太陽能路燈蓄電池組調度研究

劉坤，鞠魯粵，司曉夏，王彪

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

新書介紹

太陽能路燈蓄電池組調度研究

劉坤，鞠魯粵，司曉夏，王彪

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

蓄電池管理是太陽能路燈控制器最重要的功能之一，為減少蓄電池充放電次數并延長其使用壽命，提出了具有調度功能的蓄電池管理系統。介紹了該系統的工作原理、硬件電路及軟件流程。實驗結果表明該系統提高了蓄電池使用效率，延長了太陽能路燈系統使用壽命。

太陽能路燈；調度算法；蓄電池；微處理器

太陽能路燈在長期運行中，系統最薄弱環節為蓄電池組件[1]，目前廣泛使用的VRLA蓄電池循環次數實際只有500次左右[2]。傳統控制器對蓄電池每天充放電1次，該方式簡單地將蓄電池與系統直接相連，沒有考慮蓄電池的工作特性：在長期小充電率、小放電率下易形成酸分層及難溶PbSO4結晶顆粒[3]，蓄電池壽命將很快被消耗殆盡，縮短了系統整體維護周期。為解決上述問題，本文提出了一種具有調度功能控制系統，可降低蓄電池充放電頻率及長期低充電率/放電率對蓄電池壽命的影響。系統采用低導通電阻MOSFET替代繼電器實現調度功能，進一步降低了系統功耗。測試結果驗證了該方法及電路的有效性。

1 系統硬件構成

1.1 太陽能路燈工作原理

太陽能路燈主要由燈桿、太陽電池、蓄電池、照明組件及控制器組成[4]，如圖1所示。白天由太陽電池將光能轉換為電能存儲在蓄電池中，晚上由蓄電池組提供照明用電。其中控制器檢測周圍環境光照強度、蓄電池電壓、時間等控制量，確保路燈正常運行。

為維持一定的連續陰雨天照明時間，在進行太陽能路燈匹配設計時通常使太陽電池功率為照明功率4倍左右，蓄電池容量為單日照明耗電量5倍左右[5]，當蓄電池容量較大時使用2組或多組蓄電池。

圖1 系統組成框圖

現有的各種太陽能路燈控制器均將蓄電池直接接入系統中[6]，控制器只能對蓄電池組整體進行充放電，其充放電頻率如表1所示。可見使用此方法蓄電池組每天充放電各1次。

表1 傳統太陽能路燈充放電頻率

1.2 調度系統硬件結構

為降低蓄電池充放電頻率，使用調度管理功能對蓄電池組充放電進行控制。圖2所示為所提出的調度系統電路圖(以接入3組蓄電池為例)。調度系統硬件主要由MOSFET和下拉電阻組成。

由圖2可見，電路中蓄電池組為共陽極、隔陰極接入方式。系統運行前，PORT1-PORT3口下拉電阻使GS=0，控制器地與LED/太陽電池地互相斷開。只有蓄電池組對應PORT口變為高電平時，才能將該組蓄電池接入主電路中。

2 系統工作流程

蓄電池基本使用要求為防止過充/過放電[7]。為降低充放電頻率同時均衡使用每一組蓄電池，調度系統需在滿足單組蓄電池使用要求的同時使各組蓄電池充放電次數保持相同。

圖2 調度電路原理圖

2.1 整體軟件結構

由于調度時需綜合考慮當前蓄電池電壓、上一次充/放電蓄電池、各組蓄電池充放電次數等參數，因此使用模塊化程序設計方法，將總程序按功能分為初始化、充電和放電3部分。控制程序整體架構如圖3所示。

圖3 控制程序流程框圖

2.2 各模塊功能

程序初始化時，系統依次測量各組蓄電池電壓，選擇電壓最低蓄電池組為初始充電組，電壓最高組為初始供電組。運行時將各組蓄電池電壓、蓄電池充電次數/放電次數等數據分開保存在不同數組中。

循環調度程序連續檢測當前蓄電池電壓，當充/放電至極限電壓后使用循環次數最少的充/放電蓄電池組替代當前組繼續運行，并優先選用不同組分別充放電。充電時段調度程序流程如圖4所示。

放電時段蓄電池調度流程與充電時段流程不同之處在于，當所有蓄電池組都放電至極限電壓時，將啟用低亮度照明方案，以減少電能消耗保護蓄電池。為處理搜索最小充/放電次數蓄電池組時多組蓄電池次數相同情況，使用小于等于其他組的充放電次數作為判斷條件。

圖4充電調度算法流程

3 實驗結果

為了驗證本文所提出電路及調度算法的有效性，對其進行了實驗驗證。實驗系統配置如表2所示。

表2 系統配置

系統使用XC836單片機作為主控制器，它具有8路AD轉換及6路PWM輸出功能[8]。同時低壓MOS管選用IPB042N10N3G，在GS=5 V時，DS≈6 mΩ，可最大限度減少額外損耗。圖5所示為系統運行中各組蓄電池端電壓變化曲線。通過單片機串口上傳的數據顯示調度結果為4天內蓄電池A/B/C各充電1次，蓄電池B/C各放電一次，與蓄電池端電壓變化曲線相同，滿足了均衡使用要求。

圖5 端電壓變化曲線

使用調度功能后蓄電池充電方式從整組充電變為各組分別充電，兩種方式充電率單日變化曲線如圖6所示。當光照強度一定時，使用調度方法可以提高單組蓄電池充電率，調度后單組蓄電池放電率同樣得到提高。

圖6 充電電流曲線

4 結論

使用調度功能可在等同使用條件下降低太陽能路燈蓄電池充放電頻率，同時避免蓄電池組長期在小充電率、小放電率下工作，延長了蓄電池使用壽命，進一步提高太陽能路燈實用性。

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[8]Infineon Technologies AG.XC83xMicroprocessor User Manual[EB/ OL].[2010-09-01].http://www.infineon.com.

Research on scheduling of batteries in solar street lamps

LIU Kun,JU Lu-yue,SI Xiao-xia,WANG Biao

Battery management was one of the most important components in the controller of solar street lamps.In order to reduce the charge-discharge times and prolong the service life of the battery,a battery scheduling function for the control system was proposed.System principle and the corresponding hardware circuit and software framework were presented.Experimental results show that the battery efficiency and prolong the service life of solar street lamps can be proposed by the system.

solar street lamps;scheduling algorithm;storage battery;microprocessor

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0293-02

2013-06-26

劉坤(1988—)，男，江西省人，碩士生，主要研究方向為電源技術、信號與信息處理。