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1、太阳能景观灯设计,目录,太阳能景观灯设计方案电路介绍 光伏控件介绍 充电电路设计介绍 放电电路设计介绍 具体电路设计方案和功能简介 光伏器件选择优化,太阳能景观灯设计,（1）不需要使用外部供电环保节能。 （2）可以独立使用在多种场合，具有美观和实用性。 （3）本次实验采用电路和设计程序达到一方面能够将电池板能量最大限量的存储（电导增量法获得最大功率追踪和三步法充电）另一方面对负载供电中可以节能控制输出。 （4）通过实际测试当地的阳光环境进行优化，在保证满足负载供电需要的前提下, 确定使用的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量最小, 以尽量减少初始投资。 （5）在控制电路设计过程中使用改进后的BU
2、CK降压电路能够更好的控制占空比调节PWM驱动对蓄电池充电，不需要另外附加计时电路，且在阴雨天可以根据需要控制开启或者关闭。 （6）通过程序控制电压来调控景观灯颜色和亮度变化。,设计电路方案图,电池板,电池U-I检测,单片机控制,蓄电池,DC-DC升压,负载,DC-DC降压,电路说明,本次设计采用： （1）通过检测电池板U-I曲线用电导增量的方法获得最大功率点跟踪。程序较为复杂但可以更加精确的提高电池板能量的存储量。 （2）对蓄电池充电当中使用三步法，即MPPT充电，恒压充电，浮充，一方面提高充电效率另一方面提高电池使用寿命。 （3）利用单片机编程可以控制景观灯亮度变化和颜色转换。 （4）通过
3、检测蓄电池的U-I输入到单片机中通过控制来实现对负载的调控，以免欠压状态下蓄电池损坏。 （5）单片机控制电压由蓄电池提供。,光伏控制器介绍,光伏控制器是太阳能光伏发电系统中，能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。,注：开关器件，可以是继电器，也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器，只能用MOSFET模块作为开关器件。,光伏控制器分类,（1）并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。（用于小型、低功率系统电流在2A以内） （2）串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列
4、（用于较高功率系统电流在4A5A以上的串联控制器）,光伏控制器分类,（3）脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。（这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命） （4）智能型控制器： 采用带CPU的单片机对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。,光伏控制器分类,（5）最大功率跟踪（MPPT）型控制器：根据调整MPPT，采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。 注：在实际工作研发过程中（4）和（5）使用
5、较多，一方面可以提高电池能量利用率，另一方面可以更好控制与逆变器蓄电池之间的连接与控制。,光伏控制器功能,（1）高压（HVD）断开和恢复功能 （2）欠压（LVG）告警和恢复功能 （3） 低压（LVD）断开和恢复功能 （4） 保护功能： 防止任何负载短路的电路保护。 防止充电控制器内部短路的电路保护。 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。 （5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于25时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。,充放电电路设计,1.在充电电路
6、部分，实现了太阳能电池组件的最大功率点跟踪和蓄电池充电策略的优化。设计了基于 Buck 型的 DC-DC 电路，采用了电导增量法实现了最大功率点的跟踪。基于 Buck 电路，对蓄电池实施了三阶段充电方法。在充电过程中，充电电流的变化趋势符合铅酸蓄电池的马斯充电曲线，具备一定的科学性。 2.在放电电路部分，结合控制器硬件电路，设计了恒流源驱动电路，通过驱动电路的设计，保证蓄电池稳定的输出恒流，优化了系统的可靠性，增强了蓄电池的使用寿命。,3.考虑到太阳能控制器自身的功耗和效率，本课题摒弃了一些传统的设计方案，采用了多 MOSFET 功率管相融合的技术，设计出了安全、高效的电源防反接电路、防反充电
7、路、过流保护以及自恢复式的短路保护，提高了整个系统运行的可靠性与稳定性。 4.完成了基于 MSP430F235 太阳能控制器的硬件电路设计、电路板的绘制和电路的焊接，并且利用 C 语言编制了相应的控制程序，实现了太阳能路灯控制器的充、放电控制功能。,独立太阳能路灯照明系统中。基于实际的需求， 设计功能如下：1.充电模块功能： 1) 具有过充自动关断、恢复功能。 2) 具有防反接、防反充保护，防雷击功能。 3) 具有指示功能：太阳能电池组件的充电指示功能、蓄电池电压状态指示功能。 4) 多模式充电功能：采用了多种充电模式，充分利用了太阳能电池组件，并且保证蓄电池工作在最佳状态，延长了电池的寿命。
8、 5) 显示功能：用八段码显示各种工作模式，方便用户的检测和维护，使用户在使用的时候尽可能的操作方便、可靠、安全。,2.放电模块功能： 1) 具有过放自动关断、恢复功能，负载过流保护和短路保护的功能。 2) 具有防反接、防雷击的功能。 3) 指示功能：负载工作状态功能指示和故障指示功能。 4) 恒流驱动功能：该功能保证了负载供电的稳定性以及可靠性。,独立照明系统需求,独立照明系统由太阳能电池组件、蓄电池、控制器和 LED 灯这四个部分所组成。 太阳能电池组件是整个系统的能量来源，它将太阳的辐射能转化为电能。 蓄电池是路灯照明系统当中的储能设备。它的性能和系统的充电方式有很大的关系，只有结合蓄电
9、池的性能选择最合适充电方式，才可以最大限度安全、可靠的使用蓄电池。 本系统选用了铅酸蓄电池作为储能设备。,LED灯性能,LED 灯当中的发光二极管主要由 PN 结芯片、光学系统、电极组成。其优点如下： 1节能：LED 发光颜色更接近于自然光，与高压钠灯相比，人眼感到同样亮度时所需的光强就低很多。 2长寿：由于大功率 LED 路灯是由很多 LED 光源组成，即使个别的损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像高压钠灯损坏时全部灯熄灭，大功率 LED 路灯寿命长达 5 万小时，是高压钠灯的十几倍，户外使用寿命长达 10 年以上。 3显色性好：大功率 LED 路灯显色性大大高于高压钠灯，高压钠灯以金属
10、钠蒸汽为发光源，光线呈单一偏黄，与阳光相差甚远，而 LED 路灯发出的是白色光，色彩更真实，也不存在危害性的紫外光线和红外光线，不吸引昆虫。,4无频闪：大功率 LED 路灯采用直流供电，加上光电独有的恒流装置，使大功率 LED 路灯发光恒定，彻底无闪烁。 5快速响应：高压钠灯等高强度气体放电灯有延迟效应，要在点燃 15 分钟后才能达到其 90%100%光通量，而大功率 LED 路灯通电即可达到正常亮度，无开灯28 智能型太阳能路灯控制器的研制延时现象。 6安全：LED 照明是一种固态照明，可以有效的防震，对于类似震动比较大的高速公路及对安全性要求更高的隧道和矿井等尤其适用。 7优良的散热性能：
11、低热阻的结构设计和良好的散热设计，保证了 LED 的 PN 结结温度不会超过 75度，从而保证了 LED 的发光效率和工作寿命。,控制器对LED负载作用,控制器部分由充电电路、放电电路、电流电压检测电路和 MCU 以及辅助电路等部分组成。 一般太阳能电池组件输出的电压不稳定，铅酸蓄电池和 LED 灯的寿命也受到诸多条件的影响。因此，不能直接将太阳能电池组件联接 LED 灯，也不便直接给储能设备蓄电池充电，不当的充电方式会对 LED 灯和蓄电池造成严重影响，缩短了使用寿命，降低了稳定性和可靠性。在本系统中，铅酸蓄电池和 LED灯的成本占很大的比例，如果这两者不能得到很好保护，通常会造成严重的经济
12、损失。因此，需要采用相关的电力电子电路，先将太阳能电池组件产生的电能以一定的方式储存到铅酸蓄电池中，在适当的时候再控制蓄电池向负载 LED 放电。控制器在这个过程中起着枢纽作用，决定着系统使用性能的好坏。,照明系统电路,基于实际系统的需求，我们在此选用美国德州仪器（TI）公司设计的 MSP430F235 作为 MCU。这是德州仪器 1996年推向市场的一种 16 位低功耗的混合信号处理器，3.3V 电源供电，其活动模式耗电 250A/MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)，IO 输入端口的漏电流最大仅 50nA。具有 16 位 RISC 结构，125ns指令周期，具有很高的指令执行速度和效率。
13、内部集成有 12 位精度 A/D 转换器，可选择同步和异步串行通信接口。内置温度测试电路，可方便地实现传感器的温度补偿。,在 MSP430F235 单片机的外围，设计了辅助电路、电流电压检测电路、充电模块、放电模块、按键和显示电路等几部分。 充电电路要求能够通过改变开关管的占空比而改变光伏电池的工作点，完成蓄电池三个阶段的充电。 在放电电路中，通过单片机驱动电路的输出信号将完成对功率器件开通与关断的控制。为了提高系统运行的可靠性和安全性，需要有负载保护电路，主要分为过流保护和短路保护电路。过流保护通过检测放电电流的大小，以软件保护的方式来报警并采取相应的切断放电回路的保护动作。,MCU外围电路
14、,最大功率控制（MPPT）,为了提高太阳电池板产生的电能能够最大限度的储存和利用一般设计最大功率控制追踪获得最大功率点。 （1）恒定电压控制法（太阳能电池的最大功率点电压是其开路电压的76%左右） （2）曲线拟合法：将太阳能电池组件的输出特性测量出来,同时用数学表达式进行描述的方法。,(3)导纳微分法：认为在太阳能电池阵列的最大功率点处,输出功率对输出电压的一阶导数为零。 (4)扰动观察法扰动观察法其基本思想就是控制充电电路开关信号的占空比,使之增大或者减少,从而改变电路的输出功率,根据功率的变化来决定对占空比的控制,是让其减小还是让其增大“,恒定电压控制法这种方法忽略了太阳能电池温度对自身最
15、大功率点的影响。 曲线拟合法缺点是受限于复杂因素的影响,比如温度，老化以及电池的击穿等,不容易测量。,扰动观察法的缺点是系统必须引入扰动造成了能量的损失，降低了太阳能电池组件的工作效率。其次，步长的选择很难取到合适值。 电导增量法的优点在于在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。 通过比较之后，无论光强强度和温度如何变化，电导增量法总能够快速的实现太阳能电池组件的最大功率点跟踪。同时，在稳态时，太阳能电池组件的工作电压十分稳定，工作点波动非常小。于是，在我们的 MPPT 大电流充电过程中，我们选择了电导增量法。,电导增量法,充电
16、控制策略设计,本课题设计并使用了新的智能充电策略：三阶段充电法。三阶段充电法的优势在于：既能提高了充电的效率，同时又保护了电池容量和寿命，充电曲线近似于马斯最佳充电曲线。 路灯照明系统中，蓄电池处于循环使用状态，白天的时候，光照充足，负载 LED 灯关闭，蓄电池处于充电状态。判断此时蓄电池的电量，当蓄电池处于欠压时，首先在第一阶段进行最大功率点跟踪（MPPT）充电，这个阶段充电电流比较大，电池的大部分电能在这一阶段恢复。实验表明，以 MPPT 充电到限压点时，只能充进约 80%的容量，于是进入第二阶段。第二阶段为恒压充电，在第二阶段中，将补充剩余的大约 20%的电量。恒压充电结束后，充电器应自动转入第三阶段，即浮充电过程。根据电池的自放电特性，浮充电速率很低，使用 PWM 脉冲充电，充电器将给电池补充电荷，这样蓄电池就可以处于充足电状态。,三阶段充电曲线,充电原理框图,太阳能电池组件输出直流电压，先经过输入滤波，然后通过 Buck 电路的 DC/DC 变换，再经过输出滤波，这样就得到
