CN102548154A - 一种太阳能led照明系统控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能LED照明系统控制装置，其包括：太阳能电池板，LED照明负载，双向变换器，控制器，蓄电池。所述太阳能电池板和所述LED照明负载经切换开关与所述双向变换器相连，所述双向变换器与所述蓄电池相连。本发明利用Zeta/Sepic双向变换器进行蓄电充电和LED驱动，有利于减小电路体积和节约系统成本；采用三段式充电控制既实现了太阳能的有效利用又延长了蓄电池的使用寿命；采用恒流驱动技术保证了LED的可靠工作。

Description

一种太阳能LED照明系统控制装置
技术领域
本发明涉及太阳能LED照明系统充电和驱动控制技术领域，特别涉及一种太阳能LED照明系统控制装置。
背景技术
太阳能是一种巨大、无尽、清洁的绿色能源，半导体发光二极管(LED)也是一种环保、节能、高效的固态电光源。将太阳能技术和LED技术相结合在一起，开发太阳能半导体照明，是最佳的节能、环保组合，是新一代能源和新一代光源的完美结合。太阳能LED照明系统主要由太阳能电池、蓄电池、LED照明设备、充电电路、LED驱动电路、控制器组成。太阳能电池板是整个系统最昂贵的部件，为有效利用太阳能，需要对系统进行最大功率点跟踪；蓄电池是整个系统最脆弱的部件，为延长蓄电池的使用寿命，需要根据蓄电池特性对蓄电池进行充电和放电；蓄电池输出需要采用的一定驱动电路才能保证LED照明设备可靠稳定地工作；以上所有控制功能均由控制器实现。
常规的太阳能LED照明系统DC-DC变换电路和LED恒流驱动电路为两套相对独立的电路结构，系统存在结构复杂、可靠性低和效率不高等缺点。分析电路拓扑结构可知两部分电路原理和结构十分相似，同时太阳能LED照明系统充电和放电不会同时进行，若将双向变换器引入系统，可简化电路结构，改善系统性能，提高系统效率。便若采用单一升压或是降压功能的双向变换器，会降低系统的适用范围及灵活性，特别是在辐照度减弱或是蓄电池电能降低的情况下，不能很好地满足LED照明电路的工作要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是设计一种基于Zeta/Sepic双向变换器的太阳能LED照明系统控制装置，采用三段式充电控制算法对蓄电池进行充电，选择恒流驱动技术驱动LED负载工作。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种太阳能LED照明系统控制装置，其特征在于，其包括：太阳能电池板，LED照明负载，双向变换器，控制器，蓄电池。所述太阳能电池板和所述LED照明负载经切换开关与所述双向变换器相连，所述双向变换器与所述蓄电池相连。该装置利用双向变换器进行蓄电充电和LED驱动，采用三段式充电算法进行蓄电池充电控制，选择恒流驱动技术驱动LED负载工作。
优选的，所述双向变换器为Zeta/Sepic双向变换电路，在有光照时系统将太阳能电池转换的电能通过Zeta变换器储存在蓄电池中；在夜晚照明时系统将蓄电池的电能通过Sepic变换器给LED负载供电。
优选的，所述充电控制为三段式充电算法，即当蓄电池端电压小于其最大电压上限UM(U＜UM)，此时实施最大功率充电；当检测U＝UM时，如果此时的充电电流大于阈值电流IC(I＞IC)，则对蓄电池进行恒压充电；若I＜IC，则转换为浮充充电。
优选的，所述最大功率充电算法选择电导增量法。
优选的，所述恒流驱动为采用Sepic变换器为主电路，以高亮LED驱动芯片HV9930为控制芯片的LED恒流驱动电路。
优选的，所述控制器为单片机芯片。
上述技术方案有如下有益效果：该方案充放电电路采用双向Zeta/Sepic变换器，一机双用，通过控制器可在太阳能电池和LED负载间灵活地切换。在充电模式下，系统将转换开关切换到太阳能电池，将电能通过双向变换器向蓄电池充电；在放电模式下，转换开关切换到LED照明负载，蓄电池电能通过双向变换器向负载供电。采用三段式充电控制既实现了太阳能的有效利用又延长了蓄电池的使用寿命；采用恒流驱动技术保证了LED的可靠工作。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可以依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1为本发明实施例结构示意图。
图2为本发明实施例双向变换器应用电路。
图3为本发明实施例充电工作模式等效电路。
图4为本发明实施例放电工作模式等效电路。
图5为本发明实施例蓄电池充电控制流程图。
图6为本发明实施例电导增量法流程图。
图7为本发明实施例LED负载驱动电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。
如图1所示，本发明一种太阳能LED照明系统控制装置包括：1太阳能电池板，2LED照明负载，3双向变换器，4控制器，5蓄电池。太阳能电池板和LED照明负载经切换开关与双向变换器相连，双向变换器与蓄电池相连。充放电电路采用双向Zeta/Sepic变换器，一机双用，通过控制器可在太阳能电池和LED负载间灵活地切换。在充电模式下，系统将转换开关切换到太阳能电池，将电能通过双向变换器向蓄电池充电，变换器主要完成光伏发电MPPT控制及蓄电池充电管理；在放电模式下，转换开关切换到LED照明负载，蓄电池电能通过双向变换器向负载供电，变换器主要完成放电管理和LED恒流驱动。
如图2所示，本发明实施例充放电复用Zeta/Sepic双向变换器，其由继电器开关S1、S2，功率开关管Q1、Q2，电感L1、L2及电容C1组成。在不增加电力电子器件的情况下，通过增加S1、S2，使电路结构更适合于太阳能LED照明系统。S1主要完成太阳能电池与LED照明负载间的切换控制；S2主要起隔离保护作用，当主电路故障或蓄电池异常时，快速切断蓄电池与主电路的连接，增加了系统的可靠性及灵活性。
如图3所示，本发明实施例在充电工作模式，切换控制开关连接太阳能电池电源，太阳能电池通过充电通道向蓄电池充电，其电路拓扑结构是Zeta变换器。若电路进入稳态，主开关管Q1导通时，太阳能电池经D1向L1储能，同时通过C1、L2向蓄电池供电；Q1关断时，L1通过D3向C1充电，同时L2向蓄电池供电。
如图4所示，本发明实施例在放电工作模式下，切换控制开关连接LED照明负载，蓄电池通过Sepic变换器向LED负载供电。电路工作于电流连流模式(CMM)下，主开关管Q2导通时，蓄电池向L2储能，C1、L1回路导通，C2向LED负载供电；Q2关断时，蓄电池经L2、C1和D2后向LED负载供电，同时L2、C1、L1回路导通。
如图5所示，本发明实施例采用三段式充电算法对蓄电池充电。对于太阳能LED照明系统来说，晚上蓄电池对LED照明负载供电，并且控制电路始终由蓄电池供电，因而当检测到太阳电池满足供电条件，DC-DC转换电路开始工作时，蓄电池总为非满状态，此时蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限UM(U＜UM)，此时实施最大功率充电(MPPT)；当检测U＝UM时，如果此时的充电电流大于阈值电流IC(I＞IC)，则对蓄电池进行恒压充电(CV)；若I＜IC，则转换为浮充充电(VF)。总之，采用何种充电方式是由蓄电池的充电条件和当前的状态决定的。上述充电算法既实现了太阳能的有效利用又延长了蓄电池的使用寿命。
如图6所示，本发明实施例最大功率(MPPT)算法采用了电导增量法，电导增量法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导的大小来决定参考电压变化的方向。图中Un、In为本次采样值，Un-1、In-1为上一次采样值，dU＝0、dI＝0条件在实际使用中经常用一个小的阈值来代替为0的条件。
如图7所示，本发明实施例采用恒流驱动技术保证LED照明负载可靠稳定的工作。由于LED特性曲线的非线性和对温度的敏感性，必须用恒流源为其供电，基于Sepic变换器采用电流闭环控制实现LED照明负载的恒流驱动。HV9930是一款变频PWM控制芯片，该芯片使用滞回电流模式控制，在无需复杂辅助回路条件下能够产生快速的瞬间响应，特别适合铅酸蓄电池供电的LED驱动控制。本发明采用Sepic变换器为主电路，以高亮LED驱动芯片HV9930为控制芯片构建的LED恒流驱动电路。
本发明实施例的控制器为单片机控制系统，芯片选择ATMEGA16。为使单片机工作，需要建立单片机最小系统。为实时监控系统各主要部件工作状态，控制器需要和太阳能电池板、LED照明负载、蓄电池连接以便接收其检测电路送来的数据。为能够完成系统控制功能，控制器需要和双向变换器相连以提供PWM控制信号。
以上对本发明实施例所提供的一种太阳能LED照明系统控制装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳能LED照明系统控制装置，其特征在于，其包括：太阳能电池板，LED照明负载，双向变换器，控制器，蓄电池；所述太阳能电池板和所述LED照明负载经切换开关与所述双向变换器相连，所述双向变换器与所述蓄电池相连；该装置利用双向变换器进行蓄电充电和LED驱动，采用三段式充电算法进行蓄电池充电控制，选择恒流驱动技术驱动LED负载工作。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能LED照明系统控制装置，其特征在于，所述双向变换器为Zeta/Sepic双向变换电路，在有光照时系统将太阳能电池转换的电能通过Zeta变换器储存在蓄电池中；在夜晚照明时系统将蓄电池的电能通过Sepic变换器给LED负载供电。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能LED照明系统控制装置，其特征在于，所述充电控制为三段式充电算法，即当蓄电池端电压小于其最大电压上限UM(U＜UM)，此时实施最大功率充电；当检测U＝UM时，如果此时的充电电流大于阈值电流IC(I＞IC)，则对蓄电池进行恒压充电；若I＜IC，则转换为浮充充电。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能LED照明系统控制装置，其特征在于，所述最大功率充电算法为电导增量法。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能LED照明系统控制装置，其特征在于，所述恒流驱动为采用Sepic变换器为主电路，以高亮LED驱动芯片HV9930为控制芯片的LED恒流驱动电路。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能LED照明系统控制装置，其特征在于，所述控制器为单片机芯片。
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