具有较强的抗干扰能力，为了简化电路设计并减小充电器体积，没有采用吸收和缓冲电路。在以前的工作中，用单片机 AT89S52 作为控制核心，开关电压的振荡影响到控制系统的稳定性；而采用缓冲和吸收电路后，有效地解决了这一问题。这表明 ATMEGA16 较之 AT89S52 具有更强的抗干扰性。图 5 主开关管的栅源 - 漏源电压波形Fig.5 Waveforms of gate-source and drain-source for master switch 图 6 续流开关管的栅源 - 漏源电压波形Fig.6 Waveforms of gate-source and drain-source for free-wheeling switch Boost 放电电路开关管的栅源与漏源电压波形如图 7 所示。栅源电压为 5V，大于功率管 2sk1748（贴片封装）的栅源阈值电压。漏源电压的高电压为 29V。由图中可以看到，开关管开通时刻发生了明显的振荡。同样，考虑到 ATMEGA16 具有较强的抗干扰能力，为了简化电路设计，没有采用吸收和缓冲电路。图 7 Boost 开关管的栅源 - 漏源电压波形Fig.7 Waveforms of gate-source and drain-source for Boost switch 134 电工技术学报 2010 年 6 月测试表明流过 LED 负载的电流稳定于350mA 。 LED 负载电压波形如图 8a 所示，负载电压约为 26.2V 。为了进一步分析纹波和尖峰电压，进行局部放大如图 8b 所示，纹波在 ± 4mV之间，尖峰在 20～ 25mV 左右。因而纹波和尖峰电压对 LED负载的影响可以忽略。（ a） LED 负载电压波形（ b）尖峰波形图 8 LED 负载电压和尖峰波形Fig.8 Voltage waveforms and spike voltage of LED 图 9 为太阳能电池对蓄电池充电过程中太阳能电池的输出电压连续变化曲线（测试时间 2008 年1 月 1 日的一段时间；测试地点天津市区）。该曲线是通过所开发的上位机管理系统应用程序获得的。系统设定每 5min 采样一次。其他参数变化曲线也可通过该方式获取。通过图中的“系统参数”和“高级控制”可实现本文第 4 节所述的上位机管理系统的其他功能。图 9 太阳能电池输出电压变化曲线Fig.9 Plotting of solar battery output voltage 表 1 为一天内完整的充电测试结果。蓄电池初始电量约为额定容量的 65。 736 ，充电电路开始运行，太阳能电池输出功率 0.88W ；此时测量的太阳能电池开路电压为 29.6V ，短路电流为0.05A ，蓄电池电压为 12.5V 。该天的最后一组测试数据为 1643 ，太阳能电池输出功率 1.12W 。之后，由于日照太弱，系统停止充电。此时测量太阳能电池开路电压为 28.1V ，短路电流为 0.65A 。表 1 蓄电池充电过程Tab.1 Storage battery charging procedure 时间太阳能电池输出电压/V 太阳能电池输出电流/A 蓄电池端电压/V 充电电流/A 充电效率（）736 17.6 0.05 12.51 0.02 28.4 830 28.5 0.19 12.65 0.39 91.1 900 36.4 0.52 12.70 1.23 82.5 1000 35.2 1.90 13.52 4.47 90.4 1100 34.2 2.78 14.01 5.53 81.5 1200 33.8 2.98 14.07 6.10 85.2 1300 34.5 2.69 14.07 5.70 86.4 1400 35.6 2.11 13.94 4.63 85.9 1500 34.1 1.46 13.71 3.39 93.3 1600 35.3 0.39 13.13 0.81 77.3 1643 18.7 0.06 12.80 0.01 11.4 在充电电路启动和停止充电时刻，太阳能电池的输出功率约为 1W。实际上，只有早上和傍晚很短的时间内太阳能电池的输出功率小于 1W ，实测表明在白天即便很差的天气条件下太阳能电池的输出功率也大于 1W。因而，本文所设计的基于同步Buck 电路的充电器能充分利用太阳能电池的能量。从表 1 中的充电效率（蓄电池的输入功率与太阳能电池的输出功率的比值）看，在早上和傍晚日照很弱的情况下，充电器的效率很低。在日照较强时，其充电效率约为 86。由于所开发充电器中的电感元件是利用废旧磁心自己绕制的，因而性能较差，试验中其发热较大，降低了充电器的效率，这也是本文以后需要改进的工作。为了验证所提出的方法是否能够实现对光伏电池的最大功率点的跟踪，设计了以下对比试验。一方面，使路灯系统自动运行于 MPPT 工作方式，在系统寻找到最大功率点后获取系统的光伏电池输出电压、电流数据；另一方面，采用如图 10 所示的试验电路测量同期的光伏电池在不同负载阻抗下的真实工作点，寻找真实最大功率点。将系统自行寻找的最大功率点与真实最大功率点进行比较，以验证图 10 试验电路Fig.10 Test circuit 第 25 卷第 6 期杨晓光等太阳能 LED 路灯照明系统的研制 135 系统的 MPPT 效果。测试结果分别见表 2 和表 3。需要说明的是，这样的对比试验只有在日照较稳定的短时间内才是有效的。表 2 采用滑动电阻负载光伏电池输出值Tab.2 The output value of the solar cell with slide resistor 测式点光伏输出电压 /V 光伏输出电流 /A 光伏输出功率 /W 1 35.5 1.32 46.86 2 35.5 1.39 49.34 3 35 1.46 51.1 4 34.5 1.54 53.13 5 34.5 1.64 56.58 6 34 1.73 58.82 7 33.5 1.84 61.64 8 33 1.96 64.68 9 32.5 2.09 67.92 10 31.5 2.25 70.88 11 30.5 2.43 74.12 11* 29.5 2.60 76.7 12 26.5 2.75 72.88 13 24 2.85 68.4 14 21 3.02 63.42 15 17.5 3.03 53.02 16 13 3.06 39.78 17 10 3.05 30.5 18 2.5 3.12 7.8 * 光伏电池的最大功率点为第 11 个测试点光伏电池输出电压 29.5V ，输出电流 2.60A ，输出功率 76.7W 。表 3 系统自动寻找的最大功率点Tab.3 The maximum power point obtained by the system 光伏输出电压 /V 光伏输出电流 /A 光伏输出功率 /W 最大值 30.3 2.49 75.32 最小值 30.8 2.39 73.71 由表 2 和表 3 可以看到，通过滑动电阻负载得到的最大功率点和系统自动找到的最大功率点相吻合，这说明所提出的算法是有效的。在相同的条件下和同样的时间段内，所开发的样机自动找到的最大功率点在 75.32W 和 73.71W 之间，见表 3。下面利用表 1 中的测量结果来进一步验证本文提出的 “通过追踪太阳能电池对蓄电池最大充电电流来实现太阳能最大功率点跟踪”方法的有效性。表 1 中给出了 11 个测量点，对测量数据进行归一化处理，可得， Ii i/i max ， Uui/umax 和 Ppi/pmax ，其中， i i 和 ui 为表 1 中的第 i i1,2, ,11个蓄电池充电电流和电压值， imax 和 umax 分别为表 1 中充电电流和电压的最大值。 pi uiii 为蓄电池对应的输入功率， pmax umax i max 为蓄电池对应的最大输入功率。将 i i/i max 、 ui/umax 和 pi /pmax 绘于图 11 中。图 11 蓄电池充电电流、电压和功率的变化趋势Fig.11 Changing trends of the charging voltage, charging current and charging power of the storage battery 由图 11 可以看出，相对于蓄电池的充电电流，其充电电压变化缓慢，蓄电池的输入功率变化曲线与充电电流的变化曲线吻合程度很好。这表明，本文所提出的充电方法是有效的。6 结论（ 1）本文所设计的太阳能电池充电器采用同步Buck 结构，减小了开关损耗，提高了效率。同时，由于开关损耗减小了，主开关管和续流开关管上散热器体积减小。（ 2）对比试验验证了所提出的通过追踪蓄电池最大充电电流来实现太阳能最大功率点跟踪的有效性。（ 3）测试表明，所开发的充放电控制器能够正确地工作于充电、供电和等待三种状态。充电电路启动和停止时刻，太阳能电池的输出功率约为 1W ，这表明，所设计的充电器能充分利用太阳能电池的能量。（ 4）上位机管理系统的开发使得充放电控制器的调试和维护更加便利。136 电工技术学报 2010 年 6 月参考文献[1] 吴理博 , 赵争鸣 , 刘建政 , 等 . 独立光伏照明系统中的能量管理控制 [J]. 中国电机工程学报 , 2005, 2522 68-72. 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