CN106211471A - 一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，包括太阳能电池板、LED灯、锂电池组、智能控制盒和远程控制终端，其中，锂电池组采用多节锂电池串联连接组成，太阳能电池板、LED灯以及锂电池组均与智能控制盒电连接，智能控制盒包括封装壳体和设置在封装壳体内部的集中控制器，集中控制器通过无线网络连接远程控制终端；集中控制器包括控制主板、电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块，电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块均与控制主板相连接。本系统可延长锂电池组的使用寿命并能实现LED路灯亮灯功率及亮灯时间的智能控制，节约成本且方便维护。

Description

一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统

技术领域

本发明涉及太阳能路灯照明系统技术领域，尤其涉及一种利用太阳能发电、锂电池进行蓄电的节能锂电型LED太阳能路灯用智能控制系统。

背景技术

随着我国公路交通网络不断完善，LED路灯越来越多的作为城市公共照明设备而铺设在公路两旁。由于太阳能电池板的成本已大大降低，并可广泛应用，加之LED路灯省电，因此太阳能LED路灯发展成为现实。与太阳能LED路灯配套使用的储能装置是路灯系统中的关键部件，一般采用常规的价格较低的铅酸电池，用于将太阳能电池板的收集的电能存储起来，供系统在晚间或阴雨天使用。相比于太阳能LED路灯系统，铅酸电池的使用寿命不长，影响了整个路灯系统的使用寿命。而具有高效率、高容量、小体积且长使用寿命等特点的锂电池正好可以弥补铅酸电池的缺陷，其充放电次数可达3000次，使用寿命与LED灯以及太阳能电池板的使用寿命更接近，尽管锂电池成本较高，使得LED路灯系统一次性投入成本高，但长期使用，它的投入却要比铅酸电池的低。因此在现有的太阳能LED路灯系统中采用锂电池作为储能装置已逐渐成为主流。

路灯控制系统的开发和使用一直备受关注，其有利于提高道路照明质量，降低能耗，实现照明的高效管理。目前，大部分的LED路灯系统都是实行统一开启和关闭的亮灯照明规则，而没有考虑到地段、时间、气候及人流密度等多方面的因素，这样不仅造成了相当一部分电力资源的浪费，而且在一定程度上降低了LED路灯系统的使用寿命，造成LED路灯提前报废而影响使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，该系统基于锂电池的管理与对LED灯亮度的智能控制，达到延长锂电池使用寿命并能增长连续阴雨天情况下LED路灯的照明时间，整体上有效提高了LED路灯系统的使用寿命及照明效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，包括太阳能电池板、LED灯、锂电池组、智能控制盒和远程控制终端，所述锂电池组采用多节锂电池串联连接组成，所述太阳能电池板、LED灯以及锂电池组均与智能控制盒电连接，所述智能控制盒包括封装壳体和设置在封装壳体内部的集中控制器，所述集中控制器通过无线网络连接远程控制终端；所述集中控制器包括控制主板、电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块，所述电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块均与控制主板相连接。

作为本发明的一种改进， 所述电池管理模块包括电池组电压均衡单元、电池组智能充放电单元、电池组状态监测单元、过压保护单元、过温保护单元和电流检测单元，所述电池组电压均衡单元与电池组智能充放电单元相连，所述电池组状态监测单元与电池组智能充放电单元相连，所述过压保护单元与电池组电压均衡单元相连，所述过温保护单元与电池组智能充放电单元相连，所述电流检测单元与电池组智能充放电单元相连，所述电池组电压均衡单元中设有多个电压均衡芯片、分流放电支路电阻和与分流放电支路电阻串联的分流放电支路控制开关器件，所述电池组智能充放电单元中设有具有PWM控制端口的PIC芯片、充电控制开关器件和放电控制开关器件，所述过压保护单元中设有TI 二级过压保护芯片，所述电流检测单元中设有电流传感器，所述过温保护单元中设有温度传感器。

作为本发明的一种改进， 所述分流放电支路控制开关器件采用N沟道MOS管，所述充电控制开关器件采用PNP三极管，所述放电控制开关器件采用Ｎ沟道MOS管；所述电压均衡芯片的型号为S8209A，所述充电控制开关器件连接电压均衡芯片的CO管脚，所述放电控制开关器件连接电压均衡芯片的DO管脚，所述分流放电支路控制开关器件连接电压均衡芯片的CB管脚，所述分流放电支路电阻连接在N沟道MOS管的漏极端。

作为本发明的一种改进，所述LED灯恒流驱动模块采用由TI的非同步升压控制器构成的BOOST升压模块，用于对LED灯进行高功率因数的恒流驱动供电；所述LED灯亮度控制模块采用PWM调光，决定PWM调光信号大小的因素包括：锂电池组的当前剩余容量、锂电池组的日存储记录以及通过远程控制终端设定的预置亮灯策略表；所述电池板电压检测模块采用MOS场效应管和取样电阻构成的电压检测电路，用于判断外部环境的亮度，以确定白天与黑夜；所述控制主板是包括有PIC主控芯片最小系统和RS485串行通信模块的路灯信息记录及信息输出的电路板，所述控制主板通过GPRS通信模块与远程控制终端进行无线信息交互。

作为本发明的一种改进， 所述远程控制终端可以为以移动终端为载体的监控客户端和/或以PC机为载体的监控平台系统，所述移动终端和PC机上均设有无线数据收发模块，所述移动终端采用具有无线数据收发功能的手机和/或掌上电脑。

作为本发明的一种改进， 所述远程控制终端上设有人机交互接口，所述人机交互接口实时提供锂电池组信息、LED灯信息、太阳能电池板信息、集中控制器运行状态信息、故障检测报警信息以及具有亮度决策预置窗口和存储记录读取窗口。

作为本发明的一种改进，所述电池组智能充放电单元采用型号为PIC12F615的PIC芯片，所述电流传感器采用MAX472ESA芯片，所述温度传感器采用DS18B20，所述LED灯恒流驱动模块采用TI的TPS40211中端电压控制器，所述控制主板采用型号为PIC16F1829的PIC主控芯片。

相对于现有技术，本发明的优点如下：整个路灯系统的结构设计巧妙，易于实现且易于组装维修和更换，智能化程度高，不仅能够对锂电池组实现安全高效的充放电管理，同时也能够根据锂电池组的状态以及预置亮灯策略表自动调整LED灯亮灯功率及亮灯时长，从而能有效延长锂电池组使用寿命并能增长连续阴雨天情况下LED路灯的照明时间，整体上有效提高了LED路灯系统的使用寿命及照明效果。另外，通过远程控制终端实现对单个LED路灯或任意组合的成批LED路灯的运行控制、故障检测报警控制、照明控制以及定时控制等远程监控，从而实现LED路灯管控的系统智能化，降低人工巡检维护成本。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为本发明系统的LED灯亮灯照明决策图。

图3为本发明优选实施例的电池组电压均衡单元电路图。

图4为本发明优选实施例的过压保护单元电路图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，参见图1-2，一方面对锂电池组进行保护及均衡管理，实现智能化充放电，以充分发挥锂电池组的长寿命作用，同时为进一步节约成本，通过当前的锂电池组状态、锂电池组的日存储记录以及预置亮灯策略表来进行LED路灯的智能亮度控制。该系统包括太阳能电池板、LED灯、锂电池组、智能控制盒和远程控制终端，其中，所述锂电池组采用多节18650锂电池串联连接组成的锂电池包，具有体积小、重量轻、性能好、充放电循环使用寿命长及易于安装等优点。所述太阳能电池板、LED灯以及锂电池组均与智能控制盒电连接，所述智能控制盒包括封装壳体和设置在封装壳体内部的集中控制器，所述集中控制器通过无线网络连接远程控制终端。所述集中控制器包括控制主板、电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块，所述电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块均与控制主板相连接。GPRS无线网络具有信号稳定、功耗低、传输可靠以及网络容量大等优势，所述控制主板通过GPRS通信模块与远程控制终端进行无线信息交互。优选地，所述远程控制终端可以为以移动终端为载体的监控客户端和/或以PC机为载体的监控平台系统，所述移动终端和PC机上均设有无线数据收发模块，所述移动终端采用具有无线数据收发功能的手机和/或掌上电脑。

具体的，所述电池管理模块包括电池组电压均衡单元、电池组智能充放电单元、电池组状态监测单元、过压保护单元、过温保护单元和电流检测单元。所述电池组电压均衡单元与电池组智能充放电单元相连，所述电池组状态监测单元与电池组智能充放电单元相连，所述过压保护单元与电池组电压均衡单元相连，所述过温保护单元与电池组智能充放电单元相连，所述电流检测单元与电池组智能充放电单元相连。

所述电池组状态监测单元可读取每节锂电池的电压，并将该电压参数传送给PIC主控芯片进行处理，所述电流检测单元既能检测充放电电流，也能够实现累计电量的功能，从而记录流入锂电池组或流出锂电池组的电量。

其中，所述电池组电压均衡单元中设有多个电压均衡芯片、分流放电支路电阻和与分流放电支路电阻串联的分流放电支路控制开关器件，所述电池组智能充放电单元中设有具有PWM控制端口的PIC芯片、充电控制开关器件和放电控制开关器件。所述分流放电支路控制开关器件采用N沟道MOS管，所述充电控制开关器件采用PNP三极管，所述放电控制开关器件采用Ｎ沟道MOS管；所述电压均衡芯片的型号为S8209A，所述充电控制开关器件连接电压均衡芯片的CO管脚，所述放电控制开关器件连接电压均衡芯片的DO管脚，所述分流放电支路控制开关器件连接电压均衡芯片的CB管脚，所述分流放电支路电阻连接在N沟道MOS管的漏极端。参见图3，优选实施例中给出了4组串联连接的电压均衡芯片分别对4节串联连接的18650锂电池进行均衡充放电控制，在当单节18650锂电池的电压达到电压均衡芯片内部的均衡开启阈值时，芯片的CB管脚输出高电平，作为分流放电支路控制开关器件的N沟道MOS管（Q1/Q2/Q5/Q6）导通，从而通过作为分流放电支路电阻R12/R14/R16/R24的自发热消耗电池多余的电量，让锂电池组电池电量实现均衡，此均衡法为能量消耗法，可保证每节锂电池的电压及容量的一致性。在电压均衡芯片S8209A中，CTLC管脚为充电用控制端子，CTLD管脚为放电用控制端子，VDD管脚为（正电源输入端子）电池的正电压连接端子，VSS管脚（负电源输入端子）电池的负电压连接端子，CDT管脚为过充电检测延迟、过放电检测延迟用的电容连接端子，DO管脚为放电控制用输出端子，CO管脚为充电控制用输出端子，CB管脚为电量平衡控制用输出端子。在每个电压均衡芯片的CO管脚上还设有二极管、三极管和MOS管，其中，三极管可在当电池过压时，切断对锂电池的充电，二极管一方面用于充电，另一方面可有效防止电流倒流入太阳能电池板，MOS管可在充电电流较大时打开，从而减小充电回路的损耗。

所述过压保护单元中设有TI 二级过压保护芯片，参见图4，优选实施例中给出了4节串联的18650锂电池过压保护单元电路，在本电路中采用BQ29412DCT作为每节锂电池的过压保护芯片，在二级过压保护芯片BQ29412DCT中，VDD管脚为电源电压输入端子，VC1-VC4管脚为电池电压连接端子，OUT管脚为电压输出端子，CD管脚为电压输出端子。

所述电流检测单元中设有电流传感器，优选的，所述电流传感器为MAX472ESA芯片。所述过温保护单元中设有温度传感器，优选的，所述温度传感器采用DS18B20。

所述LED灯恒流驱动模块采用由TI的非同步升压控制器构成的BOOST升压模块，用于对LED灯进行高功率因数（0.9以上）的恒流驱动供电；所述LED灯亮度控制模块采用PWM调光，决定PWM调光信号大小的因素包括：锂电池组的当前剩余容量、锂电池组的日存储记录以及通过远程控制终端设定的预置亮灯策略表。所述电池板电压检测模块采用MOS场效应管和取样电阻构成的电压检测电路，主要依据在白天和黑夜条件下太阳能电池板上的电压不同的特点，通过取样电阻来检测太阳能电池板上的电压来判断外部环境的亮度，以确定白天与黑夜。所述控制主板是包括有PIC主控芯片最小系统和RS485串行通信模块的路灯信息记录及信息输出的电路板。通过PIC主控芯片每天监测锂电池组的容量（可通过安时积分法监测电池容量参数）、电压（可通过电阻测压方法测量电压参数）、充放电电流等一系列数据，综合分析、估算锂电池组的剩余电量（通过安时积分法估算剩余容量并结合电压检测），然后根据锂电池组的当前剩余容量再合理分配给LED灯使用，从而最大化满足LED灯亮度并保证LED灯的亮灯时间。如果因为连续的阴雨天气而导致电池充电容量不足，通过降低LED灯的亮度，来降低电池的消耗，以保证较长的亮灯时间，从而实现LED灯亮度与亮灯时间的有效分配。

在预置亮灯策略表中根据客户的要求把整个照明时间分成多个时间段，并规定各时间段中LED灯的亮灯功率。

所述控制主板可将电池的电压、电流、功率及日存储记录输出至远程控制终端，并可根据用户需求或当地天气条件，人工或自动进行信息更新，以实现系统的优化控制。其中日存储记录主要存储充电时间、充电电量、是否过充或过放的过欠压标志，这些信息将根据当前所处季节、天气的阴晴状况以及夜间时长的不同而发生变化。

优选地，所述电池组智能充放电单元采用型号为PIC12F615的PIC芯片，所述LED灯恒流驱动模块采用TI的TPS40211中端电压控制器，所述控制主板采用型号为PIC16F1829的PIC主控芯片。

此外，所述电池管理模块对锂电池组实现智能化充电的途径包括：1）通过电池板电压检测模块检测所得太阳能电池板上的电压信号来判断外界环境的亮度，并规定当外界环境亮度高于设定阈值时，LED灯熄灭，太阳能电池板对锂电池组进行充电，反之LED灯点亮，太阳能电池板停止对锂电池组充电；从而实现白天充电储能、夜间亮灯照明的基础功能。

2）通过电池组状态监测单元实时监测锂电池组上每节锂电池的电压，并通过电压均衡芯片对锂电池组进行均衡充电，从而实现锂电池组的均衡充电功能。

3）通过过温保护单元中的温度传感器实时监测锂电池组的电池温度，并当电池温度高于阈值时，停止对锂电池组进行充电，而当电池温度降低到安全值时再开始对锂电池组进行充电，从而实现对锂电池组的过温充电保护功能。

通过以上途径实现锂电池组的智能化充电控制，可有效保护锂电池组延长其使用寿命，并使其始终保持最佳的充放电性能，有效平衡将锂电池组作为储能装置的LED路灯的投入成本。

所述远程控制终端上设有人机交互接口，所述人机交互接口实时提供锂电池组信息、LED灯信息、太阳能电池板信息、集中控制器运行状态信息、故障检测报警信息以及具有亮度决策预置窗口和存储记录读取窗口。在人机交互接口中具体提供的信息包括：锂电池组中各节锂电池的电压、当前均衡状态、当前充放电电流、当前充放电功率、锂电池组温度信息、白天与黑夜标志状态、集中控制器温度信息、亮度控制相关信息、亮度决策预置窗口和存储记录读取窗口。系统在工作时，远程控制终端能为用户实时提供以上信息，使得整个系统的当前状态始终处于用户掌控之中，方便维护。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，其特征在于：包括太阳能电池板、LED灯、锂电池组、智能控制盒和远程控制终端，所述锂电池组采用多节锂电池串联连接组成，所述太阳能电池板、LED灯以及锂电池组均与智能控制盒电连接，所述智能控制盒包括封装壳体和设置在封装壳体内部的集中控制器，所述集中控制器通过无线网络连接远程控制终端；所述集中控制器包括控制主板、电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块，所述电池管理模块、LED灯恒流驱动模块、LED灯亮度控制模块、电池板电压检测模块和GPRS通信模块均与控制主板相连接。

2.如权利要求1所述的一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述电池管理模块包括电池组电压均衡单元、电池组智能充放电单元、电池组状态监测单元、过压保护单元、过温保护单元和电流检测单元，所述电池组电压均衡单元与电池组智能充放电单元相连，所述电池组状态监测单元与电池组智能充放电单元相连，所述过压保护单元与电池组电压均衡单元相连，所述过温保护单元与电池组智能充放电单元相连，所述电流检测单元与电池组智能充放电单元相连，所述电池组电压均衡单元中设有多个电压均衡芯片、分流放电支路电阻和与分流放电支路电阻串联的分流放电支路控制开关器件，所述电池组智能充放电单元中设有具有PWM控制端口的PIC芯片、充电控制开关器件和放电控制开关器件，所述过压保护单元中设有TI 二级过压保护芯片，所述电流检测单元中设有电流传感器，所述过温保护单元中设有温度传感器。

3.如权利要求2所述的一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述分流放电支路控制开关器件采用N沟道MOS管，所述充电控制开关器件采用PNP三极管，所述放电控制开关器件采用Ｎ沟道MOS管；所述电压均衡芯片的型号为S8209A，所述充电控制开关器件连接电压均衡芯片的CO管脚，所述放电控制开关器件连接电压均衡芯片的DO管脚，所述分流放电支路控制开关器件连接电压均衡芯片的CB管脚，所述分流放电支路电阻连接在N沟道MOS管的漏极端。

4.如权利要求2或3所述的一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述LED灯恒流驱动模块采用由TI的非同步升压控制器构成的BOOST升压模块，用于对LED灯进行高功率因数的恒流驱动供电；所述LED灯亮度控制模块采用PWM调光，决定PWM调光信号大小的因素包括：锂电池组的当前剩余容量、锂电池组的日存储记录以及通过远程控制终端设定的预置亮灯策略表；所述电池板电压检测模块采用MOS场效应管和取样电阻构成的电压检测电路，用于判断外部环境的亮度，以确定白天与黑夜；所述控制主板是包括有PIC主控芯片最小系统和RS485串行通信模块的路灯信息记录及信息输出的电路板，所述控制主板通过GPRS通信模块与远程控制终端进行无线信息交互。

5.如权利要求1所述的一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，其特征在于所述远程控制终端可以为以移动终端为载体的监控客户端和/或以PC机为载体的监控平台系统，所述移动终端和PC机上均设有无线数据收发模块，所述移动终端采用具有无线数据收发功能的手机和/或掌上电脑。

6.如权利要求5所述的一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述远程控制终端上设有人机交互接口，所述人机交互接口实时提供锂电池组信息、LED灯信息、太阳能电池板信息、集中控制器运行状态信息、故障检测报警信息以及具有亮度决策预置窗口和存储记录读取窗口。

7.如权利要求4所述的一种节能的锂电型太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述电池组智能充放电单元采用型号为PIC12F615的PIC芯片，所述电流传感器采用MAX472ESA芯片，所述温度传感器采用DS18B20，所述LED灯恒流驱动模块采用TI的TPS40211中端电压控制器，所述控制主板采用型号为PIC16F1829的PIC主控芯片。