CN102905425A - 一种智能可调控太阳能半导体照明控制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种智能可调控太阳能半导体照明控制器及方法，所述控制器包括微处理器、第一电流电压采样电路、第二电流电压采样电路、DC-DC变换电路、驱动电路、数字温度传感电路和上位机。所述方法如下：调节DC-DC转换电路PWM信号占空比，改变DC-DC转换电路的等效电阻，使之始终等于太阳能电池的内阻，从而实现光伏电池的最大功率跟踪。本发明实现了照明功率的最大化，并与上位机相连具有可监控调节功能，提高了太阳能半导体照明系统的智能化水平。

Description

一种智能可调控太阳能半导体照明控制器及方法

技术领域

本发明属于太阳能半导体照明控制器领域，尤其涉及一种智能可调控太阳能半导体照明控制器的最大功率跟踪方法，该控制器能够实现对太阳能半导体照明设备电池和工作模式的智能管理。

背景技术

随着科技的进步，传统的火力发电、水力发电的方式正逐渐被风力放电、太阳能发电等方式所取代。太阳能发电利用的是太阳光源，节能环保，更加符合我国所提出的绿色环保低碳的发展方向，因此受到广泛的应用。尤其值得一提的是，在电子仪器仪表、交通信号指示灯、城市景观照明等领域已经大量使用了一种基于太阳能半导体的照明技术。太阳能半导体照明是利用太阳电池提供电源和作光光源的组合，太阳电池是直接将光能转化为直流电能，且太阳电池组件可以通过串、并联的方式任意组合，得到实际需要的电压。将太阳电池与LED结合，将无须任何的逆变装置进行交、直流转换，因此太阳能半导体照明系统将获得很高的能源利用率、安全性和可靠性。常见的太阳能照明半导体系统有太阳能草坪灯、太阳能信号灯以及太阳能半导体路灯等。目前太阳能半导体照明控制主要存在几个方面的问题。第一：传统储能元件铅酸电池受制造技术所限使用寿命不长，在使用过程中如果出现过充过放，或者没有对铅酸蓄电池的浮充电压进行温度补偿等情况，会使铅酸蓄电池的实际使用寿命进一步缩短，远小于太阳能电池及系统控制器等其他重要部件的寿命，导致需要频繁的更换铅酸蓄电池，增加了使用的成本的同时还会对环境造成污染。第二：大部分独立型太阳能照明系统没有采用网络化监控管理，只能以区域为单位对照明设备进行简单的开关灯控制，这些分组节能控制方法欠缺人性化，不能实现信息融合以及远程集中监控，对照明设备的维护相当困难，存在对照明设备防盗、线路防盗无能为力、不能实现照明系统节能、经济、高效的目标等弊端。

发明内容

本发明目的是提供一种智能可调控太阳能半导体照明控制器及方法,该控制器实现了对光伏电池最大功率的跟踪，并利用数字温度芯片检测蓄电池的工作温度，对蓄电池的充放电过程所设定的各阈值进行温度补偿。上位机可按需求调节每个独立照明设备的工作模式。

本发明的技术方案是：本发明一种智能可调控太阳能半导体照明控制器，包括微处理器、第一电流电压采样电路、第二电流电压采样电路、DC-DC变换电路、驱动电路、数字温度传感电路和上位机；所述第一电流电压采样电路检测太阳能电池当前工作电压、电流；所述第二电流电压采样电路检测蓄电池当前工作电压、电流，所述数字温度传感电路检测蓄电池的工作温度并对蓄电池的充放电过程所设定的各阈值进行温度补偿；微处理器根据接收的太阳能电池当前工作电压和电流信号、蓄电池当前工作电压和电流信号以及温度信号通过增量电导法算出PWM信号和驱动信号，所述微处理器与上位机双向通信；DC-DC变换电路根据接收的PWM信号控制太阳能电池给蓄电池充电；驱动电路根据接收的驱动信号驱动蓄电池给半导体照明负载供电，所述半导体照明负载与上位机无线通信。

所述微处理器上还设置切换电路，所述切换电路的输入端接市电，切换电路的输出端接半导体照明负载的电源输入端。

所述微处理器上还设置液晶显示电路和蜂鸣器。

所述半导体照明负载由多个照明控制局域网构成，每一个照明控制局域网都由一个照明监控子站和多个照明终端节点即半导体灯组成，照明监控子站与照明终端节点通过无线射频通信；各个照明监控子站通过GPRS网络与照明监控中心即上位机通信。

一种智能可调控太阳能半导体照明控制器的最大功率跟踪方法如下：

根据第一电流电压采样电路检测得到的太阳能电池当前工作电压V_PV、电流I_PV，太阳能电池输出功率为：

P_PV＝V_PV×I_PV，

则瞬时电导为： $G=\frac{I_{\mathrm{PV}}}{V_{\mathrm{PV}}},$ 增量电导为： $\mathrm{\ΔG}=-\frac{d{I}_{\mathrm{PV}}}{d{V}_{\mathrm{PV}}};$

当太阳能电池的瞬时电导大于增量电导时，太阳能电池输出电压小于最大功率点处的工作电压；当太阳能电池的瞬时电导等于增量电导时，太阳能电池工作在最大功率点处；太阳能电池的瞬时电导小于增量电导时，太阳能电池输出电压大于最大功率点处的工作电压；微处理器根据检测到的前后两次太阳能电池输出功率的差值判断最大功率点的位置，进而改变DC-DC变换电路PWM信号的占空比，使DC-DC变换电路的等效电阻等于太阳能电池的内阻，从而实现了太阳能电池的最大功率跟踪。

本本发明的有益效果是：智能可调控太阳能半导体照明控制器能够通过无线通信方式与上位机相连，实时跟踪检测每个半导体照明LED灯的工作情况，并且可以按要求调整每个独立的LED灯的工作模式。实现了对太阳能蓄电池的温度补偿和最大功率跟踪，这种控制策略克服了传统的单纯的对蓄电池的充放电而使得蓄电池的寿命较短的缺陷，照明功率非最大化的缺陷，提高了太阳能照明系统的蓄电池寿命，降低了使用成本，也使得整个系统更加智能化。

附图说明

图1为可调控太阳能半导体照明控制器蓄电池电压采集硬件图；

图2为可调控太阳能半导体照明控制器蓄电池电流采集硬件图；

图3为可调控太阳能半导体照明控制器蓄电池温度采集硬件图；

图4为基于ZigBee无线通信的系统结构图；

图5可调控太阳能半导体照明控制器模块图。

具体实现方式

下面进一步对智能可调控太阳能半导体照明控制器进行描述。

如图5所示，控制器包括单片机、电流电压采样电路、DC-DC变换电路、驱动电路、数字温度传感电路、液晶显示电路、蜂鸣器和上位机；在电流电压采样电路中输出电压是利用逐次比较式A/D转换器ADC0809芯片来检测信号的模数转换，如图1所示，将太阳能蓄电池的电压经过两串电阻分压后接入转换器的模拟信号输入端，给ADC0809的START管脚输入正脉冲，启动模/数转换，转换期间EOC维持低电平，转换结束时，EOC转为高电平，由此判断转换是否完成，之后打开ADC内部三态输出锁存器，从D0~D7引脚读出数据。输出电流是采用霍尔电流传感器HBA6-NP来检测的，如图2所示，HFB06DS5采用+5V电源供电，J2作为两个输入端，串接于太阳能电池回路中，电流从J2-2输入，J2-1输出，接入100欧的取样电阻R1将信号转变为电压，输出到ADC0809IN1通道。

测得输出电压和电流后，依据增量电导法理论，太阳能电池输出功率公式表示为：

P_PV＝V_PV×I_PV    （1）

其中V_PV、I_PV分别是光伏阵列的输出电压和输出电流。等式两边求导得公式：

$\frac{1}{V_{\mathrm{PV}}}\×\frac{d{P}_{\mathrm{PV}}}{d{V}_{\mathrm{PV}}}=\frac{I_{\mathrm{PV}}}{V_{\mathrm{PV}}}+\frac{d{I}_{\mathrm{PV}}}{d{V}_{\mathrm{PV}}}---\left(2\right)$

分别定义瞬时电导和增量电导为：G和ΔG，其中，

于是上述等式变为公式（3）：

$\frac{1}{V_{\mathrm{PV}}}\×\frac{d{P}_{\mathrm{PV}}}{d{V}_{\mathrm{PV}}}=G-\mathrm{\ΔG}---\left(3\right)$

由于光伏阵列的输出电压恒为正值，所以的符号由G-ΔG决定。

当光伏阵列的瞬时电导大于增量电导时，其输出电压小于最大功率点处的工作电压；当光伏阵列的瞬时电导等于增量电导时，光伏阵列工作在最大功率点处；光伏阵列的瞬时电导小于增量电导时，其输出电压大于最大功率点处的工作电压。单片机根据检测到的前后两次输出功率的差值判断最大功率点的位置，进而改变PWM脉冲的占空比，改变输出电路的等效电阻使它始终等于太阳能电池的内阻，从而实现了光伏电池的最大功率跟踪。

其中对太阳能电池的充电，控制器采用的控制策略采取了MPPT充电、恒压充电、涓流充电三个阶段的充电方法。在第一阶段采用MPPT充电，迅速的使蓄电池充电到达一定容量，在第二阶段采用恒压充电，在第三阶段采用涓流充电。在MPPT充电阶段，充电电路的输出方式相当于电流源。输出电流蓄电池最大可接受电流Imax。充电过程中，电路检测蓄电池端电压。当蓄电池端电压上升到转换门限值后，充电电路转到恒压充电阶段。在恒压充电阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压Voc，同时检测充电电流，当充电电流降到低于转换门限值Ioct时,认为蓄电池电量已充满,充电电路转到涓流充电阶段。在涓流充电阶段，蓄电池组充满电后，采用温度补偿的充电方法，提供精确的充电电流。

在对电池的充放电进行温度补偿的方法中采用了温度采样电路，利用单总线温度传感器芯片DS18B20测量蓄电池的温度。如图3所示，单总线外接5K上拉电阻，VDD引脚接入5V外部电源供电。当蓄电池温度在T₁=15°C和T₂=35°C之间时无需温度补偿，但当温度不在这一区间时需要按照下面的公式确定浮充电压

V_F=V_F0+(T-T₀)C

式中，V_F0，T₀分别为基准点的电压和温度值，C为电压温度系数。温度传感器检测到当前蓄电池的正极电压温度T，按照公式算出所需提供的浮充电压大小进行温度补偿充电。

为了方便远程监控每个太阳能照明系统控制器的工作情况，将控制模块和Zigbee无线通信模块相结合，将所有LED灯具组成一个无线控制网络，系统采用“主站——子站——终端节点”三层结构，由照明监控中心、照明监控子站、照明终端节点（ZigBee节点）组成。子站与数目众多的终端节点通过无线射频通信，形成拓扑结构的控制局域网；各个控制局域网（控制子系统）通过GPRS网络与道路照明监控中心相连，形成星型的大区域控制网络，如图4所示。每个LED灯都是网络中的一个节点，分配一个唯一的地址，控制模块将灯具的功耗、工作情况、执行指令情况等状态信息发送到通信网络上，上传至监控计算机，系统自动监测每个灯具模块的状态。

Claims (5)

1.一种智能可调控太阳能半导体照明控制器，其特征在于包括微处理器、第一电流电压采样电路、第二电流电压采样电路、DC-DC变换电路、驱动电路、数字温度传感电路和上位机；所述第一电流电压采样电路检测太阳能电池当前工作电压、电流；所述第二电流电压采样电路检测蓄电池当前工作电压、电流，所述数字温度传感电路检测蓄电池的工作温度并对蓄电池的充放电过程所设定的各阈值进行温度补偿；微处理器根据接收的太阳能电池当前工作电压和电流信号、蓄电池当前工作电压和电流信号以及温度信号通过增量电导法算出PWM信号和驱动信号，所述微处理器与上位机双向通信；DC-DC变换电路根据接收的PWM信号控制太阳能电池给蓄电池充电；驱动电路根据接收的驱动信号驱动蓄电池给半导体照明负载供电，所述半导体照明负载与上位机无线通信。

2.根据权利要求1所述的一种智能可调控太阳能半导体照明控制器，其特征在于所述微处理器上还设置切换电路，所述切换电路的输入端接市电，切换电路的输出端接半导体照明负载的电源输入端。

3.根据权利要求1所述的一种智能可调控太阳能半导体照明控制器，其特征在于所述微处理器上还设置液晶显示电路和蜂鸣器。

4.根据权利要求1或2所述的一种智能可调控太阳能半导体照明控制器，其特征在于所述半导体照明负载由多个照明控制局域网构成，每一个照明控制局域网都由一个照明监控子站和多个照明终端节点即半导体灯组成，照明监控子站与照明终端节点通过无线射频通信；各个照明监控子站通过GPRS网络与照明监控中心即上位机通信。

5.一种如权利要求1所述的一种智能可调控太阳能半导体照明控制器的最大功率跟踪方法，其特征在于所述方法如下：

根据第一电流电压采样电路检测得到的太阳能电池当前工作电压V_PV、电流I_PV，太阳能电池输出功率为：

P_PV＝V_PV×I_PV，

则瞬时电导为： $G=\frac{I_{\mathrm{PV}}}{V_{\mathrm{PV}}},$ 增量电导为： $\mathrm{\ΔG}=-\frac{d{I}_{\mathrm{PV}}}{d{V}_{\mathrm{PV}}};$

当太阳能电池的瞬时电导大于增量电导时，太阳能电池输出电压小于最大功率点处的工作电压；当太阳能电池的瞬时电导等于增量电导时，太阳能电池工作在最大功率点处；太阳能电池的瞬时电导小于增量电导时，太阳能电池输出电压大于最大功率点处的工作电压；微处理器根据检测到的前后两次太阳能电池输出功率的差值判断最大功率点的位置，进而改变DC-DC变换电路PWM信号的占空比，使DC-DC变换电路的等效电阻等于太阳能电池的内阻，从而实现了太阳能电池的最大功率跟踪。

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