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1、精品_精品资料_高亮度 LED太阳能路灯照明系统设计方案摘要：在传统的太阳能路灯系统中,通常经过防电流倒灌二极管将太阳能板与蓄电池直接相连,这 将导致太阳能板的利用效率低,同时简单使蓄电池长期处于欠布满状态,造成其使用寿命的缩减. 本文在讨论太阳电池电路模型的基础上,提出了一种数模混合的最大功率点追踪Maxim PowerPoint Tracking,简称 MPPT）策略,它可最大程度的利用太阳能,同时对固态光源LED 的驱动电路做了讨论,最终用试验验证了该方案的高效性和有用性.1 引言随着固态光源的进展, LED 的应用已不再仅仅局限于指示灯领域,它凭借寿命长,光效高等优点在现代照明体系中日
2、益凸现优越性.相伴着光伏技术的进展,大功率高亮度LED 更以其高效、节能而进一步引起了社会各界对该光源的广泛关注.但目前,LED 太阳能路灯仍存在因灯驱动电路导致LED 光衰现象及太阳能利用率不高等不足.业界普遍认为LED的恒流驱动对抑制光衰成效显着.传统的太阳能路灯充电系统中,通常经过防电流倒灌二极管将太阳能板与蓄电池直接相连,这将导 致太阳能板的工作点偏移最大功率点 MaximPower Point, 简称 MPP）,而未有效利用太阳能板的可输出功率.同时简单使蓄电池因供能不足而长期处于欠布满状态,造成寿命缩减.本文在讨论太阳电池电路模型的基础上,分析了恒压追踪1 、扰动观看 2,3等最大
3、功率追踪 MPP Tracking, 即MPPT）法,提出了一种数模混合的 MPPT策略,它可使太阳电池的输出稳固在MPP邻近,从而有效利用了太阳能板可输出的最大功率.2 太阳电池的电路模型图 1 示出太阳电池的电路模型.通常,材料内部的等效并联电阻Rsh 值大,而材料内部的等效串联电阻 Rs 值很小.图中 Is-由光生伏特效应产生的电流输出负载 RL 上的电压电流关系为：式中 q,k-电子电荷量及波耳兹曼常数A- 太阳能板的抱负因素, A=15 T- 太阳能板的温度Ios-太阳能板的逆向饱和电流,与 T 有关由上述关于太阳能板电路模型的分析可见,太阳电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化
4、的 复杂变量.图 2 示出太阳电池在标准测试条件下,即光照1kW/m2 ,T=25 时的典型输出特性.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_太阳能板的输出开路电压 uoc 和输出短路电流 isc 的值由生产厂给出.3 电路工作原理目前,市场上绝大部分太阳能路灯都是通过防电流倒灌二极管将蓄电池与太阳能板直接相连以充电的.图 3 示出传统的充电电路.这种做法的弊端是它将使太阳能板的输出电压Uarr被蓄电池箝位在其电动势 12V 左右,也即其工作点被限制在图 2 的 Q 点,这将使太阳能板的输出功率Parr大幅度降低.在太阳能板与蓄电池组中加入 DC/DC电路,通过对其进行掌握,调剂Uar
5、r, 从而使其稳固在图 2 的P 点,以便能有效利用太阳能板的可输出功率.在标准测试条件下,太阳电池的正确工作电压与其开路电压之间存在一个特定的比例关系,基于该思想产生了恒压跟踪MPPT策略,但在非标准条件下,其有用性较差.利用扰动开关管的工作占空比D,直至输出功率 Parr达到最大的扰动观看法, 在查找 MPP上更具通用性.对于 Buck 电路,存在 UarrD=Ubat 关系,所以：式中 Ubat -蓄电池电压式1）代入得：由图 2 可知,在 MPP时, dParr /dUarr=0,d2Parr /dUarr2）0, 因此可由式 3）和式 4）化简为：因此,输出功率和 D 的关系与图 2
6、 中的 P 和 U关系相像.从而可通过扰动 D,实现输出功率的变化,并查找出 MPP由. 于输出电压即蓄电池的充电电压短期内变化不大,在进行D 扰动查找 MPP期间可近似认为恒定,因此输出功率的大小直接反应在输出电流即蓄电池的充电电流上,通过采样该可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_充电电流值,从而判定出输出功率随D 扰动的变化情形,以便进行 MPPT为. 了提高掌握精度和驱动才能,单片机与开关管间加入了D/A 转换和 PWM芯片,图 4 示出其主电路拓扑.4 最大功率点追踪 MPP）T电路查找 MPP的工作原理可简述为：通过不断转变开关管驱动信号的D, 直至蓄电池的充电电流达到最
7、大,此刻即可认为太阳电池的输出功率达到最大,实现太阳电池的最大功率点追踪.在查找MPP 过程中,依据 D 的扰动情形,输出功率有 3 类模式,对应 9 种大小关系.依据上述模式变化,扰动开关管的D, 当检测到当前输出功率与 D 的大小关系为模式 2 时,即可认为已搜寻到 MPP,同时将以该 D 进行工作.考虑到温度及光照条件的转变,太阳电池的输出参数不断变化,同时导致MPP的漂移,单片机在经过设定时间后,将再一次做 D的扰动,搜寻新的 MPP,以保证太阳电池的最大功率输出,从而有效利用太阳能.依据上述分析,编制了相关程序.图6 示出其设计流程.通过试验发觉,在晴日里不同时刻的MPP处,电路工作
8、的 D 均变化不大.因此,为了防止搜寻过程中造成查找时间太久及带来的能量铺张,下一时刻进行MPP追踪的搜寻起点设定为上一次 MPP时的D 值.5 MPPT 策略试验结果主电路的工作频率为 100kHz,当搜寻到输出电流达到最大时,即认为该点为电路工作的MPP,图 7 示出此刻的驱动信号 Ugs 试验波形.可见,此时开关管的D0.65, 这与理论分析结果很吻合.表 1 给出由上述分析得到的传统电路与MPPT电路的对比性试验结果.由表 1 可见,传统太阳能充电电路中,15W的 Parr最大值显现在早上温度不高、光照比较强的时刻,但此时的利用率仅仅约为68.4%.而采纳带有 MPPT功能的 DC 变换电路后,输出功率明显上升.6 结论可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_LED 灯的恒流驱动,对抑止光衰现象起到了很有效的作用.通过数模混和的方法,防止了单纯数字掌握所带来的掌握精度不高等问题,且单片机的智能掌握,使得能够较快的查找到最大功率点,提高了太阳能板的利用率及整个路灯照明系统的性能价格比.可编辑资料 - - - 欢迎下载