CN203363958U - 混合储能式太阳能led路灯 - Google Patents

混合储能式太阳能led路灯 Download PDF

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朱涛
代洪
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Abstract

本实用新型公开了一种混合储能式太阳能LED路灯，涉及路灯照明技术领域。该路灯有一与太阳能电池板连接的超级电容器组，与连接的升降压式DC/DC转换电路，与升降压式DC/DC转换电路连接的充电电路，与充电电路连接的铅酸蓄电池，铅酸蓄电池通过LED驱动电路给LED路灯供电，在太阳电池板与铅酸蓄电池与升降压式DC/DC转换电路依次连接有太阳能电压采样电路和DC/DC转换器驱动电路。优点：采用超级电容器组与铅酸蓄电池混合储能的结构，太阳能电池阵列输出的太阳能先经超级电容器组，利用超级电容器组和升降压式DC/DC转换器优化铅酸蓄电池充放电过程，实现弱光条件下蓄电池的充电。

Description

混合储能式太阳能LED路灯
技术领域
    本实用新型涉及路灯照明技术领域，具体是一种混合储能式太阳能LED路灯。
背景技术
    传统的太阳能路灯一般采用富液式铅酸蓄电池单独作为储能元件，并且采用简单的二阶段的充电控制方式；采用低压钠灯或节能灯等作为照明灯源。事实证明，传统的太阳能路灯照明存在着较多的缺点：(1)灯源使用寿命较短。传统照明灯源存在较多缺点，如节能灯，一般功率较小，且使用寿命约2000小时；而低压钠灯即使光效较高，但因为其工作电压仍然较高，如果应用在太阳能发电系统，一般需要逆变器，这将提高系统的造价。(2) 富液式铅酸蓄电池过早失效。由于富液式铅酸蓄电池设计使用寿命较短，充放电循环次数很难超过2000次，增加了系统的维护成本。(3)弱光充电能力不足。铅酸蓄电池的工作电压一般要高于某一阈值，如额定电压为12V的铅酸蓄电池，其正常工作时，电压一般在10.8- 14.7V范围变化，而弱光条件下，太阳能电池端电压有可能小于铅酸蓄电池的电压，这时太阳能电池光电转换后的能量将不能输出给蓄电池，而是作为热能直接在内部被吸收，这反过来会使太阳能板过早老化失效，减少太阳能电池使用寿命；反之，当光照强烈时，太阳能电池端电压大幅度上升到约20V，高于铅酸蓄电池允许的最大充电电压，如果直接对铅酸蓄电池进行充电，将会损坏铅酸蓄电池。
    超级电容器是一种新型高功率密度的储能器件，具有诸多铅酸蓄电池无法比拟的优点，但考虑到目前超级电容价格较高，单独使用超级电容器作为储能器件成本较大且无法满足系统储能要求，而单独使用蓄电池无法满足较大脉动功率输出的要求，且蓄电池使用寿命较短。因此在实际的使用中，利用铅酸蓄电池和超级电容器混合作为系统的储能器件，结合超级电容器大功率密度及铅酸蓄电池大能量密度的各自优点，根据两者技术上的互补性，组成基于超级电容器及铅酸蓄电池混合储能的新型储能元件，利用超级电容器的优良特性优化铅酸蓄电池的充放电过程，可以减少充放电循环次数，延长蓄电池使用寿命，提高储能效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种混合储能式太阳能LED路灯，具有太阳能电池最大功率跟踪(MPPT)和弱光充电功能，提高储能效率，针对铅酸蓄电池的温度特性，采用温度补偿技术，实现充电电压的准确控制。
   本实用新型是以如下技术方案实现的：一种混合储能式太阳能LED路灯，包括与太阳能电池板连接的超级电容器组，与连接的升降压式DC/DC转换电路，与升降压式DC/DC转换电路连接的充电电路，与充电电路连接的铅酸蓄电池，铅酸蓄电池通过LED驱动电路给LED路灯供电，在太阳电池板与铅酸蓄电池与升降压式DC/DC转换电路依次连接有太阳能电压采样电路和DC/DC转换器驱动电路。
     本实用新型的有益效果是：采用超级电容器组与铅酸蓄电池混合储能的结构，太阳能电池阵列输出的太阳能先经超级电容器组，利用超级电容器组和升降压式DC/DC转换器优化铅酸蓄电池充放电过程，实现弱光条件下蓄电池的充电。
附图说明
    下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
    图1是本实用新型原理框图，
    图2是本实用新型电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种混合储能式太阳能LED路灯有一与太阳能电池板连接的超级电容器组，与连接的升降压式DC/DC转换电路，与升降压式DC/DC转换电路连接的充电电路，与充电电路连接的铅酸蓄电池，铅酸蓄电池通过LED驱动电路给LED路灯供电，在太阳电池板与铅酸蓄电池与升降压式DC/DC转换电路依次连接有太阳能电压采样电路和DC/DC转换器驱动电路。
    为了有效利用太阳能，提高系统效率及保护铅酸蓄电池，采用超级电容器组与升降压电路结合，把波动范围较大的输入电压转化为蓄电池可接受的稳定电压。其原理是太阳能电池把能量输出给超级电容器，超级电容器把波动变化的电压再经升降压转换电路转换输出稳定的电压给蓄电池充电。当光照强度较低时，太阳能电池的输出电压低于铅酸蓄电池的电压，超级电容器把电压再经升降压式DC/DC转换电路进行升压后给蓄电池充电；当光照强烈时，太阳能电池端电压大幅度上升到约20V，高于铅酸蓄电池允许的最大充电电压，超级电容器把电压再经升降压式DC/DC转换电路进行降压后给蓄电池充电。这样既可以确保铅酸蓄电池的平稳充电，延长使用寿命，也可以提高系统利用率。采用更加节能环保且寿命更长的LED灯源代替钠灯、节能灯等传统灯源，提高系统效率。
    如图2所示，所述的升降压式DC/DC转换电路由电容C1,C2、电感L1、二极管D2,D6、开关管Q1,Q2组成；其中电容C1接在开关管Q1的c极和地之间，二极管D2负极接开关管Q1的e极，正极接地，电感L1接在开关管Q1的e极和二极管D6正极之间，开关管Q2的c极接二极管D6正极，e极接地，电容C2接在二极管D6负极和地之间；
太阳能电压采样电路由单片机Mega16、光电耦合器TLP521-1、三极管Q3,Q4、电容C4,C5、电感L2、二极管D7和电阻R5,R6,R7,R8, R9, R10, R11组成；其中电阻R5接在单片机Mega16的PA0口和三极管Q4的c极之间，电阻R6接在+5V和三极管Q4的c极之间，电阻R7接在+5V和三极管Q4的b极之间，三极管Q3的c极接三极管Q4的b极，三极管Q3的e极接三极管Q4的e极，电阻R8与电容C4并联后接在三极管Q3的b极和e极之间，电阻R9接在三极管Q3的b极和光电耦合器TLP521-1的3脚之间，电阻R10接在+5V和光电耦合器TLP521-1的4脚之间，二极管D7与电容C5并联在光电耦合器TLP521-1的1脚和2脚之间，电感L3和电阻R11串联后接在光电耦合器TLP521-1的1脚和太阳能电池板正极之间，太阳能电池板负极接光电耦合器TLP521-1的2脚。 
DC/DC转换器驱动电路由功率开关管驱动芯片2101、电容C3、二极管D3,D4,D5和电阻
R1,R2,R3,R4组成；其中电容C3接在功率开关管驱动芯片IR2101的8脚和6脚之间，电阻R1接在功率开关管驱动芯片IR2101的2脚和单片机Mega16的39脚之间，电阻R2接在功率开关管驱动芯片IR2101的3脚和单片机Mega16的38脚之间，二极管D3与电阻R3并联后接在功率开关管驱动芯片IR2101的7脚和开关管Q1的g极之间，二极管D4与电阻R4并联后接在功率开关管驱动芯片IR2101的5脚和开关管Q2的g极之间，二极管D5接在功率开关管驱动芯片IR2101的1脚和8脚之间。
充电电路由蓄电池充电芯片UC3906、电压比较器LM339，三极管Q5、电容C6,C7、发光二极管D8,D9和电阻R12,R13,R14,R15, R16, R17, R18, R19, R20,R21,Rs组成；其中电容C6接在蓄电池充电芯片UC3906的1脚和地之间，电容C7接在蓄电池充电芯片UC3906的14脚和地之间，电阻Rs接在二极管D6负极和三极管Q5的e极之间，电阻R12接在蓄电池充电芯片UC3906的15脚和地之间，电阻R13接在蓄电池充电芯片UC3906的11脚和三极管Q5的c极之间，电阻R14接在蓄电池充电芯片UC3906的13脚和10脚之间，电阻R15接在蓄电池充电芯片UC3906的12脚和三极管Q5的c极之间，电阻R16接在蓄电池充电芯片UC3906的11脚和13脚之间，电阻R17接在蓄电池充电芯片UC3906的13脚和二极管D8的负极之间，电阻R18接在二极管D9的负极和电压比较器LM339输出端之间，电阻R19接在二极管D9的正极和电压比较器LM339输入端之间，电阻R20接在二极管D9的正极和电压比较器LM339输入端之间，电阻R21接在电压比较器LM339输入端和地之间，三极管Q5的b极接蓄电池充电芯片UC3906的16脚。
LED路灯驱动电路由大功率恒流驱动模块PAM2842、电容C8,C9,C10,C11,C12,C13、二极管D10、电感L3和电阻R22,R23,R24,R25组成；其中电容C8接在电感L3和地之间，电容C9接在大功率恒流驱动模块PAM2842的HVIN端和PGND端之间，电容C10接在大功率恒流驱动模块PAM2842的VDD-DR端和AGND端之间，电容C11接在二极管D10的负极和地之间，电容C12接在PAM2842的VDD-5V端和电容C13之间，电容C13接在电阻R23和电容C12之间，电感L3接在三极管Q5的c极和大功率恒流驱动模块PAM2842的SW端之间，二极管D10的正极接PAM2842的SW端，负极接电容C11一端，电阻R22接在大功率恒流驱动模块PAM2842的0V端和二极管D10的负极之间，电阻R23接在大功率恒流驱动模块PAM2842的COMP端和电容C13之间，电阻R24接在大功率恒流驱动模块PAM2842的0V端和电容C13之间，电阻R25接在大功率恒流驱动模块PAM2842的Sense+端和Sense-端之间，LED路灯按5串3并的形式并接在大功率恒流驱动模块PAM2842的Sense+端和二极管D10的负极之间。
    本实施例中，铅酸蓄电池采用胶体铅酸蓄电池，胶体铅酸蓄电池是对传统富液式铅酸蓄电池的改进，用胶体电解质替代液态电解质，在使用过程中不会产生酸液泄漏问题，且析气量小，对环境危害很小；在同等体积下，胶体电解质的容量更大，热消散能力更强，其使用寿命是传统富液式铅酸蓄电池的2-3倍。
工作原理
1)元器件的选择
①LED负载的选择
本电路采用LED作为太阳能路灯的灯源，30个1W白光LED分为两组，每组采用5串3并的组合连接方式。单颗白光LED的电流为350mA，电压约为3.2V，一天亮10个小时，根据日常交通规律，后半夜车辆及行人较少，因此采用“前半夜全亮，后半夜半亮”的控制方式。
因此灯源负载每天消耗的能量为W=30×5+15×5= 225W·h，每串LED的电流为350mA，前半夜的放电电流最大，Imax=350×6=2100mA=2.1A，后半夜的放电电流最小，等于前半夜一半 Imin=350×3=105 mA=1.05A
②胶体铅酸蓄电池的选择
选择胶体铅酸蓄电池的容量一般既要保证能满足系统连续供电的要求也要考虑充分接收太阳能电池输出的功率。LED负载每天消耗的电量Q=2.1×5+1.05×5=15.75A·h，若要实现连续两个阴雨天全亮，系统共工作3天，因此蓄电池的最小容量为15.75×3=47.25A·h，考虑实际使用中需要保留一定的安全裕量。因此本系统选用容量为60A·h，额定电压为12V的胶体铅酸蓄电池。
③太阳能电池阵列的选择
根据LED负载每天消耗的能量为225W·h，连续应用两个阴雨天则需要675W·h的能量。由于系统采用混合储能及升降压技术，能有效提高弱光充电能力，因此设定系统控制器的工作效率为85%，根据能量守恒定律并参照本地区的峰值日照时间，本系统选取100W，额定电压12V的太阳能板，根据测试，其工作电压在0-20V范围变化。
④超级电容器组的选择
超级电容器组在系统中起辅助储能及优化铅酸蓄电池充放电过程的作用，由于太阳能电池工作电压在0-20V之间变化，因此选择8个2.7V容量为1200F的超级电容器串联，构成额定电压为21. 6V，150F的超级电容器组。
2)弱光充电设计
①弱光充电原理
由于太阳能电池阵列的输出电压随外界光照强度的变化而变化，当光照强度较低时，太阳能电池的输出电压低于铅酸蓄电池的电压，此时太阳能电池不能对铅酸蓄电池充电，能量在太阳能电池内部直接转换成热能消耗掉，这不仅降低了系统的利用率，还会使太阳能电池更容易老化损坏；反之，当光照强烈时，太阳能电池端电压大幅度上升到约20V，高于铅酸蓄电池允许的最大充电电压，如果直接对铅酸蓄电池进行充电，将会损坏铅酸蓄电池。为了有效利用太阳能电池，提高系统效率及保护铅酸蓄电池，本实用新型采用超级电容器组与升降压式DC/DC转换电路结合，把波动范围较大的输入电压转化为蓄电池可接受的稳定电压。
②升降压式DC/DC转换电路的设计
升降压式DC/DC转换电路通过单片机切换，同一时刻Buck和Boost电路只有一个在工作。其具体实现：当太阳能电池的输出电压低于铅酸蓄电池的电压时，Ql开通，Q2作为开关管时，此时只有Boost升压电路在工作，整流电压升高至蓄电池组电压，给蓄电池充电；当阳能电池端电压高于铅酸蓄电池允许的最大充电电压时，Q2截止，Ql作为开关管时，此时只有Buck降压电路在工作，整流电压降低至蓄电池组电压，给蓄电池充电。 
3) 基于UC3906的充电电路的设计
输入电压加入后，Q5导通，开始恒流充电，充电电流为500mA，蓄电池电压逐渐升高。当蓄电池电压达到过充电压的95%时，蓄电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流时，UC3906的10脚输出高电平，比较器LM339输出低电平，蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管发光，指示蓄电池已充足电。
4)LED路灯驱动的设计
由于铅酸蓄电池正常工作时，其电压波动范围较大，由LED的伏安特性可知，LED在额定工作状态下，当其两端的电压发生微小变化时，其工作电流发生较大变化，因此如果用铅酸蓄电池直接给LED供电，随着铅酸蓄电池端电压的变化，LED灯的亮度将发生极大变化，严重情况下，甚至会发生LED损坏现象。因此铅酸蓄电池不宜直接作为LED负载的电源供电，一般需要经过驱动器给LED负载提供稳定的供电电源。
根据需要，我们采用两个PAM2842大功率恒流驱动模块，PAM2842是可应用于升压的恒流模块，具有内置开关晶体管，外挂元件少，效率高的特点，特别是对于本系统所用输入电压10.8-14.7V，输出约16V，升压比接近于1的条件下，其效率接近95%。其中，Rs为电流采样电阻，其两端电压分别反馈到内部电流放大器两个输入端，PAM2842的芯片要求采样电阻两端的电压为0.1V，因此Rs取95m                                                
Figure 2013204390888100002DEST_PATH_IMAGE001
；通过计算，储能电感L3取2A/28uH或相近的电感；PAM2842具有过压保护功能，R22, R24为限压电阻，如果有一个LED开路，通过R22, R24分压反馈，芯片的升压会被限制住，保护芯片本身不至于损坏。

Claims (3)

1.一种混合储能式太阳能LED路灯，其特征在于：包括与太阳能电池板连接的超级电容器组，与连接的升降压式DC/DC转换电路，与升降压式DC/DC转换电路连接的充电电路，与充电电路连接的铅酸蓄电池，铅酸蓄电池通过LED驱动电路给LED路灯供电，在太阳电池板与铅酸蓄电池与升降压式DC/DC转换电路依次连接有太阳能电压采样电路和DC/DC转换器驱动电路。
2.根据权利要求1所述的混合储能式太阳能LED路灯，其特征在于：所述的升降压式DC/DC转换电路由电容C1,C2、电感L1、二极管D2,D6、开关管Q1,Q2组成；其中电容C1接在开关管Q1的c极和地之间，二极管D2负极接开关管Q1的e极，正极接地，电感L1接在开关管Q1的e极和二极管D6正极之间，开关管Q2的c极接二极管D6正极，e极接地，电容C2接在二极管D6负极和地之间；
太阳能电压采样电路由单片机Mega16、光电耦合器TLP521-1、三极管Q3,Q4、电容C4,C5、电感L2、二极管D7和电阻R5,R6,R7,R8, R9, R10, R11组成；其中电阻R5接在单片机Mega16的PA0口和三极管Q4的c极之间，电阻R6接在+5V和三极管Q4的c极之间，电阻R7接在+5V和三极管Q4的b极之间，三极管Q3的c极接三极管Q4的b极，三极管Q3的e极接三极管Q4的e极，电阻R8与电容C4并联后接在三极管Q3的b极和e极之间，电阻R9接在三极管Q3的b极和光电耦合器TLP521-1的3脚之间，电阻R10接在+5V和光电耦合器TLP521-1的4脚之间，二极管D7与电容C5并联在光电耦合器TLP521-1的1脚和2脚之间，电感L3和电阻R11串联后接在光电耦合器TLP521-1的1脚和太阳能电池板正极之间，太阳能电池板负极接光电耦合器TLP521-1的2脚； 
DC/DC转换器驱动电路由功率开关管驱动芯片2101、电容C3、二极管D3,D4,D5和电阻
R1,R2,R3,R4组成；其中电容C3接在功率开关管驱动芯片IR2101的8脚和6脚之间，电阻R1接在功率开关管驱动芯片IR2101的2脚和单片机Mega16的39脚之间，电阻R2接在功率开关管驱动芯片IR2101的3脚和单片机Mega16的38脚之间，二极管D3与电阻R3并联后接在功率开关管驱动芯片IR2101的7脚和开关管Q1的g极之间，二极管D4与电阻R4并联后接在功率开关管驱动芯片IR2101的5脚和开关管Q2的g极之间，二极管D5接在功率开关管驱动芯片IR2101的1脚和8脚之间；
充电电路由蓄电池充电芯片UC3906、电压比较器LM339，三极管Q5、电容C6,C7、发光二极管D8,D9和电阻R12,R13,R14,R15, R16, R17, R18, R19, R20,R21,Rs组成；其中电容C6接在蓄电池充电芯片UC3906的1脚和地之间，电容C7接在蓄电池充电芯片UC3906的14脚和地之间，电阻Rs接在二极管D6负极和三极管Q5的e极之间，电阻R12接在蓄电池充电芯片UC3906的15脚和地之间，电阻R13接在蓄电池充电芯片UC3906的11脚和三极管Q5的c极之间，电阻R14接在蓄电池充电芯片UC3906的13脚和10脚之间，电阻R15接在蓄电池充电芯片UC3906的12脚和三极管Q5的c极之间，电阻R16接在蓄电池充电芯片UC3906的11脚和13脚之间，电阻R17接在蓄电池充电芯片UC3906的13脚和二极管D8的负极之间，电阻R18接在二极管D9的负极和电压比较器LM339输出端之间，电阻R19接在二极管D9的正极和电压比较器LM339输入端之间，电阻R20接在二极管D9的正极和电压比较器LM339输入端之间，电阻R21接在电压比较器LM339输入端和地之间，三极管Q5的b极接蓄电池充电芯片UC3906的16脚；
LED路灯驱动电路由大功率恒流驱动模块PAM2842、电容C8,C9,C10,C11,C12,C13、二极管D10、电感L3和电阻R22,R23,R24,R25组成；其中电容C8接在电感L3和地之间，电容C9接在大功率恒流驱动模块PAM2842的HVIN端和PGND端之间，电容C10接在大功率恒流驱动模块PAM2842的VDD-DR端和AGND端之间，电容C11接在二极管D10的负极和地之间，电容C12接在PAM2842的VDD-5V端和电容C13之间，电容C13接在电阻R23和电容C12之间，电感L3接在三极管Q5的c极和大功率恒流驱动模块PAM2842的SW端之间，二极管D10的正极接PAM2842的SW端，负极接电容C11一端，电阻R22接在大功率恒流驱动模块PAM2842的0V端和二极管D10的负极之间，电阻R23接在大功率恒流驱动模块PAM2842的COMP端和电容C13之间，电阻R24接在大功率恒流驱动模块PAM2842的0V端和电容C13之间，电阻R25接在大功率恒流驱动模块PAM2842的Sense+端和Sense-端之间，LED路灯按5串3并的形式并接在大功率恒流驱动模块PAM2842的Sense+端和二极管D10的负极之间。
3. 根据权利要求1或2所述的混合储能式太阳能LED路灯，其特征在于：所述的铅酸蓄电池采用胶体铅酸蓄电池。
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