畢業(yè)論文-太陽能led路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1目錄1</b></p><p>　　2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1系統(tǒng)組成2</p><p>　　2.2太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及其特性3</p><p>　　2.2.1太

2、陽能電池的基本原理和特性3</p><p>　　2.2.2太陽能電池的電特性4</p><p>　　2.3蓄電池特性5</p><p>　　3MPPT控制算法8</p><p>　　3.1擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)MPPT原理9</p><p>　　3.2MPPT控制流程11</p><p&g

3、t;　　4Buck型充電器的建模分析12</p><p>　　5蓄電池控制策略14</p><p>　　5.1鉛酸蓄電池放電控制方法14</p><p>　　5.2鉛酸蓄電池放電控制方法16</p><p>　　6太陽能照明系統(tǒng)控制器的硬件實(shí)現(xiàn)17</p><p>　　6.1系統(tǒng)功能簡介及其工作原

4、理17</p><p>　　6.2系統(tǒng)配置及功能設(shè)計(jì)18</p><p>　　6.2.1系統(tǒng)配置18</p><p>　　6.2.2充放電預(yù)訂參數(shù)18</p><p>　　6.2.3蓄電池的充電電流大小限制18</p><p>　　6.3BUCK 電路參數(shù)計(jì)算19</p><p

5、>　　6.4電源電路模塊設(shè)計(jì)19</p><p>　　6.5蓄電池電壓檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　6.6太陽能電池板電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)21</p><p><b>　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)組成</b></p><p

6、>　　太陽能LED路燈系統(tǒng)由太陽能電池組、蓄電池組(通常為鉛酸蓄電池)、控制器、LED照明燈組成。太陽能路燈系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)小的獨(dú)立光伏系統(tǒng)。</p><p>　　在進(jìn)行太陽能電池和蓄電池的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),要選擇好系統(tǒng)各部分容量,從成本、效率和可靠性等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。雖然太陽能電池的價(jià)格隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì),然而在整個(gè)系統(tǒng)中它仍是最昂貴的部分。整個(gè)系統(tǒng)的成本直接受它的容量影響。&l

7、t;/p><p>　　相比較之下,蓄電池價(jià)格較為低廉,所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)可以選取容量相對(duì)較大的蓄電池,從而盡可能對(duì)太陽能電池發(fā)出的功率充分利用。同時(shí),在與照明負(fù)載配合時(shí),還應(yīng)該考慮連續(xù)陰天的情況,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)系統(tǒng)容量要留出一定裕度。</p><p>　　在整個(gè)系統(tǒng)中起到提供照明和控制所需電能作用的是作為太陽能照明系統(tǒng)的輸入的太陽能電池。其作用是:當(dāng)白天時(shí),光照條件較好,將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能,然后再

8、通過充電電路對(duì)蓄電池充電;當(dāng)天黑后,關(guān)照條件較差,太陽能電池就停止工作,輸出端處于開路。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)是由蓄電池實(shí)現(xiàn)的。其作用是:白天時(shí),轉(zhuǎn)換太陽能電池輸出的電能為化學(xué)能并對(duì)之進(jìn)行儲(chǔ)存,到夜間再轉(zhuǎn)換回電能輸出到照明負(fù)載,全天中一直由蓄電池供給智能控制器的電源。智能控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心輔以邏輯控制電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),蓄電池容量預(yù)測(cè)和蓄電池充電精確控制

9、,以滿足太陽能照明系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行與準(zhǔn)確切換的要求,從而提高太陽能照明系統(tǒng)效率,確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,并延長蓄電池的壽命。</p><p>　　太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及其特性</p><p>　　太陽能路燈系統(tǒng)中，太陽能電池是鉛酸蓄電池充電電能的唯一來源，掌握太陽能電池的原理和特性，對(duì)于更好的利用太陽能電池所發(fā)電力，提高鉛酸蓄電池的充電效率，具有重要的意義。</p>

10、<p>　　太陽能電池的基本原理和特性</p><p>　　伏電池的理論基礎(chǔ)是光生伏特效應(yīng)原理，其最小單元是能把光能轉(zhuǎn)換為電能的光伏電池單體，每一個(gè)單體都具有正負(fù)電極，制作材料是高純度的 N 型或 P 型單晶硅棒。一個(gè)光伏電池單體的發(fā)電電壓約為 0.5V，正常工作電流為 25mA 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際太陽能路燈系統(tǒng)充電電源需要。在實(shí)際充電電源使用中，首先需將光伏電池單體通過串聯(lián)并聯(lián)連接在一起，最后經(jīng)過

11、必要的封裝，以使其具有防風(fēng)、防塵、防潮的能力，即形成光伏電池組件。通常來說，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光伏電池組件由 36 個(gè)光伏單體組成，其額定發(fā)電電壓約為 18V 左右。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光伏組件可以單獨(dú)使用，正好可滿足 12V 的蓄電池供電（本論文實(shí)驗(yàn)室所用的太陽能電池板額定電壓 18V，經(jīng)過實(shí)測(cè)，在太陽光輻射強(qiáng)度好的情況下，其發(fā)電電壓可在 20V 以上）。實(shí)際投入使用的光伏電池可由若干光伏組件經(jīng)過串聯(lián)(獲得高電壓)，再經(jīng)過并聯(lián)(獲得高電流)，最后排列安裝

12、在支架上，構(gòu)成光伏陣列。</p><p>　　圖 2-1為光伏電池單體、組件及方陣的關(guān)系圖。</p><p>　　一般來說，光伏陣列的結(jié)構(gòu)和光伏組件的串并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是可以定制的，可由用戶的需求而定，獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓等級(jí)是根據(jù)用戶使用的光伏儲(chǔ)能部件(一般是蓄電池)來定，一般為蓄電池電壓的整數(shù)倍，市場上常見的光伏陣列與常用蓄電池的電壓等級(jí)一致，如 12、24、36、48、110、220

13、 等（12V 太陽能路燈的太陽能電池即為單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光伏組件，24V 系統(tǒng)使用的太陽能電池為多個(gè)光伏組件串并接而成）。</p><p><b>　　太陽能電池的電特性</b></p><p>　　光伏電池產(chǎn)生的電流稱為光生電流，光生電流的值與太陽能電池的面積和太陽光的輻射強(qiáng)度成正比，1cm²的太陽能電池的光生電流值約為 15～30mA。光生電流的值隨環(huán)境溫度的變

14、化影響比較小，溫度每下降 1℃，光生電流減小 78uA。光生電壓的開路值與太陽能電池的面積無關(guān)，與太陽光的輻射強(qiáng)度成正比，光生電壓的開路值隨環(huán)境溫度的變化也不大，溫度每下降 1℃，光生電壓減小 2mV 左右。在無光照時(shí)，光伏電池等效于一個(gè)普通的二極管。</p><p>　　光伏電池的電氣特性主要是指電流——電壓特性，即伏安特性曲線[16]（圖2-3 為光伏電池的伏安特性曲線圖）。如圖所示，短路電流Isc指當(dāng)光伏組

15、件短路時(shí)的電流，開路電壓Voc 指光伏組件開路時(shí)的電壓。根據(jù)功率定義，光伏組件的輸出功率為光伏組件的電壓和流經(jīng)的電流乘積，即 P = V?I。在光伏特性曲線中，必有一點(diǎn) m,在該點(diǎn)處，I 與V 的所包裹的面積最大，改點(diǎn)的電流值I m為光伏組件的最佳輸出電流，電壓值V m為光伏組件的最佳電壓輸出值，該點(diǎn)功率為光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)Pm ，可由式 2_2 而得：</p><p>　　Pm = Im*Vm=Ff*Is

16、c*Uoc</p><p><b>　　蓄電池特性</b></p><p>　　太陽能照明系統(tǒng)中,太陽能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能,蓄電池則是用來儲(chǔ)存電能的器件。在太陽光足夠強(qiáng)烈的情況下,太陽能照明系統(tǒng)通過控制器向蓄電池存儲(chǔ)電能;當(dāng)太陽光線不足情況下,蓄電池放電輸出電能給LED負(fù)載。因此,蓄電池在太陽能照明系統(tǒng)中既要儲(chǔ)存多余的電能,又要保證系統(tǒng)正常工作電壓。</p&

17、gt;<p><b>　　蓄電池的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　典型鉛酸蓄電池由正、負(fù)極板,電解液和電解槽組成,其基本結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。其中,正極板的活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2),負(fù)極板的活性物質(zhì)是灰色海綿狀的金屬鉛(Pb),電解液是濃度為27%一37%的硫酸水溶液。將金屬插入含有金屬鹽的溶液中時(shí),由于荷電粒子在兩極之間的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生了一定的界面電位差,這就形成了鉛酸蓄電

18、池的電極電位。</p><p><b>　　蓄電池容量</b></p><p>　　蓄電池的蓄電能力通常用來表示蓄電池的容量,其值可用充足電后的蓄電池使其放電到一定程度,即其端電壓到終止電壓,此時(shí)電池所釋放出來的總電量來表示。當(dāng)蓄電池放電時(shí)的電流為恒定值時(shí),則滿足容量(Ah)=放電電流(A)*持續(xù)時(shí)間(h),即: Q=It</p><p>

19、<b>　　蓄電池的荷電狀態(tài)</b></p><p>　　反映蓄電池的剩余容量時(shí),通常用蓄電池的荷電狀態(tài)Soc來表示。在數(shù)值上其定義為蓄電池剩余容量與其總?cè)萘康谋戎?即: </p><p><b>　　Soc= </b></p><p>　　式中:QR是當(dāng)前條件下電池還能輸出的容量,即剩余容量;</p>&l

20、t;p>　　QSUM是在當(dāng)前條件下電池所能放出的最大容量.</p><p>　　如果定義SOC=1為電池充滿電狀態(tài),并且滿足:</p><p><b>　　QSUM=Q+QR</b></p><p>　　式中Q表示電池已放出的容量,則式可以表示為</p><p><b>　　Soc= </b>

21、</p><p><b>　　放電深度</b></p><p>　　放電深度表征的是蓄電池放出的容量與其輸出總?cè)萘康陌俜直汝P(guān)系,即</p><p>　　DOD= ，DOD=1-SOC</p><p><b>　　蓄電池的影響因素</b></p><p>　　影響鉛酸蓄電池壽命

22、的因素主要有下面幾點(diǎn)</p><p><b>　　(1) 過充電</b></p><p>　　對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的維護(hù)需要建立精確的充電制度并加以實(shí)施,才能使蓄電池達(dá)到最優(yōu)的性能和最長的使用時(shí)間。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明,充電方式?jīng)Q定了蓄電池的使用壽命,有些電池說是使用壞的,不如說是因充電方式的不妥而損壞的。實(shí)踐證明,過充電是影響鉛酸蓄電池壽命的主要因素。當(dāng)蓄電池過充

23、電時(shí),電解水會(huì)產(chǎn)生大量的氣體,這些氣體從電極表面逸出,增大了殼內(nèi)壓力, 并且析出的氣體會(huì)使鉛板上的活性物質(zhì)脫落,影響蓄電池的使用壽命。</p><p><b>　　(2)放電深度</b></p><p>　　放電深度是指鉛酸電池在使用過程中放電到何種程度停止,100%的放電深度是指放出全部電量。放電深度對(duì)鉛酸蓄電池容量的影響很大。放電電流越小,放電深度越小,鉛酸蓄電池

24、的壽命越長。如圖2-10所示為鉛酸蓄電池的循環(huán)使用次數(shù)及其放電深度的關(guān)系。因此在設(shè)計(jì)光伏照明系統(tǒng)時(shí)即要合理的使用蓄電池的容量,又要避免過放,延長蓄電池的使用時(shí)間。</p><p><b>　　(3)溫度的影響</b></p><p>　　每種鉛酸蓄電池在出廠時(shí)廠方都給出了一個(gè)相應(yīng)的工作環(huán)境溫度,在此溫度范圍內(nèi)蓄電池能發(fā)揮出最佳效能。溫度對(duì)鉛酸蓄電池的影響很大,在環(huán)境溫

25、度為15°C~35°C時(shí),鉛酸蓄電池的放電能力有所提高,但是當(dāng)環(huán)境溫度一旦超過25°C,溫度每升高10°C度,鉛酸蓄電池的使用壽命縮短一半,例如如果鉛酸蓄電池的使用壽命是6年,環(huán)境溫度為35°C時(shí),其使用壽命就只有3年了。另外鉛酸蓄電池的電壓具有負(fù)的溫度系數(shù),當(dāng)溫度每升高1°C時(shí),單體鉛酸蓄電池的電壓下降約3mv,所以在很寬的溫度范圍內(nèi)保證鉛酸蓄電池能充好電,同時(shí)避免過充,充電

26、器的轉(zhuǎn)化溫度必須隨著蓄電池的電壓溫度系數(shù)的變化而變化。</p><p><b>　　(4)長期浮充電</b></p><p>　　目前,閥控式鉛酸蓄電池大多數(shù)都長期處于浮充狀態(tài),大量的運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)表明,這樣會(huì)造成鉛酸蓄電池的正極板鈍化,使蓄電池內(nèi)阻急劇增大容量大幅下降,使鉛酸蓄電池實(shí)際的供電時(shí)間大大縮短。</p><p><b>　　

27、(5)充電不足</b></p><p>　　鉛酸蓄電池的充電不足會(huì)導(dǎo)致硫酸鉛形成堅(jiān)硬致密的晶體,不易在轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛,失去可逆作用,從而使蓄電池容量降低。</p><p><b>　　MPPT控制算法</b></p><p>　　MPPT實(shí)際上就是一個(gè)自尋優(yōu)過程。當(dāng)負(fù)載特性與太陽能電池陣列特性的交點(diǎn)在陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓Um之

28、左時(shí),MPPT的作用就是使交點(diǎn)處的電壓升高;而當(dāng)交點(diǎn)在陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓Um之右時(shí),MPPT的作用就是使交點(diǎn)處的電壓下降,原理如圖3.4所示</p><p>　　目前經(jīng)常使用的MPPT算法可以分為以下幾種:</p><p>　　(1)恒定電壓控制法</p><p>　　我們知道,太陽能電池的最大功率點(diǎn)電壓是其開路電壓的76%左右。確定最大功率點(diǎn)時(shí),先將負(fù)載斷開,

29、通過對(duì)開路電壓進(jìn)行采樣和保持以作為控制部分的參考電壓值。因?yàn)樘柲茉诠庹諚l件相似的情況下其最大功率點(diǎn)的電壓變化不大,接近于恒定,因此這種方法對(duì)日照和環(huán)境變化不大的地區(qū)比較適用。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來比較容易且成本低廉,但是其誤差比較大。</p><p><b>　　(2)曲線擬合法</b></p><p>　　這是先將太陽能電池組件的輸出特性測(cè)量出來,同時(shí)用數(shù)學(xué)表達(dá)

30、式進(jìn)行描述的方法。其方法的缺點(diǎn)是受限于復(fù)雜因素的影響,比如溫度!老化以及電池的擊穿等,不容易測(cè)量。</p><p><b>　　(3)導(dǎo)納微分法</b></p><p>　　這種方法也被稱為增量電導(dǎo)法。它認(rèn)為在太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)處,輸出功率對(duì)輸出電壓的一階導(dǎo)數(shù)為零。所以當(dāng)環(huán)境的光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí),就可以根據(jù)dI/dV的運(yùn)算結(jié)果是否和-I/V相等來判定是否需要繼續(xù)對(duì)

31、輸出電壓進(jìn)行調(diào)整, 這樣就實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的跟蹤。</p><p><b>　　(4)擾動(dòng)觀察法</b></p><p>　　擾動(dòng)觀察法是截止目前最為成熟且應(yīng)用最大的方法。其基本思想就是控制充電電路開關(guān)信號(hào)的占空比,使之增大或者減少,從而改變電路的輸出功率,根據(jù)功率的變化來決定對(duì)占空比的控制,是讓其減小還是讓其增大。在結(jié)構(gòu)圖中,擾動(dòng)觀察法不需要太多的硬件電路,A/D轉(zhuǎn)

32、換器需求的較少,因此制造時(shí)可以大大節(jié)省成本。但是這種方法也存在一些缺點(diǎn),比如在對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤的過程中,響應(yīng)速度不能根據(jù)大氣條件的迅速改變而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,使得跟蹤的速度變慢,引起功率的損失。</p><p>　　上面所介紹的四種方法,總結(jié)起來,各有利弊,都不能夠同時(shí)具有成本低、穩(wěn)定性高、追蹤速度快等特點(diǎn)。比較起來,第一種方法只能對(duì)最大功率點(diǎn)的位置進(jìn)行粗略估計(jì),當(dāng)光強(qiáng)變化到非常大或非常小時(shí)將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。第

33、二種方法使用前必須要弄清楚當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和氣候,同時(shí)還要對(duì)太陽能電池的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,因此可移植性比較差。第三種方法對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度要求較高,在一般的單片機(jī)系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)。通過分析比較,本課題采用了第四種方法,即首先判定當(dāng)前的工作點(diǎn)是不是最大功率點(diǎn),然后再根據(jù)判斷結(jié)果來決定是否要繼續(xù)調(diào)整,以及調(diào)整的方向。</p><p>　　擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)MPPT原理</p><p>　　畫出擾動(dòng)分析法的原

34、理結(jié)構(gòu)圖,如圖3.5所示。</p><p>　　擾動(dòng)觀察法是一種實(shí)時(shí)控制的最大功率跟蹤方法,它每隔一定的時(shí)間控制太陽能光伏電池輸出電壓的增加或者減少,觀察太陽能光伏電池輸出功率的變化規(guī)律。擾動(dòng)觀察法的控制原理是控制太陽能光伏電池輸出電壓朝著使太陽能光伏電池輸出功率變大的方向變化,其實(shí)質(zhì)是一個(gè)自適應(yīng)的尋優(yōu)過程。</p><p>　　擾動(dòng)觀察法通過改變太陽能光伏電池的輸出電壓,并實(shí)時(shí)的采集太陽

35、能光伏電池的輸出電流,計(jì)算出功率。該方法需要引入一個(gè)小的電壓擾動(dòng)變化量,然后進(jìn)行觀察,并與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較,根據(jù)功率比較的結(jié)果來調(diào)節(jié)太陽能光伏電池的工作電壓。如果當(dāng)前的功率大于上一時(shí)刻的功率,則說明當(dāng)前工作電壓使功率輸出增大了,應(yīng)控制太陽能光伏電池輸出電壓維持相同的方向變化;若當(dāng)前的功率小于上一時(shí)刻的功率,則說明當(dāng)前工作電壓使得功率輸出降低了,則應(yīng)控制太陽能光伏電池輸出電壓按相反的方向變化。如此反復(fù)的擾動(dòng)!觀察及比較,使太陽能光伏電池

36、達(dá)到最大功率輸出點(diǎn)。</p><p>　　圖3.3是太陽能光伏電池的功率電壓特性曲線</p><p>　　如圖3.3,假設(shè)A點(diǎn)是當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài),對(duì)應(yīng)的太陽能光伏電池輸出電壓和功率分別是UA、PA,引入了電壓擾動(dòng) u,計(jì)算下一時(shí)刻B點(diǎn)狀態(tài)下的太陽能光伏電池輸出的,并與A點(diǎn)狀態(tài)比較,得PB>PA,則擾動(dòng)繼續(xù)按增大電壓的方向進(jìn)行。當(dāng)從C點(diǎn)繼續(xù)增加擾動(dòng)電壓 u,到E點(diǎn)時(shí),PE>PC擾動(dòng)

37、應(yīng)繼續(xù)按增大電壓的方向進(jìn)行。從E點(diǎn)到F點(diǎn),PE>PF,擾動(dòng)應(yīng)按原來相反的方向進(jìn)行,則擾動(dòng)將按相反方向退回到C點(diǎn)。由圖3.3功率特性曲線可以明顯的看出最大功率點(diǎn)電壓UD處在C、F兩點(diǎn)之間,太陽能光伏電池將在最大功率點(diǎn)D點(diǎn)左右振蕩工作。</p><p><b>　　MPPT控制流程</b></p><p>　　MPPT控制流程如圖3.9所示。整個(gè)控制的核心是微處理器

38、,首先對(duì)太陽能電池陣列的輸出電流IP,和輸出電壓UP,進(jìn)行采集,計(jì)算后得到其輸出功率,通過對(duì)開關(guān)S占空比的控制來實(shí)現(xiàn)MPPT調(diào)節(jié)</p><p>　　最大功率點(diǎn)跟蹤程序設(shè)計(jì)</p><p>　　Buck型充電器的建模分析</p><p>　　根據(jù)本文實(shí)際情況,太陽能光伏電池輸出電壓大于蓄電池電壓,可以選用的充電控制主電路有Buck。Buck電路模型簡單且電感電流即為

39、蓄電池的充電電流,通過檢查瞬時(shí)的充電電流即可檢測(cè)功率,因此選用Buck電路作為最大功率跟蹤的主電路是最合適的。</p><p>　　由于DC/DC變化器中包含有功率開關(guān)器件或二極管等非線性元件,因此是一個(gè)非線性系統(tǒng)。但是當(dāng)DC/DC變換器在某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近,電路狀態(tài)變量的小信號(hào)擾動(dòng)之間的關(guān)系程線性特征。因此,盡管DC/DC變換器為非線性電路,但在研究它在某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的動(dòng)態(tài)特征時(shí),可以把它當(dāng)作線性系統(tǒng)來近似

40、處理,這就要用到狀態(tài)平均的概念。在DC/DC變換器的動(dòng)態(tài)建模中,通常會(huì)忽略一些次要因素,保留系統(tǒng)的主要行為,以簡化模型。忽略開關(guān)頻率與其邊頻帶就是為了簡化模型,一般這種簡化都是合理的。本文以下的建模都是忽略開關(guān)頻率分量和開關(guān)頻率諧波分量及其邊帶分量,建立占空比、輸入電壓的低頻擾動(dòng)對(duì)變換器中的電壓、電流影響的小信號(hào)線性化模型。</p><p>　　圖 1-1 BUCK變換器主電路</p><p&

41、gt;　　BUCK型變換器是一種單開關(guān)非隔離變換器，其電路組成如圖1-1所示，它由一個(gè)電子開關(guān)S，二極管D，電感L，電容C和一個(gè)基本負(fù)載R構(gòu)成。如果讓開關(guān)S周期性導(dǎo)通、關(guān)斷，對(duì)輸入電壓進(jìn)行斬波，在二極管的兩端可以得到一連串方波電壓VD。經(jīng)過串聯(lián)電感濾波電路的濾波，在輸出端就可以得到平穩(wěn)的輸出電壓VO了?？刂崎_關(guān)S開通和斷開的比例，就可以控制輸出電壓VO的高低了。</p><p>　　占空比定義：為了敘述和分析問題

42、方便，設(shè)開關(guān)的閉合導(dǎo)通時(shí)間為Ton，斷開的時(shí)間為Toff，開關(guān)的周期為Ts，我們用占空比D來描述開關(guān)S接通的時(shí)間和工作周期的比例關(guān)系，占空比D定義為：</p><p>　　其中Ts是開關(guān)的動(dòng)作周期，(Ts=Ton+Toff)。</p><p>　　電感電流連續(xù)時(shí)的情況：</p><p>　　圖1-2 BUCK變換器兩種開關(guān)狀態(tài)下等效電路</p><

43、;p>　　開關(guān)閉合時(shí)電感電流增加，得到開關(guān)閉合時(shí)的原始微分方程：</p><p>　　考慮初始條件iLo≠0，可以解出電感電流的表達(dá)式：</p><p>　　當(dāng)t=Ton時(shí)電感電流有最大增量ΔiLp=iL(Ton)-iLo: </p><p>　　當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感電流將下降。開關(guān)斷開時(shí)的原始微分方程式：</p><p>　　由此不難得

44、出開關(guān)斷開期間電感電流的的(負(fù))增量ΔiLm：</p><p>　　由電感電流的連續(xù)性可知穩(wěn)態(tài)工作時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電感電流的凈波動(dòng)量應(yīng)為零(否則就不是穩(wěn)態(tài))。所以由式(1.4)(1.6)必有ΔILp+ΔILp=0,。即有如下等式：</p><p>　　消去L，并注意到Ton=DTs和Toff=Ts-Ton=(1-D)Ts，可以得到輸入電壓Vi、輸出電壓Vo和占空比D三者的關(guān)系式如下：Vo=Vi

45、D </p><p>　　按照通常習(xí)慣用Vo/Vi表示電路關(guān)于輸入電壓到輸出電壓的變換增益。因此電流連續(xù)時(shí)BUCK變換器的電壓增益為：</p><p>　　Vo/Vi=M(D)=D </p><p>　　由于總有D≤1，所以總有Vo≤Vi，因

46、此BUCK變換器又叫做降壓變換器。</p><p><b>　　蓄電池控制策略</b></p><p>　　根據(jù)上述分析,蓄電池在整個(gè)路燈系統(tǒng)中較為貴重,是儲(chǔ)能供電組件,是影響照明系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵部件。在蓄電池的充電過程中,既要保證充電效率,快速充電,又要防止過充。同時(shí)考慮充電副反應(yīng)對(duì)蓄電池的影響,溫度對(duì)蓄電池容量的影響。</p><p>　　鉛

47、酸蓄電池放電控制方法</p><p>　　系統(tǒng)總體控制如圖4-9所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化。初始化完成后首先檢查太陽能板輸出電壓,根據(jù)檢測(cè)到的電壓Vs來準(zhǔn)確切換系統(tǒng)的三個(gè)工作狀態(tài)。其判斷過程是當(dāng)太陽能板輸出電壓VS<1V時(shí),則此時(shí)系統(tǒng)處于夜晚,蓄電池驅(qū)動(dòng)LED照明;如果此時(shí)Vs>lV,則進(jìn)一步判斷VS>3V是否成立,如果成立則系統(tǒng)正處于白天LED媳滅,否則繼續(xù)檢查太陽能板電壓。當(dāng)判斷當(dāng)前處于

48、白天時(shí),繼續(xù)判斷太陽能板輸出電壓VS>VON是否成立,如果成立則太陽能板開始給蓄電池充電,否則系統(tǒng)繼續(xù)檢測(cè)太陽能板電壓。</p><p>　　本論文采用實(shí)時(shí)跟蹤、溫度補(bǔ)償、PWM控制的充電控制方案:</p><p>　　(1)蓄電池的容量與蓄電池的電壓是成比例關(guān)系的,把容量隨溫度變化的關(guān)系按電壓的變化關(guān)系來處理:實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)試蓄電池的工作溫度,以25oC為基準(zhǔn),按-5mV/oC/2V

49、進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　(2)采用PWM控制技術(shù)。本文根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性以及太陽能輸出功率特性,選擇最大功率(MPPT)、恒壓充電、浮充充電三階段的控制方式。太陽能極板的電壓要超過蓄電池的工作電壓20-30%,才能保證給蓄電池正常充電。具體過程是先檢測(cè)蓄電池電壓VS,、電流,當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓VBAT<V1(11.2V)充電方式切換至MPPT充電狀態(tài);當(dāng)VBAT> V1(11.2V)時(shí),

50、進(jìn)一步判斷充電電流是否大于蓄電池的最小充電電流Imin(1.5A)，如果充電電流大于Imin則進(jìn)入恒壓充電模式 ；否則充電狀態(tài)進(jìn)入浮充充電模式,補(bǔ)償蓄電池自放電而損失的電量。</p><p>　　鉛酸蓄電池放電控制方法</p><p>　　從鉛酸蓄電池的放電曲線（圖 2.5 所示）可以看出，放電過程中，鉛酸蓄電池電壓不斷下降。造成這種現(xiàn)象的原因主要有三個(gè)：</p><p

51、>　?。?） 隨著放電的進(jìn)行，蓄電池內(nèi)部的電解液稀硫酸的濃度不斷降低，電動(dòng)勢(shì)降低。</p><p>　?。?） 放電過程中，正負(fù)電極的活性物質(zhì)會(huì)不斷消耗，化學(xué)反應(yīng)面積減小，極化增加。</p><p>　?。?） 隨著放電過程化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，生成的PbSO4 越來越多，蓄電池內(nèi)阻不斷變大，內(nèi)部壓降變高。</p><p>　　如圖 2-5 所示，鉛酸蓄電池的放電分

52、為三個(gè)階段。在 OE（放電初期）階段電壓下降速度較快。在 EG（放電中期）電壓緩慢下降，這個(gè)過程持續(xù)時(shí)間比較長。 G 點(diǎn)開始即進(jìn)入放電末期，電壓急劇下降。G 點(diǎn)電壓的出現(xiàn)，標(biāo)志著鉛酸蓄電池放電的結(jié)束。此時(shí)應(yīng)立即關(guān)掉負(fù)載，結(jié)束放電，否則會(huì)造成過放電而造成鉛酸蓄電池的徹底損壞。單個(gè)閥控密閉型鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（25℃，0.1C 充電率）下的停止放電的闕值電壓約為 1.78～1.82V。</p><p>　　太陽能照

53、明系統(tǒng)控制器的硬件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　系統(tǒng)功能簡介及其工作原理</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的太陽能控制器以單片機(jī)為控制核心,外圍電路主要由時(shí)鐘電路、蓄電池電壓及環(huán)境溫度檢測(cè)與充放電控制電路!電池板電壓檢測(cè)電路、負(fù)載電流檢測(cè)與輸出控制電路、時(shí)鐘芯片電路、狀態(tài)顯示電路等構(gòu)成。太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。</p><p>　　太陽能電池板電壓采集電路用于

54、辨別太陽光照的強(qiáng)度,蓄電池電壓采集電路采集蓄電池端電壓。太陽光照的強(qiáng)度直接關(guān)系到太陽能電池板的電壓輸出,因此可以通過采集太陽能電池板的輸出電壓來判斷太陽光照的強(qiáng)度。本文第二章確定了太陽能電池板的規(guī)格,功率25W、最大電壓21.8V、短路電流為1.61A。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究,當(dāng)光線較弱,需要光照時(shí),此規(guī)格的太陽能電池板的輸出電壓為4V左右。因此,本文設(shè)計(jì)的太陽能控制器以太陽能電池板輸出電壓4V作為啟動(dòng)照明設(shè)備的判斷條件。當(dāng)太陽能電池板輸出電

55、壓大于4V時(shí),判定光照強(qiáng)度較強(qiáng),不需要啟動(dòng)照明設(shè)備來增加亮度,控制器開啟充電開關(guān)向蓄電池充電;當(dāng)太陽能電池板輸出電壓小于4V時(shí),判定光照強(qiáng)度較弱,控制器開啟放電開關(guān),蓄電池放電并啟動(dòng)LED照明設(shè)備來增加亮度。</p><p>　　太陽能控制器采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PwM技術(shù))驅(qū)動(dòng)充電電路,結(jié)合最大功率跟蹤算法(MPPT)控制蓄電池的最優(yōu)充電,放電采取全功率和半功率相結(jié)合的方式。另外,溫度檢采集電路實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度,對(duì)

56、蓄電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償,大大延長了蓄電池的使用壽命。負(fù)載電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)采集放電電流,過流時(shí)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。顯示模塊用于系統(tǒng)狀態(tài)的顯示,LED發(fā)光二極管指示當(dāng)前電池板、蓄電池、負(fù)載的工作狀態(tài),。另外,控制器還加入了時(shí)鐘芯片,使得控制模式更加智能、人性化。</p><p><b>　　系統(tǒng)配置及功能設(shè)計(jì)</b></p><p>　　文設(shè)計(jì)的太陽能光伏照明系統(tǒng)的系統(tǒng)配置、功率等

57、級(jí)及參數(shù)。</p><p><b>　　系統(tǒng)配置</b></p><p>　　配置12V蓄電池系統(tǒng)； 4W的LED燈一盞。</p><p>　　電流＝4W÷12V＝0.33A </p><p>　　計(jì)算出蓄電池容量需求： 路燈每夜累計(jì)照明時(shí)間需要為滿負(fù)載10小時(shí)(h)，需要滿足連續(xù)陰雨天3天的照明需求 &

58、lt;/p><p>　　蓄電池＝0.33A×10h×3天＝10AH </p><p>　　另外為了防止蓄電池過充和過放，蓄電池一般充電到90%左右；放電余留20%左右。 所以24AH也只是應(yīng)用中真正標(biāo)準(zhǔn)的70%左右。 </p><p>　　蓄電池=10AH÷70%=15AH</p><p>　　計(jì)算出電池板的需

59、求峰值(WP)： 電池板平均每天接受有效光照時(shí)間為5小時(shí)(h)； 最少放寬對(duì)電池板需求20%的預(yù)留額。 太陽能平均電壓為17V</p><p>　　WP÷17V＝15AH*120%÷5h </p><p><b>　　WP=61.2W。</b></p><p><b>　　充放電預(yù)訂參數(shù)</b>&

60、lt;/p><p>　?、偬柲馨咫妷篤s<=lV,LED燈亮;太陽能板電壓Vs>=3V,LED滅;</p><p>　　②對(duì)于單節(jié)電池恒壓充電電壓V1=13.8V,浮充電壓V2=14.4V,停充電壓Voff=14.8V;</p><p>　　蓄電池的充電電流大小限制</p><p>　　一個(gè)15AH的蓄電池，充電電流最大不能大于4.

61、5A。循環(huán)充電時(shí)，充電器提供的最高電壓應(yīng)有限制，12V電池充電電壓為14.4—15V，充電最大電流不大于額定容量值的30%A（比如15A．H的蓄電池最大充電電流不能大于15×0.3=4.6安培）；以10小時(shí)充電率為宜（比如15A．H的蓄電池以1.5安培為宜），若充電電流過大，則蓄電池易發(fā)熱，造成極板脫落、斷裂、短路以致造成爆炸、燃燒等事故。</p><p>　　BUCK 電路參數(shù)計(jì)算</p>

62、<p>　　1. 計(jì)算電路中開關(guān)的周期Ｔ：Ｔ=1/f=1/10 kHz=100μs  </p><p>　　2. 計(jì)算電路中開關(guān)的占空比Ｄ：Ｄmin=Vo/Vin（max）=15V/ 18V=0.83 </p><p>　　3. 計(jì)算開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton：Ton=ＴxＤmin=100μs×0.83=83μs&

63、#160; </p><p>　　4. 計(jì)算電感的波紋電流dI，一般不超過最大輸出電流的30%： dI=Io×0.3=4.5A×0.3=1.35A  </p><p>　　5. 計(jì)算電感兩端電壓V：V=Vin（max）-Vout =18V-15V=3V  </p><p&

64、gt;　　6. 計(jì)算最小感應(yīng)系數(shù)，由V=LdI/dt得出：Lmin＝Vdt/ dI=3V×83μs/1.35 A=184μH  </p><p>　　7. 計(jì)算考慮誤差的感應(yīng)系數(shù)，考慮到標(biāo)準(zhǔn)之間20%的偏差和在額定電流下會(huì)有10-35%降幅， L=18.4μH/（0.8×0.65）=35.4μH , 再考慮到工作在

65、連續(xù)電流模式下，因此感應(yīng)系數(shù)調(diào)高到40μH    </p><p>　　8.電容c=100uf</p><p><b>　　電源電路模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)正常工作電壓為 5V，系統(tǒng)采用 12V的鉛酸蓄電池供電，蓄電池電壓不穩(wěn)定，而且電壓過高，所以需要對(duì)電源進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。本系統(tǒng)采用 LM

66、7805三端穩(wěn)壓器，其輸入電壓在 5～24V 時(shí)均可以保證輸出為穩(wěn)定的+5V。LM7805 組成穩(wěn)壓電源只需要很少的外圍元件，使用起來非常方便，LM7805 元件內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管等構(gòu)成的保護(hù)電路，工作穩(wěn)定可靠，而且該系列的穩(wěn)壓器非常便宜。實(shí)際應(yīng)用中，如果工作功率較高，穩(wěn)壓器發(fā)熱量會(huì)很大，穩(wěn)壓效果變差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤骷?805 需要安裝散熱片。</p><p>　　蓄電池電壓檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)<

67、/p><p>　　因?yàn)樘幚砥鞅旧韮?nèi)置戶口D,所以本論文采用A/D轉(zhuǎn)換直接測(cè)量電壓的方式 。首先確定整個(gè)控制器主體部分的的基準(zhǔn)零電位點(diǎn)和轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓,為了準(zhǔn)確測(cè)量電壓,需用蓄電池的負(fù)極作基準(zhǔn)零電位點(diǎn),模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)采用ATmega16片內(nèi)的2.53V基準(zhǔn)穩(wěn)壓作基準(zhǔn)電壓。因此,蓄電池電壓在12V以上,需采用電阻分壓電路,才能輸入到單片機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)換。為提高電壓檢測(cè)精度,一般要求轉(zhuǎn)換輸入電壓在基準(zhǔn)電壓的10%一90%范圍內(nèi),

68、即A/D輸入電壓0.253V-2.28V之間。蓄電池電壓按過度放電電壓點(diǎn)11.2至終止充電電壓點(diǎn)14.8V計(jì)算,同時(shí)減少蓄電池的放電電流、節(jié)約能量。分壓電路的總電阻應(yīng)大。檢測(cè)電路如圖3一2所示。</p><p>　　設(shè)蓄電池的正端電壓為UBTA十,分壓輸出電壓為UB-OUT,由圖3一3可知</p><p>　　UB-OUT= *UBAT+</p><p>　　太陽能

69、電池板電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　太陽能極板是蓄電池充電的來源,太陽能極板兩端電壓的高低是判斷出白天黑夜的依據(jù),是蓄電池充電控制的重要參數(shù)。本論文同樣采用A/D轉(zhuǎn)換直接測(cè)量電壓的方式測(cè)量太陽能極板電壓。與蓄電池電壓測(cè)量相同零電位,一致基準(zhǔn)電壓。太陽能電池板峰值電壓高達(dá)18.5V計(jì)算,同樣必須分壓測(cè)量。使A/D輸入電壓在0.253一2.28V范圍內(nèi),同時(shí),減少檢測(cè)電路的電流,提高輸出效率,分壓電路的串聯(lián)總

70、電阻應(yīng)大。太陽能電池板檢測(cè)電路如圖3一4所示。</p><p>　　太陽能極板負(fù)極與蓄電池的負(fù)極同電位。分壓電路中R28和R30構(gòu)成串聯(lián)電路,串聯(lián)總電阻R串為： </p><p>　　R串=R28+R30</p><p>　　R28和R30串聯(lián)后與R29并聯(lián),并聯(lián)總電阻R并為: </p><p&g

71、t;　　R并=(R29*R串)/(R29+R串)</p><p>　　R并與R26串聯(lián)的總電阻為分壓電路總電阻.總電阻R總為:</p><p><b>　　R總=R26+R并</b></p><p>　　設(shè)采樣到ATmega16的PA1口處電壓為US-OUT可推算出:</p><p>　　US-OUT=R30* *USU

72、N</p><p>　　從而,單片機(jī)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)Us-ouT大小,計(jì)算得太陽能極板的電壓</p><p>　　USUN=R總* *US-0UT</p><p>　　硬件電路的保護(hù)功能設(shè)計(jì)</p><p>　　為保證系統(tǒng)能在長期無人值守的情況下，能穩(wěn)定的工作。系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)中，蓄電池與負(fù)載之間接 15A 的保險(xiǎn)絲，防止負(fù)載短路燒毀蓄電池。光