CN109640445A - 一种基于mppt的太阳能路灯控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，包括太阳能电池板、蓄电池、LED负载和驱动电路，在所述太阳能电池板和蓄电池的两端分别接有滤波电路，所述LED负载接于太阳能电池板两端，所述驱动电路的输入端引脚分别与主控MCU的引脚对应连接，在所述太阳能电池板的正极与蓄电池的正极之间串联有储能电路和升降压一体同步整流电路，在所述LED负载的负极与太阳能电池板的负极之间串联有负载开关和放电电流采样电路，在所述蓄电池的负极与太阳能电池板的负极之间串联有充电电流采样电路，所述驱动芯片的输出端引脚分别与负载开关和升降压一体同步整流电路相连。本发明可降低控制器的生产成本，提高生产效率，提高控制器的性能。

Description

一种基于MPPT的太阳能路灯控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一体化太阳能路灯控制器领域，具体涉及太阳能路灯控制器中可实现MPPT降压充电和升压恒流放电一体化的硬件结构和控制方法。

背景技术

由于太阳能电池板的输出特性是非线性的，其最大输出功率受光强和外部温度的影响比较大。MPPT控制器目的就是为了实时的寻找太阳能电池板的最大功率，使太阳能电池板工作在最大功率点上(如图2)，提高系统的发电效率；LED是非线性器件，正向微小的电压变化都会引起很大的电流变化(如图3)，同时为了减少大电流对LED带来的亮度不一致和高损耗，需要用升压恒流一体的控制器；

由于太阳能路灯领域蓄电池的电压都是比太阳能电池板的电压低，所以MPPT控制电路采用的是BUCK降压电路，负载输出是采用BOOST升压电路，目前比较成熟的做法是将两个电路分别做成对应功能的独立控制器，但是这样有明显的缺点，独立控制器对于现场安装时接线比较复杂，容易接错线；独立控制器成本比较高，体积比较大；因为是两个独立的系统，系统匹配比较繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于MPPT的太阳能路灯控制器及其控制方法，可降低控制器的生产成本，提高生产效率，提高控制器的性能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，包括太阳能电池板、蓄电池、LED负载和驱动电路，在所述太阳能电池板和蓄电池的两端分别接有滤波电路，所述LED负载接于太阳能电池板两端，所述驱动电路的输入端引脚分别与主控MCU的引脚对应连接，在所述太阳能电池板的正极与蓄电池的正极之间串联有储能电路和升降压一体同步整流电路，在所述LED负载的负极与太阳能电池板的负极之间串联有负载开关和放电电流采样电路，在所述蓄电池的负极与太阳能电池板的负极之间串联有充电电流采样电路，所述驱动电路的输出端引脚分别与负载开关和升降压一体同步整流电路相连，通过主控MCU发送信号给驱动电路后控制负载开关的开启关闭，以及升压、降压整流功能。

优选地，所述升降压一体同步整流电路包括相互并联的肖特基二极管D3和MOS管Q5，肖特基二极管D5和MOS管Q6，所述太阳能电池板和LED负载的正极肖特基二极管D3的阴极、MOS管Q5的输入端相连；肖特基二极管D3的正极、MOS管Q5的输出端同储能电感L1的负极、MOS管Q6的输入端、肖特基二极管D5的阴极相连；蓄电池的正极同储能电感L1的正极相连；LED负载的负极接MOS管Q9的输入端，MOS管Q9的输出端接放电电流采样电路的电阻R17正极，电阻R17的负极接地。

优选地，主控MCU的PWM1信号经过驱动电路控制转换为PWMH，控制MOS管Q5的栅极；PWM2经过驱动电路控制转换为PWML，控制MOS管Q6的栅极；LED_GATE经过驱动电路控制组成负载开关的MOS管Q9的栅极。

优选地，在所述蓄电池的两端接有蓄电池防反接电路，包括相互串联的限流电阻R16和防反MOS管Q8，以及并联在防反MOS管Q8上的稳压二极管VD1,。

优选地，在所述太阳能电池板的两端接有TVS防雷电路，TVS防雷电路由TVS防雷管D4构成。

优选地，在所述太阳能电池板的负极接有充电防逆流电路，由MOS管Q7组成，所述MOS管Q7的输入端与太阳能电池板的负极相连，输出端与蓄电池的负极相连，主控MCU的PV_GATE经过驱动电路控制防逆流MOS管Q7的栅极

本发明提供一种基于MPPT的太阳能路灯控制器的控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、主控MCU通过采样获取当前太阳能电池板的电压Vpv和蓄电池电压Vbat；

步骤二、主控MCU比较太阳能电池板电压Vpv和蓄电池电压Vbat的大小，如果Vpv大于Vbat，则系统进入MPPT充电模式，转至步骤三；如果Vpv小于设定的开灯电压，则系统进入恒流放电模式，转至步骤五；

步骤三、主控MCU输出控制信号PV_GATE为高电平，打开防逆流MOS管Q7，控制信号LED_GATE为低电平，关闭LED负载开关MOS管Q9；同步整流结构中Q5为主控管，Q6为同步整流管；主控单元输出同频、同幅、反向的PWM、PWM1和PWM2信号；当充电采样电路采样到的充电电流Ic大于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Icx时，系统进入同步整流MPPT充电状态，实现同步整流；

步骤四、当充电采样电路采样到的充电电流Ic小于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Icx时，系统进入二极管整流MPPT充电状态，PWM1信号变为PWM信号，PWM2与PWM1同频、同幅、反向，且PWM2占空比为最小固定值2％不变；系统进入二极管整流模式；

步骤五、主控MCU输出控制信号PV_GATE为低电平，关闭防逆流MOS管Q7，控制信号LED_GATE为高电平，开启LED负载开关MOS管Q9；同步整流结构中Q6为主控管，Q5为同步整流管；当放电采样电路采样到的放电电流Idc大于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Idcx时，系统进入同步整流放电模式；主控MCU输出PWM1、PWM2为一对带有死区的互补输出PWM信号，实现同步整流放电；

步骤六、当放电采样电路采样到的放电电流Idc小于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Idcx时，系统进入二极管整流放电模式；主控MCU输出频率为50KHZ的PWM2信号；PWM1为低电平，关闭同步整流管Q5，实现二极管整流模式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将传统的BUCK和BOOST电路中的整流二极管并联MOS管，变成半桥电路，形成充放电一体化控制器，同时根据系统输入输出电流大小的不同选择同步整流模式和二极管整流模式，提高控制器的转换效率和稳定性。此电路将公用储能电感和部分储能电容，同时引入同步整流技术，可以将MOS和二极管等功率元器件的尺寸变小，可降低控制器的生产成本，提高生产效率，提高控制器的性能。

具体包括以下优点：

1、采用同步整流，减少功耗，增加充放电效率；

2、MPPT最大功率点跟踪技术，提增加太阳能电池板的发电效率；

3、采用升压恒流技术，提高LED灯珠的使用寿命；

4、一体化设计系统安装简化、参数匹配灵活。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于MPPT的太阳能路灯控制器的系统示意图。

图2为太阳能电池板的P/V曲线示意图。

图3为LED负载的P/V曲线示意图。

图4为本发明实施例充放电控制流程图的电路示意图。

图5为本发明实施例MPPT充电同步整流模式各个MOS管的控制波形示意图。

图6为本发明实施例MPPT充电二极管整流模式各个MOS管的控制波形示意图。

图7为本发明实施例同步整流放电时各个MOS管的控制波形示意图。

图8为本发明实施例二极管整流放电时各个MOS管的控制波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，包括太阳能电池板、蓄电池、LED负载、TVS防雷电路、Lm5109驱动电路、主控MCU、电流采样电路，充电防逆流电路、蓄电池防反接电路、升降压一体同步整流电路、储能、滤波电路等。

其中D4为TVS防雷管，接在太阳能电池板的两端形成防雷电路，防止太阳能电池板遭受雷击时损坏控制器；电阻R15、R17为电流采样电路，R15为充电电流采样电阻，通过比较充电采样电路的实时电流，获得太阳能电池板的最大功率，电阻R17为LED电流采样电阻，提供LED负载实时电流值，通过比较获得恒流值；Q7为充电防逆流管，防止夜间蓄电池向太阳能电池板反向供电；Q9为LED负载开关；R16、VD1、Q8构成蓄电池防反接电路，当蓄电池为正确接法时，蓄电池的正电压BAT+通过限流电阻R16，打开防反MOS管Q8，蓄电池可以充放电，当蓄电池反击时，VBAT+不能打开防反MOS管Q8，蓄电池不能充放电，VD1为稳压二极管，保护MOS管Q8因为蓄电池过压而烧毁；C2，C3为滤波电容；L1为储能电感；Q5、Q6、D3、D5构成升降压同步整流一体电路；主控MCU采样当前蓄电池与太阳能电池板的电压，经过逻辑判断与算法，实现MPPT充电与升压恒流放电功能，MCU输出的的信号经过驱动电路控制各个特定功能的MOS开关；

主控MCU的PWM1信号经过驱动电路控制转换为PWMH，控制MOS管Q5的1脚；PWM2经过驱动电路控制转换为PWML，控制MOS管Q6的1脚；PV_GATE经过驱动电路控制防逆流MOS管Q7的1脚；LED_GATE经过驱动电路控制防逆流MOS管Q9的1脚；太阳能电池板的正极和LED负载的正极同滤波电容C2的1脚、肖特基二极管D3的3脚、MOS管Q5的3脚相连；肖特基二极管D3的1、2脚、MOS管Q5的2脚相连同储能电感L1的1脚、MOS管Q6的3脚、肖特基二极管D5的3脚相连；蓄电池的正极同储能电感L1的2脚、滤波电容C3的1脚相连；LED负载的负极接Q9的3脚，Q9的2脚接LED采样电阻R17的2脚，R17的1脚接地；太阳能电池板的负极接防逆流MOS管Q7的3脚，Q7的2脚接地；蓄电池的负极接防反MOS管Q8的3脚，Q8的2脚接充电采样电阻R15的2脚，R15的1脚接地，滤波电容C3的2脚接地，MOS管Q6的2脚、肖特基二极管D5的1、2接地；

控制方法如下(图4)：

1、主控MCU通过采样获取当前太阳能电池板的电压Vpv、蓄电池电压Vbat；

2、比较太阳能电池板电压Vpv和蓄电池电压Vbat的大小，如果Vpv大于Vbat，则系统进入MPPT充电模式(步骤3)；如果Vpv小于设定的开灯电压，则系统进入恒流放电模式(步骤5)；

3、进入MPPT充电方式，主控MCU输出控制信号PV_GATE为高电平，打开防逆流MOS管Q7，控制信号LED_GATE为低电平，关闭LED负载开关MOS管Q9；同步整流结构中Q5为主控管，Q6为同步整流管；主控单元输出50KHZ的同频、同幅、反向的PWM信号，PWM1,PWM2；当充电采样电路采样到的充电电流Ic大于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Icx时，即Ic>Icx，系统进入同步整流MPPT充电状态，PWM1、PWM2为一对带有死区的互补输出PWM信号，实现同步整流；(图5)

4、当充电采样电路采样到的充电电流Ic小于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Icx时，即Ic<Icx，系统进入二极管整流MPPT充电状态，PWM1信号为频率为50KHZ的PWM，PWM2与PWM1同频、同幅、反向，且PWM2占空比为最小固定值2％不变；系统进入二极管整流模式；(图6)

5、系统进入恒流放电状态，主控MCU输出控制信号PV_GATE为低电平，关闭防逆流MOS管Q7，控制信号LED_GATE为高电平，开启LED负载开关MOS管Q9；同步整流结构中Q6为主控管，Q5为同步整流管；当放电采样电路采样到的放电电流Idc大于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Idcx时，即Idc>Idcx，系统进入同步整流放电模式；主控MCU输出PWM1、PWM2为一对带有死区的互补输出PWM信号，频率为50KHZ,实现同步整流放电；(图7)

当放电采样电路采样到的放电电流Idc小于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Idcx时，即Idc<Idcx，系统进入二极管整流放电模式；主控MCU输出频率为50KHZ的PWM2信号；PWM1为低电平，关闭同步整流管Q5，实现二极管整流模式；(图8)

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，包括太阳能电池板、蓄电池、LED负载和驱动电路，在所述太阳能电池板和蓄电池的两端分别接有滤波电路，所述LED负载接于太阳能电池板两端，其特征在于：所述驱动电路的输入端引脚分别与主控MCU的引脚对应连接，在所述太阳能电池板的正极与蓄电池的正极之间串联有储能电路和升降压一体同步整流电路，在所述LED负载的负极与太阳能电池板的负极之间串联有负载开关和放电电流采样电路，在所述蓄电池的负极与太阳能电池板的负极之间串联有充电电流采样电路，所述驱动电路的输出端引脚分别与负载开关和升降压一体同步整流电路相连，通过主控MCU发送信号给驱动电路后控制负载开关的开启关闭，以及升压、降压整流功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，其特征在于：所述升降压一体同步整流电路包括相互并联的肖特基二极管D3和MOS管Q5，肖特基二极管D5和MOS管Q6，所述太阳能电池板和LED负载的正极肖特基二极管D3的阴极、MOS管Q5的输入端相连；肖特基二极管D3的正极、MOS管Q5的输出端同储能电感L1的负极、MOS管Q6的输入端、肖特基二极管D5的阴极相连；蓄电池的正极同储能电感L1的正极相连；LED负载的负极接MOS管Q9的输入端，MOS管Q9的输出端接放电电流采样电路的电阻R17正极，电阻R17的负极接地。

3.根据权利要求2所述的一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，其特征在于：主控MCU的PWM1信号经过驱动电路控制转换为PWMH，控制MOS管Q5的栅极；PWM2经过驱动电路控制转换为PWML，控制MOS管Q6的栅极；LED_GATE经过驱动电路控制组成负载开关的防逆流MOS管Q9的栅极。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，其特征在于：在所述蓄电池的两端接有蓄电池防反接电路，包括相互串联的限流电阻R16和防反MOS管Q8，以及并联在防反MOS管Q8上的稳压二极管VD1,。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，其特征在于：在所述太阳能电池板的两端接有TVS防雷电路，TVS防雷电路由TVS防雷管D4构成。

6.根据权利要求1或3所述的一种基于MPPT的太阳能路灯控制器，其特征在于：在所述太阳能电池板的负极接有充电防逆流电路，由MOS管Q7组成，所述MOS管Q7的输入端与太阳能电池板的负极相连，输出端与蓄电池的负极相连，主控MCU的PV_GATE经过驱动电路控制防逆流MOS管Q7的栅极。

7.一种基于MPPT的太阳能路灯控制器的控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、主控MCU通过采样获取当前太阳能电池板的电压Vpv和蓄电池电压Vbat；

步骤二、主控MCU比较太阳能电池板电压Vpv和蓄电池电压Vbat的大小，如果Vpv大于Vbat，则系统进入MPPT充电模式，转至步骤三；如果Vpv小于设定的开灯电压，则系统进入恒流放电模式，转至步骤五；

步骤三、主控MCU输出控制信号PV_GATE为高电平，打开防逆流MOS管Q7，控制信号LED_GATE为低电平，关闭LED负载开关MOS管Q9；同步整流结构中Q5为主控管，Q6为同步整流管；主控单元输出同频、同幅、反向的PWM、PWM1和PWM2信号；当充电采样电路采样到的充电电流Ic大于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Icx时，系统进入同步整流MPPT充电状态，实现同步整流；

步骤四、当充电采样电路采样到的充电电流Ic小于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Icx时，系统进入二极管整流MPPT充电状态，PWM1信号变为PWM信号，PWM2与PWM1同频、同幅、反向，且PWM2占空比为最小固定值2％不变；系统进入二极管整流模式；

步骤五、主控MCU输出控制信号PV_GATE为低电平，关闭防逆流MOS管Q7，控制信号LED_GATE为高电平，开启LED负载开关MOS管Q9；同步整流结构中Q6为主控管，Q5为同步整流管；当放电采样电路采样到的放电电流Idc大于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Idcx时，系统进入同步整流放电模式；主控MCU输出PWM1、PWM2为一对带有死区的互补输出PWM信号，实现同步整流放电；

步骤六、当放电采样电路采样到的放电电流Idc小于预先设定的同步整流模式转换到二极管整流模式标识电流Idcx时，系统进入二极管整流放电模式；主控MCU输出频率为50KHZ的PWM2信号；PWM1为低电平，关闭同步整流管Q5，实现二极管整流模式。