随着社会的快速发展，各国对能源的需求越来越大，能源作为可持续发展的前提和基础，是国民经济和社会发展的重要战略资源^[1]。由于过度开发使得不可再生能源逐渐枯竭，诸如煤、石油等化石燃料，使用化石燃料带来的温室效应和环境污染也越发严重^[2-4]。为缓解能源压力，可再生能源的开发与使用得到了广泛的研究和快速的发展，可再生能源主要包括太阳能、风能、生物质能、海洋能和地热能等^[5]。近年来，随着大功率发光二极管(lighting emitting diode，LED)技术的快速发展，LED的发光效率和颜色质量得到了改善，这使LED在照明系统中的应用越来越广泛^[6-7]，LED在太阳能路灯控制系统的应用成为研究的热点课题之一。传统的太阳能路灯控制器存在许多不足：首先，采用恒流、恒压、二阶段或三阶段的充电方法，存在充电效率低、控制精度低、蓄电池使用寿命短的问题^[8]；其次，多数控制器仅采用恒定电压控制法、扰动观测法、导纳增量法、模糊控制法等传统的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)算法，这些算法存在不同的优缺点(例如：导纳增量法控制精度高，但控制算法较复杂，对控制系统要求高，成本高；扰动观测法简单可靠，对系统要求也低，但在最大功率点存在系统震荡，降低了充电效率和控制精度)，难以兼顾稳态性能和动态性能，控制器成本和充电效率也难以兼顾^[9-15]；最后，缺少温度补偿功能，蓄电池的性能受温度的影响也很大。因此，太阳能路灯控制器应该带有温度补偿功能^{[8, 16-17]}。除此之外，传统的太阳能路灯控制器需要两个独立的电压变换器，成本高、结构复杂，其结构框图如图 1所示。为降低成本和简化结构，已有研究者提出了如图 2所示的新型太阳能路灯控制器，由于采用的是复合式DC-DC变换器，达到了降低成本和简化结构的目的，但目前处于理论研究阶段，市场上还没有相关产品推出^[2]。

笔者提出了一种基于图 2所示的太阳能路灯控制器设计思想，通过改进控制方式即采用多路(pulse width modulation，PWM)实现PWM脉宽调制充电方式和恒流驱动LED路灯的功能，充电过程采用改进的扰动观察法实现MPPT，并设计了12 V/24 V自适应、过流保护和温度补偿功能。

1 设计与实现

提出的太阳能路灯控制器主要包括CPU、DC-DC变换器、电流与电压采集电路和温度采集电路，其结构框图如图 3所示。

1.1 控制器结构设计

主控制器实时检测太阳能极板的输出电压U_solar和蓄电池电压U_bat，在满足电条件下，主控制器通过调整PWM₁波形实现对蓄电池的充电；在满足放电条件时，主控制器通过调整PWM₂、PWM₃波形实现蓄电池的放电，并通过实时检测放电电流I_led，将I_led作为控制对象，实现恒流驱动LED路灯的功能。

1.2 DC-DC变换器

DC-DC变换器如图 4所示，包括充电回路和放电回路，图中Q₁和Q₃为大功率增强型P沟道MOS场效应管，Q₂为大功率增强型N沟道MOS场效应管。主控制器通过产生PWM₁、PWM₂和PWM₃，控制Q₁、Q₂和Q₃的导通与关断，实现蓄电池的充电和放电功能。

1.2.1 充电过程

充电过程，实质上是一个降压的过程。主控制器通过AD实时采集V_solar和V_bat，得到太阳能极板电压U_solar和蓄电池电压U_bat，进而判定蓄电池的充电和放电状态。当满足充电条件时，Q₂和Q₃一直处于截止状态，主控制器通过控制Q₁实现PWM脉宽调制方式充电，该充电方式遵循蓄电池固有的充电接受率，使蓄电池有较充分的反应时间，减少了蓄电池充电过程的析气量，提高蓄电池的充电效率。

由图 4可知，Q₁为增强型P沟道MOS场效应管，要使Q₁导通，则需要PWM₁输出低电平。令PWM₁的周期为T，占空比为D，输入电压为U_solar，输出的充电电压U_charge与时间t的波形图如图 5所示，利用电压伏秒平衡原则(Voltage-Second Balance Principle)可推出U_charge与U_solar的函数关系^{[2, 8, 18]}为

${{U}_{\text{charge}}}=\frac{1}{T}\int{_{t1}^{T}}{{U}_{\text{solar}}}\text{d}t=\left( 1-D \right)\times {{U}_{\text{solar}}},$

(1)

式中：D的变化范围为(0，1)，则有U_charge<U_solar。由此可知，充电过程是一个降压的过程。通过调节D，将U_charge控制在合适的范围内，从而实现对蓄电池进行高效、安全的充电。

整个充电过程的波形图如图 6所示，工作原理如下：

1) PWM₁在(0, t₁)为低电平，则Q₁导通，太阳能极板给蓄电池充电，电流I₁回路如图 4所示；

2) PWM₁在[t₁, T)为高电平，则Q₁关断，电路中存在电流I₂，I₂回路如图 4所示。

令整个周期流过蓄电池的电流为I_charge，I_charge与流过L₁的电流平均值I_L相等，为

${{I}_{\text{charge}}}={{{\bar{I}}}_{\text{L}}}=\frac{1}{T}\int{_{0}^{T}}{{I}_{L}}\text{d}t。$

(2)

由能量守恒定律可得太阳能极板给蓄电池充入的电能P_charge为

${{P}_{\text{charge}}}={{U}_{\text{charge}}}\times {{I}_{\text{charge}}}。$

(3)

研究太阳能极板的P-V特性可知，在环境参数一定时，其输出功率具有唯一的MPP，因此，为提高太阳能极板的发电效率和蓄电池的充电效率，实现MPPT显得非常重要^[14]。笔者提出的控制器通过对传统的扰动观察法进行改进，兼顾了稳态性能和动态性能，使得跟踪精度和相应速度得到了一定的改善。整个控制过程，就是通过调节PWM₁的占空比D，控制U_charge和I_charge使得P_charge始终工作在MPP，从而提高充电效率。

1.2.2 放电过程

放电过程，是一个集升压和降压于一体的过程。当太阳能LED路灯控制器控制小功率LED路灯时，放电回路工作在降压模式，Q₁和Q₂处于关断，通过调节PWM₃的占空比，实现降压功能，其工作原理与充电电路的工作原理类似，此处不再赘述。

当太阳能LED路灯控制器控制大功率LED路灯时，放电回路工作在升压模式。在整个放电过程中，Q₁一直处于关断状态，Q₃一直导通状态，通过调整PWM₂的占空比D，实现升压功能，进而提高输出电流I_led，主控制器通过AD采集采样电阻R₇的电压，间接地获取放电电流，再反过来调整PWM₂的占空比，实现恒流驱动LED路灯，整个升压过程的波形图如图 7所示，工作原理如下：

1) PWM₂在(0, t₁)为高电平，则Q₂导通，蓄电池经过L₁和Q₂形成电流I₃回路，蓄电池向电感L₁储能，同时C₁，LED路灯和R₇构成电流I4回路，如图 4所示。

2) PWM₂在[t₁, T)为低电平，则Q₂关断，整个回路形成电流I5回路，如图 4所示。

因二极管D₂具有单向导通特性，而Q₂导通阶段，存在U₁ < U₂，因此，D₂反向截止，即I5=0。由电压伏秒平衡原则可以得出U_led与U_bat的关系^{[2, 18]}为

${{U}_{\text{led}}}=\frac{1}{1-D}{{U}_{\text{bat}}},$

(4)

式中D的变化范围为(0，1)，则有U_led>U_bat，实现了升压功能。

1.3 电流与电压采集

差分比例运算电路的特点是对差模信号有放大效果，对共模信号有抑制作用。由于采样电阻阻值较低，通过电流后，两端的电压也较低，易受到干扰，为提高采集精度，消除噪声信号，在采集充电电流和放电电流时，采用了差分比例运算电路，如图 8(a)所示，其中电路参数满足式(5)，U_ADC0与输入信号U_inL和U_inH的关系^[18]为

${{R}_{41}}={{R}_{43}}, {{R}_{42}}={{R}_{44}},$

(5)

${{U}_{\text{ADC0}}}=-\frac{{{R}_{42}}}{{{R}_{41}}}\left( {{U}_{\text{inL}}}-{{U}_{\text{inH}}} \right)。$

(6)

电压跟随器具有输入阻抗很大，输出阻抗很小的特点。为减少负载对AD采样的影响，在采集太阳能极板电压和蓄电池电压的时候加入了电压跟随器，为消除噪声信号，在电压跟随器的输入端加了低通滤波电路，如图 8(b)所示，其中滤波器的截止频率f₀如式(7)所示，U_ADC1与U_in^[18]为

${{f}_{0}}=\frac{1}{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{R}_{45}}{{C}_{29}}},$

(7)

${{U}_{\text{ADC0}}}={{U}_{\text{in}}}。$

(8)

1.4 温度采集

太阳能LED路灯控制器应具有温度补偿功能，当环境温度升高或者降低时，实时调节充电或放电过程的相关参数以保护蓄电池。根据蓄电池的温度曲线，选择合适的温度补偿系数，有利于延长蓄电池的使用寿命。

2 软件设计

控制器包含5个主要功能：充电功能，采用了改进的扰动观察法实现MPPT；放电功能，实现恒流驱动LED路灯；12 V/24 V自适应；温度补偿；过流保护。

传统的扰动观测法的原理如图 9所示，通过比较P_k和P_k-1来调整太阳能极板的输出电压V_k，实现MPPT。具体实现过程如下，其中ΔP=P_k-P_k-1^[19-20]。

①ΔP>0，太阳能极板处于MPP左侧，增大V_k；

②ΔP < 0，太阳能极板处于MPP右侧，减小V_k；

③ΔP=0，太阳能极板处于MPP，保存V_k不变。

传统的扰动观测法程序流程如图 10所示，其中ΔU通过调整PWM₁占空比实现。

图 11给出了改进的扰动观察法程序流程图，通过在传统的扰动观察法的基础上增加电压比较环节，用以改善传统的扰动观察法在MPP震荡剧烈、跟踪较慢的缺点^[19]。

图 12给出了本控制器的软件流程图，其中24 V系统相应的参数是12 V系统相应参数的两倍，图 12主要介绍了12 V系统的软件流程。

3 测试实验

为测试提出的太阳能LED路灯控制器的性能，搭建了实验装置，配件参数如表 1所示。提出的路灯控制器的PWM调制频率f=36 kHz，充电过程测试波形如图 13所示，示波器的CH₁为PWM₁波形，CH₂为太阳能极板电压U_solar波形，CH₃为给蓄电池充电的电压U_charge波形，为了更加直观的观察U_solar与U_charge之间的关系，CH₂和CH₃的参考点被重合在一起。由图 13可知，PWM₁的调制频率为36 kHz，U_charge的波形平稳，表明主控制器通过采用改进的扰动观测法调节PWM₁的占空比，使得太阳能极板工作在MPP，提高了充电效率，而且改善了传统的扰动观测法在MPP震荡剧烈的问题，实现了平稳、可靠的充电功能，有利于延长蓄电池的使用寿命。

放电电流精度测试所使用的LED路灯采用“四串一并”的结构，每个LED灯的功率为1 W，额定电压为3 V，改变LED路灯的功率，通过四位半高精度万用表测量蓄电池的放电电流I_led，获得数据如表 2所示，其中每组数据的测量次数为N (N≥200)，将测量数据排序后得到I_n(n=[1, N])，去除最大和最小的20组数据，求取平均值I_led，I_led的计算公式如式(9)所示，精度的计算公式如式(10)所示。

${{I}_{\text{led}}}=\frac{\sum{_{n=21}^{N-20}{{I}_{n}}}}{N-40},$

(9)

$\rho =\left| \frac{{{I}_{\text{led}}}-{{I}_{\text{set}}}}{{{I}_{\text{set}}}} \right|\times 100\%。$

(10)

市场上的LED恒流驱动电源的精度为±5%，根据表 2可知，本控制器的电流精度低于2.5%，表明恒流源精度高，有利于延长蓄电池和LED路灯的使用寿命。

为测试控制器的充电效率，搭建了10套完整的太阳能路灯装置。通过3个月的测试，其中阴雨天数占36%，平均每天放电时间为9.5 h，10套设备全部实现了自给自足，而某公司相同参数的10套设备，有8套设备实现自给自足，另2套设备偶尔出现欠压状态，测试结果表明提出的路灯控制器充电效率高，充电速度提高了4%~7%。

4 结语

提出的太阳能路灯控制器，利用一个复合式DC-DC变换器，实现了蓄电池的充电和放电功能，降低了成本。通过测试结果可知，蓄电池充电过程，提出的控制器通过改进传统的扰动观测法实现了MPPT，充电效率高，提高了充电速度；蓄电池放电过程，恒流源精度高，有利于延长蓄电池和LED路灯使用寿命。此外，控制器还具有12 V/24 V自适应、过流保护和温度补偿功能。