中心議題：

• 高亮度LED太陽能路燈照明係統設計方案

解決方案：

• 太陽能板與蓄電池組中加入DC/DC電路
• 單片機與開關管間加入了D/A 轉換和PWM芯片

在(zai)傳(chuan)統(tong)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)路(lu)燈(deng)係(xi)統(tong)中(zhong)


，通(tong)常(chang)經(jing)過(guo)防(fang)電(dian)流(liu)倒(dao)灌(guan)二(er)極(ji)管(guan)將(jiang)太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)與(yu)蓄(xu)電(dian)池(chi)直(zhi)接(jie)相(xiang)連(lian)
，這(zhe)將(jiang)導(dao)致(zhi)太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)的(de)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)低(di)
，同(tong)時(shi)容(rong)易(yi)使(shi)蓄(xu)電(dian)池(chi)長(chang)期(qi)處(chu)於(yu)欠(qian)充(chong)滿(man)狀(zhuang)態(tai)，造(zao)成(cheng)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)縮(suo)減(jian)。本(ben)文(wen)在(zai)研(yan)究(jiu)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)電(dian)路(lu)模(mo)型(xing)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)數(shu)模(mo)混(hun)合(he)的(de)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)追(zhui)蹤(zong)（Maxim Power Point Tracking,簡稱MPPT）策略，它可最大程度地利用太陽能，同時對固態光源LED 的驅動電路做了研究，最後用實驗驗證了該方案的高效性和實用性。

1 引言

隨著固態光源的發展，LED deyingyongyibuzaijinjinjuxianyuzhishidenglingyu
，tapingjieshoumingchang，guangxiaogaodengyoudianzaixiandaizhaomingtixizhongriyituxianyouyuexing。bansuizheguangfujishudefazhan，dagonglvgaoliangduLED 更以其高效、節能而進一步引起了社會各界對該光源的廣泛關注。但目前，LED 太陽能路燈還存在因燈驅動電路導致LED 光衰現象及太陽能利用率不高等不足。業界普遍認為LED的恒流驅動對抑製光衰效果顯著。

傳統的太陽能路燈充電係統中，通常經過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連，這將導致太陽能板的工作點偏移最大功率點（MaximPower Point,簡稱MPP），而未有效利用太陽能板的可輸出功率
；同時容易使蓄電池因供能不足而長期處於欠充滿狀態，造成壽命縮減。本文在研究太陽電池電路模型的基礎上，分析了恒壓追蹤[1]、擾動觀察[2,3]等最大功率追蹤（MPP Tracking,即MPPT）法
，提出了一種數模混合的MPPT 策略，它可使太陽電池的輸出穩定在MPP 附近，從而有效利用了太陽能板可輸出的最大功率。

2 太陽電池的電路模型

圖1 示出太陽電池的電路模型。通常，材料內部的等效並聯電阻Rsh 值大
，而材料內部的等效串聯電阻Rs 值很小。

圖中Is---由光生伏特效應產生的電流

輸出負載RL 上的電壓電流關係為：

式中q,k---電子電荷量及波耳茲曼常數

A---太陽能板的理想因素，A=1~5

T---太陽能板的溫度

Ios---太陽能板的逆向飽和電流，與T有關

由上述關於太陽能板電路模型的分析可見，太陽電池的輸出是一個隨光照條件及溫度等因素變化的複雜變量。圖2示出太陽電池在標準測試條件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 時的典型輸出特性。

太陽能板的輸出開路電壓uoc 和輸出短路電流isc的值由生產廠給出。
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3 電路工作原理

目前，市場上絕大部分太陽能路燈都是通過防電流倒灌二極管將蓄電池與太陽能板直接相連以充電的。圖3 示出傳統的充電電路。

這種做法的弊端是它將使太陽能板的輸出電壓Uarr 被蓄電池箝位在其電動勢12V 左右，也即其工作點被限製在圖2 的Q 點，這將使太陽能板的輸出功率Parr 大幅度降低。

在太陽能板與蓄電池組中加入DC/DC電路，通過對其進行控製，調節Uarr,從而使其穩定在圖2 的P 點dian
，以yi便bian能neng有you效xiao利li用yong太tai陽yang能neng板ban的de可ke輸shu出chu功gong率lv。在zai標biao準zhun測ce試shi條tiao件jian下xia，太tai陽yang電dian池chi的de最zui佳jia工gong作zuo電dian壓ya與yu其qi開kai路lu電dian壓ya之zhi間jian存cun在zai一yi個ge特te定ding的de比bi例li關guan係xi，基ji於yu該gai思si想xiang產chan生sheng了le恒heng壓ya跟gen蹤zongMPPT策略，但在非標準條件下，其實用性較差。利用擾動開關管的工作占空比D,直至輸出功率Parr 達到最大的擾動觀察法，在尋找MPP 上更具通用性。

對於Buck 電路
，存在UarrD=Ubat 關係，所以：

式中Ubat ---蓄電池電壓

式（1）代入得：

由圖2 可知，在MPP 時
，dParr /dUarr=0,（d2Parr /dUarr2）<0,因此可由式（3）和式（4）化簡為：

因此
，輸出功率和D 的關係與圖2 中的P 和U關係相似。從而可通過擾動D,實現輸出功率的變化
，並尋找出MPP.由於輸出電壓即蓄電池的充電電壓短期內變化不大，在進行D 擾動尋找MPP 期qi間jian可ke近jin似si認ren為wei恒heng定ding，因yin此ci輸shu出chu功gong率lv的de大da小xiao直zhi接jie反fan應ying在zai輸shu出chu電dian流liu即ji蓄xu電dian池chi的de充chong電dian電dian流liu上shang
，通tong過guo采cai樣yang該gai充chong電dian電dian流liu值zhi，從cong而er判pan斷duan出chu輸shu出chu功gong率lv隨suiD 擾動的變化情況

，以便進行MPPT.為了提高控製精度和驅動能力，單片機與開關管間加入了D/A 轉換和PWM芯片
，圖4 示出其主電路拓撲。

4 最大功率點追蹤（MPPT）

電路尋找MPP 的工作原理可簡述為：通過不斷改變開關管驅動信號的D,直至蓄電池的充電電流達到最大，此刻即可認為太陽電池的輸出功率達到最大，實現太陽電池的最大功率點追蹤。在尋找MPP 過程中，根據D 的擾動情況，輸出功率有3 類模式，對應9 種大小關係。

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根據上述模式變化，擾動開關管的D,當檢測到當前輸出功率與D 的大小關係為模式2 時
，即可認為已搜尋到MPP,同時將以該D 進行工作。

考慮到溫度及光照條件的改變，太陽電池的輸出參數不斷變化，同時導致MPP 的漂移

，單片機在經過設定時間後，將再一次做D的擾動
，搜尋新的MPP,以保證太陽電池的最大功率輸出
，從而有效利用太陽能。

根據上述分析，編製了相關程序。圖6 示出其設計流程。

通過實驗發現
，在晴日裏不同時刻的MPP 處，電路工作的D 均變化不大。因此
，為了避免搜尋過程中造成尋找時間太久及帶來的能量浪費，下一時刻進行MPP 追蹤的搜尋起點設定為上一次MPP 時的D 值。

5 MPPT 策略實驗結果

主電路的工作頻率為100kHz,當搜尋到輸出電流達到最大時，即認為該點為電路工作的MPP,圖7 示出此刻的驅動信號Ugs 實驗波形。可見，此時開關管的D≈0.65,這與理論分析結果很吻合。表1 給出由上述分析得到的傳統電路與MPPT 電路的對比性試驗結果。

由表1 可見，傳統太陽能充電電路中
，15W的Parr 最大值出現在早上溫度不高、光照比較強的時刻
，但此時的利用率僅僅約為68.4%;而采用帶有MPPT 功能的DC 變換電路後，輸出功率明顯上升。

6 結論

LED 燈的恒流驅動，對抑止光衰現象起到了很有效的作用；通(tong)過(guo)數(shu)模(mo)混(hun)和(he)的(de)方(fang)法(fa)，避(bi)免(mian)了(le)單(dan)純(chun)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)不(bu)高(gao)等(deng)問(wen)題(ti)，且(qie)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)，使(shi)得(de)能(neng)夠(gou)較(jiao)快(kuai)的(de)尋(xun)找(zhao)到(dao)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)，提(ti)高(gao)了(le)太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)的(de)利(li)用(yong)率(lv)及(ji)整(zheng)個(ge)路(lu)燈(deng)照(zhao)明(ming)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)價(jia)格(ge)比(bi)。