CN102137536A - 太阳能供电路灯亮度自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能供电路灯亮度自适应控制方法，应用于具备单片机、MPPT电路、过充过放保护单元以及剩余电量计算单元的太阳能路灯，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，通过测量电池内阻预测剩余电量，步骤二，亮度的自适应调节，根据太阳能路灯当天电池的充电量和剩余电量，计算得出当天灯的功耗，然后间接算出各时间段灯的亮度；与现有技术相比，本发明通过调节灯的亮度，使电池长期保持在高电位，同时使电池长期在浅充放电的情况下工作，达到延长电池寿命，降低成本，提高了太阳能路灯系统的可靠性的目的。

Description

太阳能供电路灯亮度自适应控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能环保应用技术领域，特别是涉及提高单纯太阳能供电路灯可靠性的控制系统。

背景技术

现有技术中，作为单纯由太阳能供电的路灯系统，目前还存在很多技术问题，直接影响到其成本和使用效果。目前太阳能路灯存在的问题及成本关键主要有以下几点：

1)太阳能路灯蓄电池寿命普遍不长

太阳能路灯的成本主要集中在蓄电池、电池板和LED上，其中电池板的寿命大概在15年，LED的寿命在5年，随着电池板和LED的成本的逐渐下降的形势，电池成本基本占整灯成本的30％-40％，所以如何控制电池的成本将是成本控制的关键。

一般太阳能路灯的蓄电池多采用成本低廉的铅酸电池，一年左右就要更换一次，不仅增加了使用成本，而且提高了维护成本。经过研究发现，如果蓄电池能长期保持工作在高电量值，并且放电深度在30％以下时，可防止电池硫化，延长使用寿命，这时太阳能路灯将拥有无可比拟的技术优势。图1为铅酸电池循环寿命曲线图，其测试条件是充电容量为放电容量的130％，可是通常情况下，依据YD/T799-2002规定，蓄电池完全充满电至少需要24小时，所以蓄电池绝大部分时间处于欠充状态，这种条件不能满足，所以放电深度要小于30％，经验值为13.5％-16％。而且从图中可以看出30％放电深度时的循环次数大约是50％放电深度时的循环次数的2.2倍，所以控制蓄电池的放电深度在30％以下时，可比放电深度在50％时的使用成本降低{[1-(1/2.2)]×K}(K为电池成本在整灯成本中的比重，一般为30％-40％)，结果约为可降低成本16％-22％。

2)太阳能能量全年分布不均匀，增加了设计难度

以北京气象台测得北京市内数据为例，全年5月份太阳辐射最强，12月份太阳辐射最弱，5月份约为12月份太阳辐射量的2.9倍。

对于太阳能路灯系统来说，发电量逐月变化，使用电量不变，想把夏天的电量储存到冬季是不可行的，因为普通蓄电池不可能存储这么多电量，而大容量蓄电池则大大增加成本，而且在北方漫长的冬季，大容量电池将长期处于欠电状态，将大大缩短电池寿命。

如果以光强最弱月份12月的光强为设计基准，则将大大增加设计成本；如果以光强最强月份6月光强为设计基准，则到了冬季不能满足照明时间，大大降低可靠性；所以最好以正常照明时间可以达到全年照明时间的85％为设计标准，这样可以兼顾可靠性和成本的问题。

再有，以北京为例，太阳能路灯蓄电池板的倾斜角度是根据冬季的最佳照射角度而定的，同时考虑到免清洁的问题，所以太阳能路灯蓄电池板的倾斜角度非常大，大约与垂直面有20°的角度，所以夏季的发电量并不比冬天大很多，经调研，夏季的发电率仅约为冬季的2倍，如果发生连续数天阴天降雨的情况，夏季也要合理分配能量。

所以说太阳能能量分布不均，夏天能量充足，但使用时间短，冬天有效光照时间短，但使用时间长，需要设计人员合理分配能量，灵活调整系统功率，保证正常照明，要想精确控制能量的分配并不容易。所以具有自适应调节灯光功率将是太阳能路灯解决能量问题的出路，根据剩余电量，充电量，LED功耗，实时智能调节灯光亮度，保证照明时间，确保可靠性。

3)亮度不均

这个问题是由于太阳能路灯彼此间没有建立网络，造成灯与灯之间缺乏通讯，造成灯的亮度差别较大，亮度不均的问题，甚至给司机驾驶带来不便和危险。

4)连续阴雨天使用不可靠

当出现连续降雨的情况，不能保证正常照明，给出行带来不便。

5)后期维护不合理造成太阳能路灯不能优化工作，维护不方便

没有对路灯系统的各组件的工作状态和环境进行监测，没有预警故障的功能，无法进行精确控制，只有到灯不亮时才进行维修，不能保证系统工作在最佳状态；如果要对系统进行软件升级，在没有建立网络的情况下，是很不方便的，增加了维护费用。

总的来说，当前所有矛盾和问题都和系统能量及其优化使用有着直接或间接的关系，成本和可靠性问题往往是当前推广太阳能路灯的“瓶颈”困扰。一个好的控制器的解决方案可以弥补甚至解决纯太阳能路灯的诸多问题，提高其可靠性。太阳能路灯控制器作为太阳能路灯系统的核心部分，其好坏直接影响到整个工程的成败，所以本发明提出了这个提高单纯太阳能供电路灯可靠性的控制方法的解决方案。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出了一种太阳能供电路灯亮度自适应控制方法，实现对太阳能路灯的充放电保护，实时远程监测，进行太阳能路灯蓄电池板电流检测、蓄电池电压检测、蓄电池电量监测，LED灯的运行状况以及环境温度的检测，实时上传工作环境及状态数据，预警故障，保证系统的可靠性。

本发明提出一种太阳能供电路灯亮度自适应控制方法，应用于具备单片机、MPPT电路、过充过放保护单元以及剩余电量计算单元的太阳能路灯，该方法包括以下步骤：

步骤一，通过测量电池内阻预测剩余电量，具体步骤：

建立电池等效果模型；

建立一个电量和内阻之间关系的数据库，即建立内阻-电量-循环周期的关系曲线：

利用直流放电内阻测试法测得电池内阻和时间的对应关系，即以太阳能路灯工作时电流值为放电电流值，让充满电的电池放电，从某个时间点开始，在

2-3秒内，强制电池释放40A-80A的大电流，测量放电电压稳定后的瞬间断电压差

ΔV与电流值I的比值，计算出电池的内阻R，R＝ΔV/I；

让同样状态充满电的电池以同样的温度，放电电流和放电时间放电，从而得到电流对时间的积分，进而得到不同时间段对应的电量；

在同样的温度，放电电流和放电时间条件下，同样用电流积分法，对电池电量

进行循环监测，得到每个循环周期初始的电量值，从而得到电池电量随循环周期的

变化量，作为校正量；

以时间为标准，建立起内阻-电量-循环周期的关系曲线，然后通过Matlab的曲

线拟合功能得出内阻，电量以及循环周期的关系式；

在太阳能路灯工作开始前检测电池内阻值，依据上述数据表的查询，得出对应的电量值；具体操作包括：

给电池施加一个固定频率和固定电流，然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。具体的计算公式是，在蓄电池两端施加一个固定频率和固定电流的电流源is，Rs为取样电阻，然后监测电池端电压Vo，以及is和Vo两者之间的夹角，求得内阻值

$Z=\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{is}}$

R＝Zcos θ(2)

R即为蓄电池内阻；

步骤二，亮度的自适应调节，根据太阳能路灯当天电池的充电量和剩余电量，计算得出当天灯的功耗，然后间接算出各时间段灯的亮度；根据泰勒定理灯的功耗可以用一个关于充电量和剩余电量的二元n阶多项式表示，如下：

$\min \left(f(x,y)\right)=\min \left(\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{p=0}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n+1}^{p}K{x}^p{y}^{n+1-p}\right)\≥A---\left(1\right)$

公式1中，x为充电量，y为剩余电量，n为自然数，K为系数，A为非负数，f(x，y)为灯的功耗关于充电量和剩余电量的函数，公式1表示灯的最小功耗为非负数。

所述灯的功耗用一个二维N次多项式表示，通过一次线性公式计算出的自适应调节后的电池剩余电量，其中E为灯的功耗，E1为充电量函数，E2为剩余电量函数：

E＝0.5*E1+0.5*E2

E1＝a1*当天电池板的接收电量+b1

E2＝a2*剩余电量+b2

所述灯的功耗通过二元二次方程计算得出的灯的亮度，可以保证电池电量的最低值，其中E为灯的功耗，E1为充电量函数，E2为剩余电量函数：E＝aE12+bE1E2+cE22。

与现有技术相比，本发明通过调节灯的亮度，使电池长期保持在高电位，同时使电池长期在浅充放电的情况下工作，达到延长电池寿命，降低了成本，提高了太阳能路灯系统的可靠性。

与现有技术相比，本发明的开发成本低、易于操作；且便于用户根据具体开发要求进行二次开发和定义，使用非常十分方便，可以适应不同的操作系统平台(Windows，Linux，Mac等)兼容性强。

附图说明

图1为本发明的铅酸电池循环寿命曲线图；

图2为本发明的太阳能路灯控制系统硬件框架图；

图3为本发明的蓄电池交流等效阻抗模型示意图；

图4为本发明的蓄电池内阻与剩余电量关系曲线示意图；

图5为本发明的内阻测量原理图；

图6为本发明的内阻计算相位图；

图7为本发明的在线测量剩余电量硬件框图。

具体实施方式

本发明假定我们使用的太阳能路灯电池为铅酸电池，本发明的控制方法所适用的硬件结构参考如下，该结构必须包括：

1)单片机，作为控制模块的核心，实现各种控制：如充电的开启/关断；通过对具有MPPT功能的升压电路的输出电流作积分得到充电量，作为充电量校正元素；再如通过AD采集得到电池电压、电池温度，实时监测电池，防止电池过充；还可以通过检测电池开路电压，算出电池内阻，从而得到电池工作的初始电量，用于计算剩余电量；采集灯的电流和温度值，来监测灯的工作状况；以及通过PWM信号控制太阳能路灯的开关，从而达到自适应调节亮度的目的，通过灯的控制程序控制等的开启与关闭，及其工作状态。

2)MPPT电路：根据太阳能路灯蓄电池板的特性，如将太阳能路灯蓄电池阵列的输出电压控制在某个恒定电压值附近，则光伏电池在整个工作过程中近似工作在最大功率点处，太阳能路灯蓄电池板的能量转换效率最高，此时太阳能路灯蓄电池板为恒流输出。具体采用意法半导体公司的MPPT专用芯片SPV1020，跟踪效率可达98％，能量转换效率为95％。理论上讲，使用MPPT技术会比传统方法效率提高50％，实际测试中，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20％-30％。

3)过充过放保护单元：采用充电限压，电池温升检测策略，如电池电压36V，充电截止电压42.5V-43V，充电截止温度80℃，充电截止温升30℃。不过绝大部分时间蓄电池基本处于欠充状态。同时通过对电池电压的数据实时采集，利用软件控制对电池采取限压保护；通过实时计算电池电量进行防过充过放保护，电量为100％时停止充电，电量为0时停止放电，为延长其寿命，做了第二道防线。

4)电池剩余电量计算单元：通过精确计算确定剩余电量，剩余电量为100％，停止充电；剩余电量为0时，停止放电。同时根据剩余电量和当天充电量，调整照明亮度。通常，在保证正常照明的情况下，使电池的充放电深度在30％以下时，根据电池循环寿命曲线，可以大幅有效延长电池寿命，有效降低太阳能路灯的成本，等等。

如图2所示，为太阳能路灯的控制器硬件结构图。

控制器通过PWM生成一定频率的脉冲信号，通过LC滤波器或大的RC滤波，通过三极管输出一个直流偏置和一个正弦波，其幅频为50mA，1kHz。

以下为本发明的太阳能路灯自适应控制方法的具体实施：

一、计算剩余电量

大量的实验数据表明，电池老化时蓄电池的内阻与电荷之间有较高的相关性(0.88左右)，蓄电池完全充电和完全放电时的内阻相差2-4倍，所以通过测量电池内阻可较准确地预测剩余电量。

1)建立电池等效模型

蓄电池交流等效阻抗Z模型如图3所示。R1，R2为正，负电极的极化电阻；C1，C2为正，负电极的极化电容；L为引线电感；RΩ为电池欧姆电阻。

蓄电池欧姆电阻RΩ表征了电池的荷电程度。为了简化测量，通常从等效阻抗Z中仅分离纯电阻R(R由RΩ，R1，R2组成)，R和RΩ之间呈线性关系。故可用R间接表征电池荷电程度。

2)建立内阻-电量-循环周期的关系曲线

为了得到实时剩余电量值，还要建立一个电量和内阻之间关系的数据库，该数据库的建立包括以下步骤：

首先，测得电池内阻和时间的对应关系，电池厂商常常使用的方法为直流放电内阻测试法。以太阳能路灯工作时电流值为放电电流值，让充满电的电池放电，从某个时间点开始，在2-3秒内，强制电池释放40A-80A的大电流，测量放电电压稳定后的瞬间断电压差ΔV与电流值I的比值，计算出电池的内阻R，R＝ΔV/I。其内阻测量准确率可达0.1％。

然后，让同样状态充满电的电池以同样的温度，放电电流和放电时间放电，从而得到电流对时间的积分，进而得到不同时间段对应的电量。这种对已知完全充好电的电池使用电流积分法得出的剩余电量，效果非常好，并被成功地运用于当今众多的电池电量的监测过程中。

最后，在同样的温度，放电电流和放电时间条件下，同样用电流积分法，对电池电量进行循环监测，得到每个循环周期初始的电量值，从而得到电池电量随循环周期的变化量，作为校正量。

这样，以时间为标准，就可以建立起内阻-电量-循环周期的关系曲线，然后通过Matlab的曲线拟合功能得出内阻，电量以及循环周期的关系式。蓄电池内阻与剩余电量关系曲线如图4，剩余电量随着内阻的增大而成指数趋势减小。

3)在线测量剩余电量

如图7为现有技术中的在线测量剩余电量硬件框图。本发明的具体算法是：

在太阳能路灯工作开始时计算出剩余电量，采用方法是用交流压降内阻测量法测得内阻值，通过查做好的数据表，并进行数据校正，得出对应的电量值。步骤如下：

给电池施加一个固定频率和固定电流(目前一般使用1kHz频率、50mA小电流)，然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。交流压降内阻测量法的电池测量时间极短，一般在100毫秒左右。内阻测量的原理图如图5，在蓄电池两端施加一个固定频率和固定电流的电流源is，Rs为取样电阻，然后监测电池端电压Vo，以及is和Vo两者之间的夹角，根据理论关系式1和2求得内阻值。图6为is和Vo之间的相位图。

$Z=\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{is}}---\left(1\right)$

R＝Zcos θ(2)

R即为蓄电池内阻。

亮度的自适应调节

通常太阳能路灯厂家为了保证连续阴雨天的正常工作，只一味地加大蓄电池容量，一般蓄电池的容量可达电池板容量的5倍，其实这样做并不能解决问题。因为阴雨天工作的可靠性并不取决于电池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根据当前地理位置，季节，时间，气象条件，光的辐射量，浮尘浓度，工作环境以及剩余电量，自适应调节灯的亮度，合理分配能量。由于我们的设计为纯太阳能供电，不考虑双电源，所以要想提高系统可靠性，唯一的方案就是牺牲灯的亮度。开关灯的时间根据天安门升降旗时间而定，根据表3，全年最长点灯时长在12月为14.52小时，最短为9.13小时。照明时间分为三个时段，第一个时段从当天天安门降旗时刻开始，为5个小时，第二个时段到早上5点，第三个时段从5点到天安门升旗时刻，灯光亮度各时段权重比为5∶2∶3，如果以100W光源为设计标准，则光源功耗最大为0.983kwh，在5月份。

自适应调节亮度的科学计算：

假定：

灯的功耗＝0.5*充电量+0.5*初始电量，即充电量和初始电量对灯的功耗的影响各占50％

其中，充电量＝a1*当天太阳能电池板接收的辐射量+b1；

初始电量＝a2*放电前的剩余电量百分比+b2。

其中a1和a2为系数，b1和b2为常数，理想状态是充电量等于用电量；

以下为系数a1、a2，常数b1、b2的计算过程：

最小辐射量对最大功耗：a1*2.5361kwh·天/m2*2.2162m2+b1＝0.9335kwh，

最大辐射量对最小功耗：a1*4.3125kwh·天/m2*2.2162m2+b1＝0.7688kwh，

5.6205a1+b1＝0.9335

9.5574a1+b1＝0.7688

其中，a1为负数，代表自适应调节后反而比满功率工作功耗大，需要乘上一个系数0.8，即

0.8*5.6205a1+b1＝0.9335*0.8

9.5574a1+b1＝0.7688

根据上述计算得出：

a1＝0.0043，b1＝0.7277

84％剩余电量，最大功耗：a2*(0.6+0.24)+b2＝0.9335

自适应调节的过放保护，0.8为修改系数，以0电量为停止工作点，防止

a2*0.8*0.24+b2＝0

0.84a2+b2＝0.9335

0.192a2+b2＝0

根据上述计算得出：

a2＝1.4406

b2＝-0.2766

自适应调节后灯的功耗＝0.5*(0.0043*当天辐射量+0.7277)+0.5*(1.4406*放电前的剩余电量-0.2766)

因此，自适应调节后灯的功耗＝0.00215*当天太阳能电池板接收的辐射量+0.7203*放电前的剩余电量+0.2256。

本发明主要针对支路和供行人和非机动车通行的居住区道路和人行道路灯；对于由风能供电或风光互补的路灯系统本设计同样适合；由于太阳能的不可靠性以及主干道的照明设计标准的严格性，单纯太阳能供电比市电供电的路灯系统的控制更为复杂，如系统控制需要太阳能和市电切换，则可在本设计的基础上进行精简。

Claims (3)

1.一种太阳能供电路灯亮度自适应控制方法，应用于具备单片机、MPPT电路、过充过放保护单元，以及剩余电量计算单元的太阳能路灯，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，通过测量电池内阻预测剩余电量，具体步骤：

建立电池等效果模型；

建立一个电量和内阻之间关系的数据库，即建立内阻-电量-循环周期的关系曲

线：

利用直流放电内阻测试法测得电池内阻和时间的对应关系，即以太阳能路灯工作时电流值为放电电流值，让充满电的电池放电，从某个时间点开始，在

2-3秒内，强制电池释放40A-80A的大电流，测量放电电压稳定后的瞬间断电压差

ΔV与电流值I的比值，计算出电池的内阻R，R＝ΔV/I；

让同样状态充满电的电池以同样的温度，放电电流和放电时间放电，从而得到电流对时间的积分，进而得到不同时间段对应的电量；

在同样的温度，放电电流和放电时间条件下，同样用电流积分法，对电池电量

进行循环监测，得到每个循环周期初始的电量值，从而得到电池电量随循环周期的

变化量，作为校正量；

以时间为标准，建立起内阻-电量-循环周期的关系曲线，然后通过Matlab的曲

线拟合功能得出内阻，电量以及循环周期的关系式；

在太阳能路灯工作开始前检测电池内阻值，依据上述数据表的查询，得出对应的电量值；具体操作包括：

给电池施加一个固定频率和固定电流，然后对其电压进行采样，经过整流、 滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。具体的计算公式是，在蓄电池两端施加一个固定频率和固定电流的电流源is，Rs为取样电阻，然后监测电池端电压Vo，以及is和Vo两者之间的夹角，求得内阻值

R＝Zcos θ  (2)

R即为蓄电池内阻；

步骤二，亮度的自适应调节，根据太阳能路灯当天电池的充电量和剩余电量，计算得出当天灯的功耗，然后间接算出各时间段灯的亮度；根据泰勒定理灯的功耗可以用一个关于充电量和剩余电量的二元n阶多项式表示，如下：

公式1中，x为充电量，y为剩余电量，n为自然数，K为系数，A为非负数，f(x，y)为灯的功耗关于充电量和剩余电量的函数，公式1表示灯的最小功耗为非负数。

2.如权利要求1所述的太阳能供电路灯亮度自适应控制方法，所述灯的功耗用一个二维N次多项式表示，通过一次线性公式计算出的自适应调节后的电池剩余电量，其中E为灯的功耗，E1为充电量函数，E2为剩余电量函数：

E＝0.5*E1+0.5*E2

E1＝a1*当天电池板的接收电量+b1

E2＝a2*剩余电量+b2。

3.如权利要求1所述的太阳能供电路灯亮度自适应控制方法，灯的功耗通过二元二次方程计算得出的灯的亮度，可以保证电池电量的最低值，其中E为灯的功耗，E1为充电量函数，E2为剩余电量函数：E＝aE12+bE1E2+cE22。 

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