在各大中型城市中一大批智能化小區、花園別墅、智能大型綜合體育設施等建筑拔地而起， 客觀上要求有與其相配套的高效能環保的照明設備的出現。LED 是發光二極管的統稱， 它工作在低電壓、小電流的狀態下， 所以具有發熱量小、功耗低的顯著特征。而且其使用方面， 可以根據不同場合的使用要求方便地進行多顆LED 的組合。所以在LED 技術基礎上發展起來的LED 光伏路燈是一種新型環保且具有高光效的節能設備， 具有安全抗震、使用方便、費用低、壽命長、節約能源、無污染等優點， 在許多領域可代替現在廣泛使用的白熾燈、日光燈等光效相對較低的照明設備。其工作原理就是通過太陽電池光伏陣列將太陽能轉化為電能， 給蓄電池進行充電， LED 驅動器則通過蓄電池為其提供工作電源， 完成對LED 燈的驅動和保護功能。其優點是克服了目前市場上所使用的其它照明設備普遍存在的耗能大、光效差、不穩定、蓄電池使用壽命短等多種弊端。大功率LED 路燈充電器設計的一個關鍵的部分就是光伏充電器的(de)(de)設計問題， 因為(wei)光伏充(chong)電(dian)(dian)器(qi)不僅(jin)完成了(le)把太(tai)陽能(neng)轉換成電(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)重任， 而(er)且還(huan)對蓄電(dian)(dian)池提供(gong)了(le)智能(neng)充(chong)電(dian)(dian)管理， 因此光伏充(chong)電(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)性(xing)能(neng)直接決(jue)定了(le)太(tai)陽能(neng)能(neng)量(liang)利用(yong)的(de)(de)效率和(he)(he)系統使用(yong)的(de)(de)壽命。本(ben)文從原理、控制(zhi)(zhi)策略和(he)(he)實際(ji)應用(yong)等幾個方(fang)面介紹一種光伏充(chong)電(dian)(dian)器(qi)及其控制(zhi)(zhi)系統的(de)(de)設計思(si)想。

　　1 系統構成

　　1.1 LED 的工作特性

　　發光二極管LED（Light Emitting Diode）的(de)(de)工作原理(li)是在半導體(ti)p-n 結(jie)上加一正向電壓， 從而(er)使其電子與空穴復(fu)合（即(ji)結(jie)區變窄）， 這種復(fu)合是電子從高能級的(de)(de)導帶釋放(fang)能量(liang)(liang)回到價帶與空穴復(fu)合， 其釋放(fang)的(de)(de)能量(liang)(liang)以光子的(de)(de)形式(shi)出現， 即(ji)發光。

　　根據半(ban)導(dao)體物理中(zhong)的(de)(de)(de)(de)公式(shi)： λ=1.24/Eg式(shi)中(zhong)： Eg 為半(ban)導(dao)體材料(liao)導(dao)帶與價帶之間的(de)(de)(de)(de)禁帶寬(kuan)度， λ為波長(chang)。從式(shi)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出， 對于不(bu)同材料(liao)的(de)(de)(de)(de)半(ban)導(dao)體來(lai)說， 由于它(ta)們的(de)(de)(de)(de)Eg 不(bu)同， 因(yin)此它(ta)們的(de)(de)(de)(de)波長(chang)# 也(ye)不(bu)一樣(yang)， 所以(yi)發光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)顏色(se)不(bu)同。顯然， 一般LED 多為單(dan)顏色(se)光(guang)(guang)(guang)， 如紅光(guang)(guang)(guang)、綠光(guang)(guang)(guang)、黃(huang)光(guang)(guang)(guang)、藍(lan)光(guang)(guang)(guang)等。所謂(wei)白(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)是(shi)多種顏色(se)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合而(er)成， 以(yi)人類(lei)眼睛所能見到(dao)的(de)(de)(de)(de)白(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)形式(shi)至(zhi)少(shao)必須(xu)兩種以(yi)上的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合， 一般有下列兩種混(hun)(hun)合方(fang)式(shi)： 二波長(chang)光(guang)(guang)(guang)―――藍(lan)光(guang)(guang)(guang)與黃(huang)光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合； 三(san)(san)波長(chang)光(guang)(guang)(guang)―――紅光(guang)(guang)(guang)、綠光(guang)(guang)(guang)與藍(lan)光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合。目前(qian)已經商品化的(de)(de)(de)(de)白(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)LED 產品多為二波段藍(lan)光(guang)(guang)(guang)單(dan)晶片加(jia)上YAG 黃(huang)色(se)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)粉(fen)； 三(san)(san)波長(chang)光(guang)(guang)(guang)以(yi)無機紫外線(xian)光(guang)(guang)(guang)晶片加(jia)R、G、B 三(san)(san)顏色(se)熒(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)粉(fen)。此外， 有機單(dan)層(ceng)三(san)(san)波長(chang)型白(bai)(bai)光(guang)(guang)(guang)LED 也(ye)有成本低(di)、制作容易(yi)等優(you)點。

　　1.2 太陽電池的工作特性

　　圖(tu)1、圖(tu)2 分別給(gei)出(chu)(chu)了太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)(chi)溫度在(zai)25 ℃時， 工作電(dian)壓(ya)(ya)、電(dian)流和(he)日(ri)照(zhao)（ W/m2） 的(de)關系曲線(xian)及(ji)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)(chi)的(de)輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)和(he)日(ri)照(zhao)、電(dian)壓(ya)(ya)之間的(de)曲線(xian)。

　　從圖(tu)1 的(de)(de)I/U 關系可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出， 太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)池陣(zhen)列既非恒(heng)(heng)壓源，也(ye)非恒(heng)(heng)流源， 而是一種(zhong)非線性直流電(dian)(dian)(dian)(dian)源， 電(dian)(dian)(dian)(dian)池輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)流在大(da)部分(fen)工(gong)(gong)作電(dian)(dian)(dian)(dian)壓范圍內(nei)相當(dang)恒(heng)(heng)定(ding)， 最(zui)(zui)終在一個(ge)足夠高的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓之后(hou)，電(dian)(dian)(dian)(dian)流迅速下降至零。由圖(tu)2 可(ke)知， 太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)工(gong)(gong)作效率(lv)(lv)等于輸出功(gong)率(lv)(lv)與投射到太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)池面積(ji)上的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)之比。因此， 為(wei)了提高本系統的(de)(de)工(gong)(gong)作效率(lv)(lv)， 必須盡可(ke)能地(di)使太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)池在最(zui)(zui)大(da)功(gong)率(lv)(lv)點處(chu)工(gong)(gong)作， 這(zhe)樣就可(ke)以(yi)(yi)用功(gong)率(lv)(lv)盡可(ke)能小的(de)(de)太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)池獲得最(zui)(zui)大(da)的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)輸出， 這(zhe)就是進行最(zui)(zui)大(da)功(gong)率(lv)(lv)點跟蹤的(de)(de)意義所(suo)在。如(ru)圖(tu)1 和圖(tu)2 所(suo)示， 圖(tu)中的(de)(de)A、B、C、D、E 點分(fen)別對應不(bu)同日照時(shi)的(de)(de)最(zui)(zui)大(da)功(gong)率(lv)(lv)點。

　　1.3 鉛(qian)酸(suan)蓄電池的工作特性

　　目前在(zai)光伏充(chong)電器系統中大量使用的(de)(de)是(shi)鉛(qian)(qian)酸(suan)蓄電池， 它的(de)(de)工(gong)作原理是(shi)依靠鉛(qian)(qian)酸(suan)正極的(de)(de)活性物(wu)質(zhi)(zhi)二氧化(hua)鉛(qian)(qian)（ PbO2） 和負極的(de)(de)活性物(wu)質(zhi)(zhi)海綿狀(zhuang)鉛(qian)(qian)（ Pb） 與(yu)電解(jie)液(ye)硫(liu)(liu)酸(suan)（ H2SO4） 進行化(hua)學反應生(sheng)成(cheng)硫(liu)(liu)酸(suan)鉛(qian)(qian)（ PbSO4） , 在(zai)此(ci)(ci)工(gong)作過程(cheng)中將引(yin)起(qi)硫(liu)(liu)酸(suan)（ H2SO4） 的(de)(de)減少， 而且在(zai)正極板(ban)上(shang)不斷(duan)生(sheng)成(cheng)水（ H2O） , 從而引(yin)起(qi)電解(jie)液(ye)的(de)(de)密度降(jiang)低。在(zai)充(chong)電期間(jian)， 正極極板(ban)上(shang)的(de)(de)硫(liu)(liu)酸(suan)鉛(qian)(qian)（ PbSO4） 氧化(hua)成(cheng)了二氧化(hua)鉛(qian)(qian)（ PbO2） , 此(ci)(ci)時負極極板(ban)上(shang)的(de)(de)硫(liu)(liu)酸(suan)鉛(qian)(qian)（ PbSO4） 還原成(cheng)鉛(qian)(qian)（ Pb） , 同時生(sheng)成(cheng)硫(liu)(liu)酸(suan)（ H2SO4） , 耗去了蓄電池中的(de)(de)水（ H2O） , 使電池中電解(jie)液(ye)的(de)(de)密度上(shang)升， 完成(cheng)充(chong)電過程(cheng)。

　　2 系統的工作原理

　　2.1 系(xi)統的主控制芯片(pian)介紹

　　充(chong)電器系統的(de)硬件(jian)框圖如圖3 所示(shi)。

　　主控芯片采用(yong)Microchip 公司(si)的(de)(de)PIC16F874, 它(ta)采用(yong)RISC 指令系(xi)統， 哈佛總線結構， 低功(gong)耗， 高速度。內(nei)部集成了ADC、SPI 和Flash 程序(xu)存(cun)儲(chu)器等(deng)模塊， 具有(you)(you)10 位A/ D 轉換、PWM 輸出、LCD 驅動等(deng)功(gong)能， 此外它(ta)還(huan)帶有(you)(you)128 個字節的(de)(de)E2PROM 存(cun)儲(chu)器， 能方便(bian)寫入調(diao)整(zheng)量以備后用(yong)。PIC16F874通過(guo)SPI 接(jie)口(kou)可以實現與(yu)CAN 控制(zhi)器MCP2510 的(de)(de)無縫連(lian)接(jie)， 且(qie)同(tong)時同(tong)步串行(xing)模塊（ SSP） 為以后與(yu)工控機聯網奠定了基礎。PIC16F874 的(de)(de)I/O 資源豐富， 共有(you)(you)A、B、C、D、E 五個I/O口(kou)， 每個I/O 口(kou)除了基本用(yong)途(tu)外還(huan)有(you)(you)一些特(te)殊功(gong)能。豐富的(de)(de)資源和強大的(de)(de)功(gong)能， 使之十分適合于作為控制(zhi)系(xi)統的(de)(de)控制(zhi)核心芯片。

　　2.2 系統的工作過(guo)程分析

　　充電器系統的控制框圖如圖4 所示。

　　由圖(tu)(tu)4 可以看出， 在蓄(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)階段， 控制回路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓環(huan)僅(jin)由太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓構成(cheng)。此時， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓環(huan)的(de)(de)(de)輸出為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流環(huan)的(de)(de)(de)給(gei)(gei)定(ding)，通(tong)過檢測主電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)中蓄(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流與(yu)給(gei)(gei)定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流相(xiang)比較來改(gai)變(bian)SG3525 的(de)(de)(de)輸出脈沖寬度， 使太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓跟蹤給(gei)(gei)定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓。由圖(tu)(tu)1 可知， 當太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓下降(jiang)， 在穩態時， 太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓等于給(gei)(gei)定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流環(huan)的(de)(de)(de)給(gei)(gei)定(ding)亦為(wei)穩定(ding)值， 蓄(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流等于給(gei)(gei)定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流； 反(fan)之， 當太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓小于給(gei)(gei)定(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓時，SG3525