充放电控制器的设计 - 基于单片机的太阳能草坪灯LED照明设计

3.3 太阳能草坪灯充放电控制器的设计

　　充电控制器作为光伏电池和铅酸蓄电池的接口电路，一般都希望让其工作在最大功率点，实现更高的效率，但是在实现最大功率点跟踪（MPPT）的同时，还需要考虑进行蓄电池充电控制。目前常用的主电路拓扑主要有降压型电路（Buck）变换器、升压型电路（Boost）变换器、丘克电路（Cuk）变换器等。一般光伏电池输出电压波动较大，而Buck变换器或Boost变换器只能进行降压或升压变换，受此影响，光伏电池不能在大范围内完全工作于最大功率点，从而造成系统效率下降。同时，Buck变换器输入电流纹波较大，如果输入端不加一个储能电容就会使系统工作在断续状态下，从而导致光伏电池输出电流时断时续，不能处于最佳工作状态；而Boost变换器输出电流纹波较大，用此电流对蓄电池进行充电，不利于蓄电池的使用寿命；Cuk变换器同时具有升压和降压功能，将Cuk变换器应用于光伏系统充电控制器中，可以在较大范围内实现最大功率点跟踪，有利于系统效率的提高。因此，常选用Cuk变换器作为充电控制器的主电路，其系统拓扑如图3-2所示。

　　Cuk变换器在负载电流连续的情况下，其电路的稳态过程有：

　　1、开关管Vr导通期间

　　此期间开关管Vr导通，电容C2上的电压使二极管D2反偏而截止，这时输入电流iL2使Ll储能；C2的放电电流iL2使L2储能，并供电给负载，如图3-3（a）所示。

　　2、开关管Vr截止期间此期间开关管Vr截止，二极管D2正偏而导通，电源和Ll的释能电流iLl向C2充电，同时L2的释能电流iL2以维持负载，如图3.3（b）所示。因此，Vr截止期间C2充电，Vr导通期间C2向负载放电，C2起能量传递的作用。

　　3.4 太阳能草坪灯的电路原理

　　太阳能草坪灯的电路原理比较简单。下面我们具体介绍一种简单的太阳能草坪灯的电路原理。它的控制器就是采用升压电路来实现的。

　　元器件选择：BT1选用3.8V/80mA太阳能电池板，单晶硅为好，多晶硅次之；BT2选用两节1.2V/600mA Ni-Cd电池，如需要增大发光度或延长时间，可相应提高太阳能板及电池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在200左右，VQ4需β值大的晶体管。VD1尽量选管压低的，如锗管或肖特基二极管。LED可选用白、蓝、绿色超高亮度散光或聚光。当选用红黄橙等低压降LED时，电路需重新设定。R3、R5建议选用1%精度电阻；R4用亮阻10kΩ～20kΩ，暗阻1MΩ以上的光敏电阻。其他电阻可选用普通碳膜（1/4）W、（1/8）W电阻。L1用（1/4）W色电感，直流阻抗要小。

　　该电路的工作原理：白天有太阳光时，由BT1把光能转换为电能，由VD1对BT2充电，由于有光照，光敏电阻呈低阻，VQ4 b极为低电平而截止。当晚上无光照时光敏电阻呈高阻，VQ4导通，VQ2 b极为低电平也导通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1组成的DC升压电路工作，LED得电发光。

　　DC升压电路其核心就是一个互补管振荡电路，其工作过程为：VQ2导通时电源通过L1、R6、VQ4向C2充电，由于C2两端电压不能突变，VQ3 b极为高电平，VQ3不导通，随着C2的充电其压降越来越高，VQ3 b极电位越来越低，当低至VQ3导通电压时VQ3导通，VQ5相继导通，C2通过VQ5 ce结、电源、VQ3 eb结（由于VQ2导通，我们假设其ec结短路，VQ3 e极直接电源正极）放电。

　　当放完电后VQ3截止，VQ5截止，电源再次向C2充电，之后VQ3导通，VQ5导通，C2放电，如此反复，电路形成振荡，在振荡过程中，VQ5导通时电源经L1和VQ5 ce结到地，电流经L1储能，VQ5截止时L1产生感应电动势，和电源叠加后驱动LED，LED发光。本可以提高电池电压直接驱动LED，以提高效率，但电池电压提高，相应的太阳能电池价格也大幅提高，只要电路元件设置合适，其效率还是可以接受的。当白天充电不够时（如遇上阴雨天等），BT2可能发生过放电，这样会损坏电池，为此特加R5构成过放保护：当电池电压降至2V时，由于R5的分压使VQ4基极电位不足以使VQ4导通，从而保护电池。增加R5会影响VQ4的导通深度。

　　4 光源优势及选择

　　目前多数草坪灯选用LED作为光源，LED寿命长，可以达到100000小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。特别是LED技术已经经历了其关键的突破，并且其特性在过去5年中有很大提高，其性能价格比也有较大的提高。另外，LED由低压直流供电，其光源控制成本低，使调节明暗，频繁开关都成为可能，并且不会对LED的性能产生不良影响。还可以方便地控制颜色，改变光的分布，产生动态幻景，所以它特别适用在太阳能草坪灯上。

　　但是LED有它许多固有的特性，使用时如果不注意就会造成不良后果。LED目前市场上销售的发光效率仅能达到15lmW，只能达到三色基色高效节能灯1/3，三色基色高效节能灯的发光效率可以达到50－60lmW，从价格上看，目前生产每1m的成本：三色基色高效节能灯（含电子镇流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED价格为1.9－3.0元，目前生产每1m的成本价格相差悬殊。从使用寿命上看，三色基色高效节能灯（含电子镇流器）的寿命可以达到6000h，LED可以达到100000h以上，从表面上看LED寿命是三色基色高节能灯（含电子镇流器）的几十倍，但是事实并非如此。目前太阳能草坪灯大多数采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通维持率达到初始强度50%的时间（寿命）不到10000h，复旦大学电光源所曾经证明上述论点。这就是说，目前在许多情况下LED并非最好的太阳能草坪灯光源，除非它是低档的使用年限仅1－2年的太阳能草坪灯，或者是1W以下的太阳能草坪灯。对于1W以上的太阳能草坪灯，最好使用三色基色高效节能灯。目前有一些太阳能草坪灯用30－40只超高亮白光LED，输入功率2W以上，在这种情况下如果用三色基色高效节能灯，价格只有LED的1/10，光通量是原来的4倍，可喜的是现在已经研制成功2－10W的低压直流三色基色高效节能灯，寿命可以达到6000h。

　　根据上面分析，我们认为1W以下的小功率太阳能草坪灯，有调节明暗，频繁开关的功能，一般应该使用LED作为光源。但是在使用超高亮白光LED时特别要注意光通维持率问题，否则容易引起质量事故。对于功率较大的太阳能草坪灯，目前使用三色基色高效节能灯比较合理。这里要强调的是，以上结论仅仅是目前的分析，当LED技术水平提高以后，价格下降，以上结论需要调整。

　　5 遇到的问题

　　5.1 光敏传感器

　　太阳能草坪灯需要光控开关，设计者往往会用光敏电阻来自动开关灯，实际上太阳能电池本身就是一个极好的光敏传感器，用它做光敏开关，特性比光敏电阻好。对于仅仅使用一只1.2VNi－Cd电池的太阳能草坪灯来说，太阳能电池组件由四片太阳能电池串联组成，电压低，弱光下电压更低，以至天没有黑电压已经低于0.7V，造成光控开关失灵。在这种情况下，只要加一只晶体管直接耦合放大，即可解决问题。

　　5.2 按蓄电池电压高低控制负载大小

　　太阳能草坪灯往往对连续阴雨可维持时间要求很高，这就增加系统成本。我们在连续阴雨蓄电池电压降低时减少LED接入个数，或者减少太阳能草坪灯每天的发光时间，这样就能减少系统成本。

　　5.3 太阳能电池封装形式

　　目前太阳能电池的封装形式主要有两种，层压和滴胶。层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1－2年。因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯，在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能草坪灯，建议使用层压的封装形式。

　　5.4 闪烁变光

　　渐亮渐暗是节能的好办法，它一方面可以增加太阳能草坪照射效果，另一方面可以通过改变闪烁占空比控制蓄电池平均输出电流，延长系统工作时间，或者在同等条件下，可减小太阳能电池的功率，成本将大幅度下降。

　　5.5 三色基色高效节能灯的开关速度

　　这个问题非常重要，它甚至决定着太阳能草坪灯的使用寿命，三色基色高效节能灯启动时有高达10－20倍的启动电流，系统在承受这样大的电流情况下可能电压有大幅度下降，太阳能草坪灯无法启动或者反复启动，直至损坏。

　　5.6 升压电路效率的提高及对LED灯的影响

　　小功率太阳能草坪灯一般都有升压电路，如果采用振荡电路，电感升压。电感采用标准色码电感器，标准色码电感器中使用开放磁路，磁通损失大，所以电路效率低。如果采用闭合磁路制造电感升压，如磁环，升压电路效率将有很大提高。LED的特性接近稳压二极管 ，工作电压变化0.1V，工作电流可能变化20mA左右。为了安全，普通情况下使用串联限流电阻，极大的能量损失显然不适合太阳能草坪灯，并且LED亮度随工作电压变化，而且一定要自动限流，否则将损坏LED。一般LED的峰值电流50－100mA，反高能电池反接或者蓄电池空载，升压电路峰值电压过高时很可能超过这个极限，损坏LED。