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摘要： 介绍具有MPPT（Maximum Power Point Tacking）最大功率点跟踪和脉宽调制（PWM）的太阳能LED路灯的智能化设计，采用三段式算法去监控蓄电池剩余荷电容量（SOC）的充电/放电法，在放电过程中象控制器在充电过程中一样，在不同的阶段用不同宽度的PWM信号输出控制，有效避免过充和过放。根据蓄电池剩余荷电容量（SOC)的数学模型实时检测蓄电池的剩余容量而自动调整LED负载。半导体LED照明与太阳能的有机结合，使太阳能LED路灯更具独特的优势和良好的应用前景。
关键词： 最大功率点跟踪；蓄电池剩余容量；脉宽调制；控制器
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310048－03
0 引言
针对目前的太阳能LED路灯所存在的未能充分利用太阳能电池，对蓄电池的保护不够充分使蓄电池的寿命缩短，光电转换利用率低使得遇连续阴雨天无法工作而造成整个路灯系统的可靠性差等问题，提出了解决问题的方法和对策：采用最大功率点跟踪（MPPT）算法提升了太阳能电池板的光电转换效率；采用具有MPPT的脉宽调制三段式监控法去监控蓄电池剩余荷电容量(SOC)的充电/放电算法，有效避免了过充和过放，延长了蓄电池的使用寿命。太阳能LED路灯与传统灯具相比有许多优点，但是价格昂贵使其成为推广应用的瓶颈，因此如何降低太阳能LED路灯的成本是一个重要的课题。如果可以分时、分压进行控制，根据夜晚不同时间段，人们对照度的不同要求，控制太阳能LED路灯的输入功率，以及根据太阳能电池白天吸收能量的大小，控制太阳能LED路灯的输出功率，根据蓄电池剩余荷电容量（SOC)的数学模型实时检测蓄电池的剩余容量而自动调整LED负载，根据SOC以及照明的需求对于LED进行调光控制可以进一步达到节能的效果。达到用最小成本设计出能够满足最恶劣气象条件下人们对太阳能LED路灯的最基本要求，即可解决上述问题。完成了硬件电路设计、算法研究和软件控制，实现了对蓄电池的科学管理。
1 基于STC12C5412AD单片机的硬件设计总体方案
太阳能LED路灯照明控制系统在控制器的作用下，太阳能电池板向蓄电池充电，晚上蓄电池提供电力给负载LED灯具。控制器能够在任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)确保蓄电池不因过充或过放而被损坏，最大程度的利用太阳能。硬件电路主要由微处理器、主电路、辅助电路、信号处理及AD采样电路、人机接口电路等部分组成。本系统微处理器采用深圳宏晶公司STC系列单片机STC12C5412AD作为核心控制芯片，负责对信息的采集和充放电的控制，整个系统的结构如图1所示。
Fig.1 The structural diagram of the control system of hardware
辅助电路：主要包括电源电路、复位电路和晶振电路。是单片机最小系统能够运行的必要条件。
微处理器：负责整个系统的协调控制，包括最大功率充电控制、LED灯具脉冲放电控制、响应用户操作和系统保护；
信号处理及AD采样电路：负责将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号等调制后转换为数字信号送入微处理器；
主电路：由分时复用的Buck-Boost双向DC-DC变换器、功率管的驱动电路和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和LED灯具的放电；
人机接口电路：作为控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息。
2 算法研究
2.1 太阳能电池最大功率点跟踪算法设计
通过对太阳能电池输出特性的深入研究，设计出一种跟踪快速、实现简单的最大功率点跟踪算法增量电导法。
太阳能电池板是光能转换成电能的枢纽，因太阳能电池板在系统中属于造价占80﹪的部件，它的转换效率直接决定整个光伏系统对太阳光能的利用率。太阳能电池的转换效率很低，价格昂贵，初期投入大，在太阳能电池价格居高不下的情况下，提高太阳能电池的利用率就成了一种最有效的方法，太阳能电池输出能力控制是最重要的课题。因此有必要采用最大功率点跟踪控制来提高光伏系统的效率。最大功率点跟踪（MPPT）研究的目的是使太阳能电池尽可能多的输出电能，从而保证太阳能LED路灯系统负载的工作时间及照明效果，真正做到充分利用太阳能。
太阳能电池的电压与电流是非线性的关系，在不同的日照强度、温度、及组件老化等因素影响下，太阳能电池的输出功率受到很大影响。但在不同条件下的工作曲线，均只有一个最大功率点，如图2所示。太阳能电池表面温度、日照强度等因素因地而异，有时甚至瞬息万变，给最大功率点跟踪造成了一定困难。在特定的温度和光照条件下，输出能否工作在最大功率点取决于组件所带的负载大小。太阳能电池阵列带不同电阻负载时工作点不同，根据线性电源的原理，当负载等效电阻与电源的等效内阻相等时，电源输出功率达到最大值。虽然太阳能电池和控制器中的DC-DC变换电路组成的电源具有非线性，但在极短的时间内可以认为是线性的。因而通过调节DC-DC变换电路的脉宽调制（PWM）控制信号的占空比，使负载的等效电阻与太阳能电池的等效内阻相等，即可使太阳能电池的输出功率达到最大。
本文中我们采用增量电导法来实现太阳能电池的最大功率点跟踪控制。增量电导法是根据太阳能电池的功率对电压的变化率与输出电压、电流之间的关系来实现最大功率点追踪。太阳能电池输出功率与电压的数值关系在整个工作区间内为一单峰函数，最大功率点 处的斜率为0，即：
1）假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有dP/dU>0即dI/dU>-I/U，说明参考电压应向着增大的方向变化。
2）同理，假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有dP/dU<0，即dI/dU<-I/U，说明参考电压应向着减小的方向变化。
3）假设当前太阳能电池的工作点位于最大功率点处（附近），此时将有dP/dU=0，此时参考电压将保持不变，即太阳能电池已工作在最大功率点上。
增量电导法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。这种控制算法需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。算法控制精确，响应速度快，适用于大气条件变化快的场合。最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比其他观测法小。具有算法稳定性高，振荡小的优点。增量电导法流程图如图3所示：
2.2 蓄电池充电算法设计
结合太阳能电池输出最大功率点跟踪算法及蓄电池充电特性，设计出了脉宽调制“三段式”充电算法，同时兼有温度补偿功能。此算法既能保证充电效率，又能实现对蓄电池进行必要的保护。
第一阶段(25%
第二阶段(40% 第三阶段(SOC>95% )浮充充电：浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电池的放电电流，又不能太大，以免影响蓄电池的寿命。由于蓄电池特性受温度影响，在温差较大的地区，还应该进行适当的温度补偿[1]。直到设定的过充阈值14.4V，进行过充保护。
2.3 蓄电池剩余容量（SOC）控制算法
蓄电池SOC控制法指的是蓄电池在使用过程中，系统始终在线检测蓄电池的容量，当容量处于不同的程度时系统对其采取不同的措施，负载的大小自动适应SOC的状态，在此通过参考文献(由于篇幅有限，在此选用成熟的SOC数学模型)得出如下蓄电池剩余容量（SOC）放电和充电过程的数学模型[2]。
式中：a由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1-0.2；
b-电化学极化项常数，0.1-0.15；
c-内阻极化项常数，0.08-0.15；
D-由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1-0.2；
e-电化学极化项常数，0.2-0.25；
f-内阻极化项常数，0.15-0.25；
SOC-蓄电池的荷电状态或蓄电池在任意时刻的容量，为了区别于蓄电池的额定容量，本文称它为蓄电池的剩余容量。SOC用百分比表示(0～100%)。
DOD-蓄电池的放电深度，用百分比表示(0～100%)，DOD=l-SOC。
有了这样的通用性强的，能够反映各个物理化学参数连续变化对蓄电池荷电状态影响的数学模型，就可以很方便地在线测量蓄电池。在放电/驱动阶段，测量蓄电池电压，根据数学模型计算出蓄电池剩余荷电容量（SOC)，计算各区间([80％, 100％], [60％, 80％], [40％, 60％]中驱动并调节LED照明亮度的脉宽信号(PWM)的对应键值，当SOC处于40%以下时候，应该做特殊处理，以最低亮度标准运行，并且一定要在过放之前切断负载供电，在设计中，我们一般在剩余荷电容量(SOC)为25%时候就切断电源，可完全避免过放。
2.4 本文所用综合算法
结合最大功率点跟踪算法、温度补偿、蓄电池充放电保护策略，本课题设计的综合程序流程图如图4所示。
3 主电路设计
主电路模拟蓄电池化学反应过程，利用PWM方式调制蓄电池充电[3]，STC12C5412AD单片机以前后间歇10-50ms、脉宽为1-5 ms正负脉冲PWM方式输出脉冲，目的是提供能够缩短蓄电池充电时间的脉充信号。利用蓄电池充电时间和LED灯具供电时间的交错，分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器，同时实现太阳能电池板的最大功率输出和LED灯具的脉冲式供电，另外，该控制器可以根据蓄电池剩余容量和用户设定，自动调整LED发光亮度，实现系统的高效运行，具体电路如图5所示：
具有如下功能：
1）采用DC-DC变换器改变太阳能电池板端电压，对蓄电池进行具有MPPT和脉宽调制的“三段式”充电，可以提高太阳能电池板的利用率和蓄电池的充电效率，从而延长了太阳能LED路灯的供电时间。
2）采用脉冲方式对太阳能LED路灯供电，可以在保持其亮度的基础上，降低其损耗，达到节能的目的；根据蓄电池剩余容量和用户设定，动态调整LED灯具的亮度，可以延长蓄电池的供电时间，有效地保护蓄电池。
3）分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器，实现太阳能LED路灯的充放电管理，提高了系统效率，减少了硬件成本。
4 软件实现
系统初始化后，系统首先从EEPROM数据存储区提取各个模块工作参数，使各个功能模块进入工作模式[4]。然后系统对太阳能电池电压、蓄电池电压进行检测，根据两者电压值做出充电模式的判断。系统便进入充放电自动控制模式，同时系统开放所有功能中断，方便各种键盘操作能及时对工作状态进行修正。系统总体流程图，如图6所示。
5 结论
太阳能LED路灯设计的核心是太阳能电池最大功率点跟踪算法和蓄电池的智能充电算法的研究。只有高效、快速、准确的充电算法作为保证，安全的蓄电池剩余容量在线检测和放电算法为基础，才能使控制器具备稳定、准确、快速的工作特性。太阳能LED路灯进行智能设计工作是很有意义的，它不但降低了太阳能路灯系统成本，而且提高了系统的可靠性。
参考文献：
[1]赵庚申、王庆章，最大功率点跟踪控制在光伏系统中的应用[J].光电子·激光，2003，14（8）：813-816.
[2]土长贵等，小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理[A].阀控式密封铅酸蓄电池原理与应用[C].北京:中国电力出版社，2004.
[3]姜祥元，太阳能路灯的设计与应用[J]. 福建建筑,2008，121（7）：95-97.
[4]JU ZHENHE. Optimal design of solar street light system for new campus of Shenyang institute of engineering [J].Journal of Shenyang Electric Power Institute，2004，6（3）：31-35.
作者简介：
李丽敏（1974-），女，黑龙江铁力人，东北农业大学在读研究生，佳木斯大学信息电子技术学院副教授，研究方向：太阳能光伏发电。
关键词： 最大功率点跟踪；蓄电池剩余容量；脉宽调制；控制器
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310048－03
0 引言
针对目前的太阳能LED路灯所存在的未能充分利用太阳能电池，对蓄电池的保护不够充分使蓄电池的寿命缩短，光电转换利用率低使得遇连续阴雨天无法工作而造成整个路灯系统的可靠性差等问题，提出了解决问题的方法和对策：采用最大功率点跟踪（MPPT）算法提升了太阳能电池板的光电转换效率；采用具有MPPT的脉宽调制三段式监控法去监控蓄电池剩余荷电容量(SOC)的充电/放电算法，有效避免了过充和过放，延长了蓄电池的使用寿命。太阳能LED路灯与传统灯具相比有许多优点，但是价格昂贵使其成为推广应用的瓶颈，因此如何降低太阳能LED路灯的成本是一个重要的课题。如果可以分时、分压进行控制，根据夜晚不同时间段，人们对照度的不同要求，控制太阳能LED路灯的输入功率，以及根据太阳能电池白天吸收能量的大小，控制太阳能LED路灯的输出功率，根据蓄电池剩余荷电容量（SOC)的数学模型实时检测蓄电池的剩余容量而自动调整LED负载，根据SOC以及照明的需求对于LED进行调光控制可以进一步达到节能的效果。达到用最小成本设计出能够满足最恶劣气象条件下人们对太阳能LED路灯的最基本要求，即可解决上述问题。完成了硬件电路设计、算法研究和软件控制，实现了对蓄电池的科学管理。
1 基于STC12C5412AD单片机的硬件设计总体方案
太阳能LED路灯照明控制系统在控制器的作用下，太阳能电池板向蓄电池充电，晚上蓄电池提供电力给负载LED灯具。控制器能够在任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)确保蓄电池不因过充或过放而被损坏，最大程度的利用太阳能。硬件电路主要由微处理器、主电路、辅助电路、信号处理及AD采样电路、人机接口电路等部分组成。本系统微处理器采用深圳宏晶公司STC系列单片机STC12C5412AD作为核心控制芯片，负责对信息的采集和充放电的控制，整个系统的结构如图1所示。
Fig.1 The structural diagram of the control system of hardware
辅助电路：主要包括电源电路、复位电路和晶振电路。是单片机最小系统能够运行的必要条件。
微处理器：负责整个系统的协调控制，包括最大功率充电控制、LED灯具脉冲放电控制、响应用户操作和系统保护；
信号处理及AD采样电路：负责将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号等调制后转换为数字信号送入微处理器；
主电路：由分时复用的Buck-Boost双向DC-DC变换器、功率管的驱动电路和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和LED灯具的放电；
人机接口电路：作为控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息。
2 算法研究
2.1 太阳能电池最大功率点跟踪算法设计
通过对太阳能电池输出特性的深入研究，设计出一种跟踪快速、实现简单的最大功率点跟踪算法增量电导法。
太阳能电池板是光能转换成电能的枢纽，因太阳能电池板在系统中属于造价占80﹪的部件，它的转换效率直接决定整个光伏系统对太阳光能的利用率。太阳能电池的转换效率很低，价格昂贵，初期投入大，在太阳能电池价格居高不下的情况下，提高太阳能电池的利用率就成了一种最有效的方法，太阳能电池输出能力控制是最重要的课题。因此有必要采用最大功率点跟踪控制来提高光伏系统的效率。最大功率点跟踪（MPPT）研究的目的是使太阳能电池尽可能多的输出电能，从而保证太阳能LED路灯系统负载的工作时间及照明效果，真正做到充分利用太阳能。
太阳能电池的电压与电流是非线性的关系，在不同的日照强度、温度、及组件老化等因素影响下，太阳能电池的输出功率受到很大影响。但在不同条件下的工作曲线，均只有一个最大功率点，如图2所示。太阳能电池表面温度、日照强度等因素因地而异，有时甚至瞬息万变，给最大功率点跟踪造成了一定困难。在特定的温度和光照条件下，输出能否工作在最大功率点取决于组件所带的负载大小。太阳能电池阵列带不同电阻负载时工作点不同，根据线性电源的原理，当负载等效电阻与电源的等效内阻相等时，电源输出功率达到最大值。虽然太阳能电池和控制器中的DC-DC变换电路组成的电源具有非线性，但在极短的时间内可以认为是线性的。因而通过调节DC-DC变换电路的脉宽调制（PWM）控制信号的占空比，使负载的等效电阻与太阳能电池的等效内阻相等，即可使太阳能电池的输出功率达到最大。
本文中我们采用增量电导法来实现太阳能电池的最大功率点跟踪控制。增量电导法是根据太阳能电池的功率对电压的变化率与输出电压、电流之间的关系来实现最大功率点追踪。太阳能电池输出功率与电压的数值关系在整个工作区间内为一单峰函数，最大功率点 处的斜率为0，即：
1）假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有dP/dU>0即dI/dU>-I/U，说明参考电压应向着增大的方向变化。
2）同理，假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有dP/dU<0，即dI/dU<-I/U，说明参考电压应向着减小的方向变化。
3）假设当前太阳能电池的工作点位于最大功率点处（附近），此时将有dP/dU=0，此时参考电压将保持不变，即太阳能电池已工作在最大功率点上。
增量电导法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。这种控制算法需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。算法控制精确，响应速度快，适用于大气条件变化快的场合。最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比其他观测法小。具有算法稳定性高，振荡小的优点。增量电导法流程图如图3所示：
2.2 蓄电池充电算法设计
结合太阳能电池输出最大功率点跟踪算法及蓄电池充电特性，设计出了脉宽调制“三段式”充电算法，同时兼有温度补偿功能。此算法既能保证充电效率，又能实现对蓄电池进行必要的保护。
第一阶段(25%
2.3 蓄电池剩余容量（SOC）控制算法
蓄电池SOC控制法指的是蓄电池在使用过程中，系统始终在线检测蓄电池的容量，当容量处于不同的程度时系统对其采取不同的措施，负载的大小自动适应SOC的状态，在此通过参考文献(由于篇幅有限，在此选用成熟的SOC数学模型)得出如下蓄电池剩余容量（SOC）放电和充电过程的数学模型[2]。
式中：a由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1-0.2；
b-电化学极化项常数，0.1-0.15；
c-内阻极化项常数，0.08-0.15；
D-由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1-0.2；
e-电化学极化项常数，0.2-0.25；
f-内阻极化项常数，0.15-0.25；
SOC-蓄电池的荷电状态或蓄电池在任意时刻的容量，为了区别于蓄电池的额定容量，本文称它为蓄电池的剩余容量。SOC用百分比表示(0～100%)。
DOD-蓄电池的放电深度，用百分比表示(0～100%)，DOD=l-SOC。
有了这样的通用性强的，能够反映各个物理化学参数连续变化对蓄电池荷电状态影响的数学模型，就可以很方便地在线测量蓄电池。在放电/驱动阶段，测量蓄电池电压，根据数学模型计算出蓄电池剩余荷电容量（SOC)，计算各区间([80％, 100％], [60％, 80％], [40％, 60％]中驱动并调节LED照明亮度的脉宽信号(PWM)的对应键值，当SOC处于40%以下时候，应该做特殊处理，以最低亮度标准运行，并且一定要在过放之前切断负载供电，在设计中，我们一般在剩余荷电容量(SOC)为25%时候就切断电源，可完全避免过放。
2.4 本文所用综合算法
结合最大功率点跟踪算法、温度补偿、蓄电池充放电保护策略，本课题设计的综合程序流程图如图4所示。
3 主电路设计
主电路模拟蓄电池化学反应过程，利用PWM方式调制蓄电池充电[3]，STC12C5412AD单片机以前后间歇10-50ms、脉宽为1-5 ms正负脉冲PWM方式输出脉冲，目的是提供能够缩短蓄电池充电时间的脉充信号。利用蓄电池充电时间和LED灯具供电时间的交错，分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器，同时实现太阳能电池板的最大功率输出和LED灯具的脉冲式供电，另外，该控制器可以根据蓄电池剩余容量和用户设定，自动调整LED发光亮度，实现系统的高效运行，具体电路如图5所示：
具有如下功能：
1）采用DC-DC变换器改变太阳能电池板端电压，对蓄电池进行具有MPPT和脉宽调制的“三段式”充电，可以提高太阳能电池板的利用率和蓄电池的充电效率，从而延长了太阳能LED路灯的供电时间。
2）采用脉冲方式对太阳能LED路灯供电，可以在保持其亮度的基础上，降低其损耗，达到节能的目的；根据蓄电池剩余容量和用户设定，动态调整LED灯具的亮度，可以延长蓄电池的供电时间，有效地保护蓄电池。
3）分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器，实现太阳能LED路灯的充放电管理，提高了系统效率，减少了硬件成本。
4 软件实现
系统初始化后，系统首先从EEPROM数据存储区提取各个模块工作参数，使各个功能模块进入工作模式[4]。然后系统对太阳能电池电压、蓄电池电压进行检测，根据两者电压值做出充电模式的判断。系统便进入充放电自动控制模式，同时系统开放所有功能中断，方便各种键盘操作能及时对工作状态进行修正。系统总体流程图，如图6所示。
5 结论
太阳能LED路灯设计的核心是太阳能电池最大功率点跟踪算法和蓄电池的智能充电算法的研究。只有高效、快速、准确的充电算法作为保证，安全的蓄电池剩余容量在线检测和放电算法为基础，才能使控制器具备稳定、准确、快速的工作特性。太阳能LED路灯进行智能设计工作是很有意义的，它不但降低了太阳能路灯系统成本，而且提高了系统的可靠性。
参考文献：
[1]赵庚申、王庆章，最大功率点跟踪控制在光伏系统中的应用[J].光电子·激光，2003，14（8）：813-816.
[2]土长贵等，小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理[A].阀控式密封铅酸蓄电池原理与应用[C].北京:中国电力出版社，2004.
[3]姜祥元，太阳能路灯的设计与应用[J]. 福建建筑,2008，121（7）：95-97.
[4]JU ZHENHE. Optimal design of solar street light system for new campus of Shenyang institute of engineering [J].Journal of Shenyang Electric Power Institute，2004，6（3）：31-35.
作者简介：
李丽敏（1974-），女，黑龙江铁力人，东北农业大学在读研究生，佳木斯大学信息电子技术学院副教授，研究方向：太阳能光伏发电。