自適應單純太陽能路燈控制器的設計

王 強，張雅凡

（1.渤海大學 數理學院，遼寧 錦州 121013；2.天津英諾華微電子技術有限公司 天津 300252）

太陽能路燈以其無需鋪設電纜，不消耗常規能源等優點得到了廣泛認可。然而太陽能路燈還存在一些問題造成其成本偏高，可靠性不穩定。比如電池往往不到一年就需要更換，不僅提高了后期維護的費用，而且增加了客戶的消費成本，也造成了資源浪費。其次是太陽能屬于不穩定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路燈使用時間短，冬天有效光照時間短，但路燈使用時間長，大大降低了運行的可靠性，其原因主要受到太陽能路燈控制器性能的影響。太陽能控制器是太陽能光伏系統中的核心部分，主要完成對蓄電池的充、放電、調光和路燈的開、關控制，以及在過充、過放電、過載等情況發生時對系統進行及時和有效地保護，保證照明時間，確保可靠性，有效延長電池壽命，降低成本。

1 太陽能路燈控制器的主要設計要求和發展階段

太陽能路燈控制器的技術和質量的主要要求有：1）供電系統，根據太陽能路燈蓄電池板特性，要設計成恒流輸出；2）過充，過放保護；3）具有系統功率調節功能；4）建立網絡控制系統；5）根據市場要求，產品模塊化。

太陽能路燈控制器的發展到目前為止已經經歷了3個階段：第一代功能比較簡陋，開關燈控制需要外接光敏感應器，定時時間不可設置，沒有電池保護電路，系統壽命非常短暫，很快就被市場淘汰；第二代在第一代的基礎上，設置了電池保護電路，通過太陽能路燈蓄電池組件搜集光敏數據，通過開關或程序設置定時，技術上有了階躍式的發展，逐漸被市場接受；第三代路燈控制器在于多數商家采用了PWM充電控制功能，對蓄電池進行涓流充電，有效延長了電池壽命，降低了使用成本，從而進一步擴大市場占有率[1]。

一個好的控制器可以彌補甚至解決純太陽能路燈的諸多問題，提高其可靠性。自適應太陽能供電路燈需要開發第四代控制器，它的特點是具有自適應燈的功率調節功能，電量檢測和剩余電量計算是必備的；同時具有組網功能，這樣可以保持整條街的路燈亮度一致，并可以進行通訊。

2 自適應單純太陽能供電路燈控制器的設計

目前各種現代控制理論，如自適應控制、自學習控制、模糊邏輯控制、神經網絡控制等先進控制理論和算法也大量應用在光伏發電系統中[2]。其中自適應控制太陽能供電路燈控制器設計是值得推進的技術。

2.1 設計目標

自適應單純太陽能供電路燈的設計目標：主要針對支路和供行人和非機動車通行的居住區道路和人行道路燈[3]；對于由風能供電或風光互補的路燈系統本設計同樣適合；由于太陽能的不可靠性以及主干道的照明設計標準的嚴格性，單純太陽能供電比市電供電的路燈控制器的設計更為復雜，如系統控制需要太陽能和市電切換，則在本設計的基礎上進行精簡就好了。目標地點位于北京市內。

2.2 自適應單純太陽能供電路燈控制器設計特點及功能

自適應單純太陽能供電路燈控制器設計方案的宗旨：通過精確控制，達到降低成本，提高可靠性的目的。主要具有以下幾個特點及功能（以太陽能路燈儲能器件為鉛酸電池為例）：

1）MPPT電路 根據太陽能路燈蓄電池板的特性，如將太陽能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個恒定電壓值附近，則太陽電池在整個工作過程中近似工作在最大功率點處，太陽能電池組件的能量轉換效率最高。利用PWM技術并通過對負載穩壓來實現對LED的恒流，從而保證了LED的可靠使用[4]。采用意法半導體公司的MPPT專用芯片SPV1020，跟蹤效率可達98%，能量轉換效率為95%。理論上，使用MPPT技術會比傳統方法效率提高50%，實際測試中，由于周圍環境影響與各種能量損失，最終的效率也可以提高20%～30%。

2）過充過放保護 采用充電限壓，電池溫升檢測策略，如蓄電池電36 V，充電截止電壓42.5～43 V，充電截止溫度80℃，充電截止溫升30℃。不過絕大部分時間蓄電池基本處于欠充狀態。同時通過對電池電壓的數據實時采集，利用軟件控制對電池采取限壓保護；通過實時計算電池電量進行防過充過放保護，電量為100%時停止充電，電量為20%時停止放電，為延長其壽命，做了第二道防線。圖1為蓄電池過充保護流程圖。

圖1 蓄電池過充保護流程圖Fig.1 Flow chart of battery overcharge protection

3）智控開關，實時監測，預警功能 進行太陽能路燈電池板電流檢測，蓄電池電壓檢測，蓄電池電量監測，以及環境溫度的檢測，采用光開時關，并實時上傳工作環境及狀態數據，預警故障，保證系統的可靠性。圖2為太陽能路燈的開、關控制流程圖。

圖2 路燈的開、關控制流程圖Fig.2 Flow chart of lamp open and close control

4）亮度的自適應調節 通常太陽能路燈廠家為了保證連續陰雨天的正常工作，只一味地加大蓄電池容量，一般蓄電池的容量可達電池板容量的5倍，其實這樣做并不能解決問題。因為陰雨天工作的可靠性并不取決于電池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根據當前地理位置，季節，時間，氣象條件，光的輻射量，浮塵濃度，工作環境以及剩余電量，自適應調節燈的亮度，合理分配能量。由于設計為純太陽能供電，不考慮雙電源情況，所以要想提高系統可靠性，唯一的方案就是犧牲燈的亮度。

根據當天用電前的剩余電量和當天的充電量來進行自適應調節，在保證正常照明的同時，使電池的工作點長期保持在高電位，并且使充放電深度在30%以下，根據電池循環壽命曲線，可以延長電池壽命4～5倍，有效降低太陽能路燈的成本，提高可靠性。以下將分別闡述剩余電量和充電量的計算過程。

2.2.1 電池電量檢測

1）電量檢測的算法

大量的實驗數據表明，電池老化時蓄電池的內阻與電荷之間有較高的相關性（0.88左右），蓄電池完全充電和完全放電時的內阻相差2～4倍，所以通過測量電池內阻可較準確地檢測電池電量。

2）建立內阻—電量—循環周期的關系曲線

為了得到實時剩余電量值，要建立一個電量和內阻之間關系的數據庫。

以時間為標準，就可以建立起內阻—電量—循環周期的關系曲線，然后通過Matlab的曲線擬合功能得出內阻，電量以及循環周期的關系式。蓄電池內阻與剩余電量關系曲線如圖3所示，剩余電量隨著內阻的增大而成指數趨勢減小[5]。

圖3 蓄電池內阻與剩余電量關系曲線Fig.3 Relation curve of battery internal resistance and remaining power

3）在線檢測電量

在太陽能路燈工作開始之前檢測出剩余電量，采用交流壓降內阻測量法測得內阻值，通過查做好的數據表，并進行數據校正，得出對應的電量值。

給電池施加一個固定頻率和固定電流（目前一般使用1 kHz頻率、50 mA小電流），然后對其電壓進行采樣，經過整流、濾波等一系列處理后通過運放電路計算出該電池的內阻值。圖4為在線測量剩余電量硬件框圖。

圖4 在線測量剩余電量硬件框圖Fig.4 Hardware diagram of online measure remaining power

2.2.2 充電量計算

充電量是通過太陽能電池板接收輻射強度和電池板面積計算得到的。太陽能電池板接收輻射強度為單日輻射強度與sin α的乘積，其中α為正午太陽輻射與電池板的平均夾角。電池板面積可參考配置計算部分的內容，并且經過優化得到的。

2.2.3 剩余電量計算

通過計算電流在時域上的積分，可得出電量變化值，在路燈工作前檢測到的電池電量作為初始電量，則剩余電量為初始電量減去電量變化值。同時通過對MPPT電路的輸出電流做積分，作為電量變化的校正值，從而得到較準確的剩余電量值。圖5為剩余電量計算流程圖。

圖5 剩余電量計算流程圖Fig.5 Capacity check and remaining power calculation flow chart

1）Zigbee無線通訊系統連網

保證整條路的路燈的開，關時間一致，馬路亮度均勻，保證駕駛安全，避免駕駛員視覺疲勞；實時傳送數據，進行遠程監測和控制；在線軟件升級，降低維護及調試成本；待機睡眠，降低系統功耗。將Zigbee無線傳感器網絡技術應用于蓄電池生產過程中的充放電參數檢測中，將極大地提高產品測試的靈活性和可靠性，對提高蓄電池生產質量和效率具有重要意義[6]。

2）模塊化可擴展性

設計的控制器的供電系統可以是模塊化的，設計采用恒流充電方式，所以電池板可擴展，LED模組可根據系統功率進行并聯擴展。

根據如上計算，具體設計框圖如圖6所示，為太陽能路燈控制系統硬件框架。圖7為太陽能路燈控制系統電路原理圖。

3 自適應單純太陽能供電路燈控制器設計方案模擬

開關燈的時間根據天安門升降旗時間而定[7]，如表1所示，全年最長點燈時長在12月為14.52小時，最短為9.13小時。照明時間分為3個時段，第一個時段從當天天安門降旗時刻開始，為5個小時，第二個時段到早上5點，第三個時段從5點到天安門升旗時刻，燈光亮度各時段權重比為5∶2∶3，如果以100 W光源為設計標準，則光源功耗最大為1.068 5 kW·h，在5月份。根據計算單日輻射強度各月差別為3倍左右，而電池板真正接收到的輻射強度各月差別只有2倍，與傳統固定調節的光源功耗相比，自適應單純太陽能供電路燈節能明顯，這樣就充分體現了自適應調節的靈活性。

圖6 太陽能路燈控制系統硬件框架Fig.6 Hardware framework of solar street lamp control system

圖7 太陽能路燈控制系統電路原理圖Fig.7 The circuit principle diagram of solar street lamp control system

表1 照明策略基準參數Tab.1 Lighting strategy benchmark parameters

圖8顯示根據表1中的數據得出的各月太陽能電池板面積排列柱形圖，從而可以選定電池板的面積為柱形途中的拐點處2月的面積值，太陽電池板面積為2.2 m2，蓄電池為115 Ah。這樣選擇的原因是這樣可以保證全年85%的照明時間，剩下的15%為過放，不過要給自適應調節留下一個調節余量，所以選擇以2月數據計算出的太陽能面積的值，即2.216 2 m2，過放的情況為3個月，過放比率為25%，從而有10%的調節空間。

4 結 論

圖8 各月太陽能電池板對應面積排列柱形圖Fig.8 Each month solar panels corresponding area arrangement bar charts

自適應單純太陽能供電路燈控制器的設計，實現了以MPPT電路為控制核心的智能太陽能路燈控制器，具有外圍電路簡單，可靠性高的特點，實現了太陽能電池的最大功率點跟蹤，采用了合理的蓄電池充放電策略，實現算法簡單，既提高了太陽能電池板的使用效率，又延長了蓄電池的使用壽命 ，對于個別過分欠充、過充燈根據問題加大、減小電池板面積，更換電池或燈珠，根據每盞路燈的實際情況靈活調整其配置，可使每盞燈都工作在最佳狀態，不但保證了正常照明，而且避免了資源浪費，也降低了產品造價，具有一定的參考和推廣應用價值。

[1]童銘.太陽能路燈控制器研發步進[C]//四直轄市照明科技論壇、長三角照明科技論壇暨上海市照明學會2008年年會論文集，2011-03-16.

[2]楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發電應用技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3]中華人民共和國建設部.城市道路照明設計標準[S].北京：中國建筑出版社，2006.

[4]余發平，張興，王國華.基于PI自適應控制的太陽能LED照明系統PWM恒流控制器[J].太陽能學報，27(2):132-135.YU Fa-ping，ZHANG Xing，WANG Guo-hua.Research on controller of PWM caonstant current based on adaptive PI control for photovolait LED lighting Sysemt[J].Acta Energiae Solaris Sinica，27（2）:132-135.

[5]李福偉.基于SOC單片機C8051F022蓄電池剩余電量的測量[J].電源技術應用，2010（9）：13-16.LI Fu-wei.The measurement of remaining capacity of storage battery based on SOC technology C8051F02[J].Power Supply Technologies and Applications，2010（9）：13-16.

[6]孫會祥.ZigBee技術在蓄電池監測系統中的應用[J].信息技術與信息化，2009（3）:110-111.SUN Hui-xiang.ZigBee Application in monitoring system of storage battery[J].Information Technology and Informatization，2009（3）:110-111.

[7]天安門地區管理委員會網站.升降旗時間[EB/OL].[2011-03-18].http://www.tiananmen.org.cn/index.asp.