基于单片机的太阳能LED路灯控制器设计

　　2. 1 充电电路及控制策略

　　充电电路由电感L1、功率MOSFET 管T1和续流二极管D2构成降压型Buck 电路，如图3 所示。 通过改变加在MOSFET 控制栅极的脉冲宽度（ 脉冲宽度调制Pulse Width Modulation,PWM） 就可以改变太阳能电池板的输出电压。 通过检测太阳能电池板的输出电压和电流、蓄电池的电压和电流，判断蓄电池的电荷状态，选择合适的充电方式为蓄电池优化充电。 当蓄电池电压超过一定电压后，关断T1,防止蓄电池过充电。 当系统检测到环境光线充足，控制器就会进入充电模式。

图3 Buck 主充电电路

　　然而，充电的效率与充电电源（太阳能电池） 、负载（ 蓄电池） 以及环境的特性是紧密相关的。 太阳能电池的输出功率是日照强度和周围环境温度的非线性函数，如图4 所示。

　　也就是说，当日照强度增强时，最大输出功率相应增大； 当温度增加时，输出功率降低； 但一定条件下，总存在一个最大输出功率点。 当忽略温度效应时，不同光照条件的输出特性与负载曲线L 的交点A,B,C,D,E（ 工作点） 显然不都是最大功率点，若采用直接匹配必然带来输出功率的损失。

图4 太阳能光伏电池的输出特性

　　采用最大功率点跟踪MPPT（ Maximum Power Point Track） 的控制策略就可以将采集到的太阳能尽可能转化为电能，储存到蓄电池组中。 MPPT 控制策略主要有干扰观测法、导纳增加法和固定参数法等算法。 这里采用干扰观测法，其思想：控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏电池的输出电压或电流---"干扰",改变的方向可以增加或减小； 比较前后光伏电池的输出功率，如果输出功率增加，就按照上一周期的方向继续干扰过程； 如果输出功率减小，则改变干扰的方向，最终在最大功率点往复达到稳定，此时还可以减小步长以进一步逼近最大功率点。

　　另外，目前条件下铅酸蓄电池是比较经济实用的蓄电装置。 铅酸蓄电池的容量和寿命是蓄电池的重要参数，受充电方法的影响很大。 可接受的理想充电曲线是充电电流随时间按指数规律衰减的曲线，但极化现象却制约了蓄电池的寿命和光伏电池发电系统充电模式。 因此需要根据蓄电池充电特性曲线，采用分阶段的充电策略，才可以提高充电的效率和延长蓄电池的寿命。 这里蓄电池的充电策略是三阶段充电（ 快充、过充和浮充）。

　　（1） 快充阶段充电电路的输出方式等效为电流源。 电流源的输出电流根据蓄电池最大可接受电流来确定。 充电过程中，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。 固定输出电流，采用MPPT 算法控制输出电压。

　　（2） 过充阶段充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测充电电流。 当充电电流降到低于转换门限值时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转到浮充阶段。

　　（3） 浮充阶段蓄电池组充满电后，保持电量的最好方法就是给蓄电池提供一个精确的、具有温度补偿功能的浮充电压。

　　2. 2 放电电路及控制策略

　　放电电路的负载是大功率LED 路灯，它是由1 W 及以上的高亮度LED 按一定的拓扑连接而成的绿色光源。 大功率LED 路灯的发光强度是和流过的电流成正比。 由于大功率LED 的电流、电压参数具有典型的PN 结伏安特性，其正向压降的微小变化会引起较大的正向电流变化。 不稳定的工作电流会影响LED 的寿命和光衰，所以大功率LED 的驱动电路必须提供恒定的电流。 其控制电路主要采用DC /DC 升压驱动电路（ Boost） ,控制策略采用脉冲宽度调制（ PWM） ,Boost 充电电路如图5 所示。

图5 Boost 放电电路。

　　电感L2、功率MOSFET 管Q2和D3构成升压型DC /DC 转换器，通过单片机控制输出PWM2,获得一个稳定的输出电压； 通过PWM3和PWM4 通道进行2 路LED 照明的恒流控制，完全关断这2 路负载还可以用作半功率点控制； R7和R10提供LED 照明驱动电路的电流反馈采样； 其它时控功能、温度补偿电路和蓄电池的过放保护电路在此就不详细讨论。