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(ji)問題， 因為(wei)光(guang)(guang)伏(fu)充電(dian)(dian)器不(bu)僅完成(cheng)了(le)(le)把太陽能(neng)轉換成(cheng)電(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)重任， 而且還對蓄電(dian)(dian)池(chi)提供了(le)(le)智能(neng)充電(dian)(dian)管理(li)， 因此光(guang)(guang)伏(fu)充電(dian)(dian)器的(de)(de)性能(neng)直接(jie)決定了(le)(le)太陽能(neng)能(neng)量(liang)利用(yong)的(de)(de)效率和系(xi)統使用(yong)的(de)(de)壽命。本文從(cong)原理(li)、控制(zhi)策略和實(shi)際應(ying)用(yong)等(deng)幾個方面介紹一種光(guang)(guang)伏(fu)充電(dian)(dian)器及其控制(zhi)系(xi)統的(de)(de)設計(ji)思想。

　　1 系統構成

　　1.1 LED 的工作特性

　　發光(guang)二極管LED（Light Emitting Diode）的工(gong)作原理是(shi)(shi)在半導體p-n 結上加一(yi)正向(xiang)電壓， 從(cong)而使其電子與空穴(xue)(xue)復(fu)(fu)(fu)合(he)（即結區變窄）， 這種復(fu)(fu)(fu)合(he)是(shi)(shi)電子從(cong)高(gao)能(neng)級的導帶釋放能(neng)量回到(dao)價帶與空穴(xue)(xue)復(fu)(fu)(fu)合(he)， 其釋放的能(neng)量以光(guang)子的形式出現(xian)， 即發光(guang)。

　　根據半(ban)導體(ti)物理中的(de)公式(shi)： λ=1.24/Eg式(shi)中： Eg 為半(ban)導體(ti)材(cai)料導帶與價帶之間的(de)禁帶寬度(du)， λ為波(bo)(bo)(bo)長(chang)。從式(shi)中可以(yi)看(kan)出， 對于(yu)不(bu)同材(cai)料的(de)半(ban)導體(ti)來說， 由于(yu)它們的(de)Eg 不(bu)同， 因此(ci)它們的(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)# 也(ye)不(bu)一樣(yang)， 所以(yi)發光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)顏(yan)色(se)(se)不(bu)同。顯(xian)然(ran)， 一般LED 多(duo)(duo)為單顏(yan)色(se)(se)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)， 如紅光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)、綠(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)、黃光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)、藍光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)等。所謂白(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)是多(duo)(duo)種(zhong)顏(yan)色(se)(se)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合(he)而成(cheng)， 以(yi)人類眼睛所能見到的(de)白(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)形式(shi)至(zhi)少必須兩種(zhong)以(yi)上(shang)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合(he)， 一般有(you)下列兩種(zhong)混(hun)(hun)合(he)方(fang)式(shi)： 二波(bo)(bo)(bo)長(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)―――藍光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)與黃光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合(he)； 三(san)波(bo)(bo)(bo)長(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)―――紅光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)、綠(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)與藍光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合(he)。目(mu)前(qian)已經(jing)商品化的(de)白(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)LED 產品多(duo)(duo)為二波(bo)(bo)(bo)段藍光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)單晶(jing)片加(jia)上(shang)YAG 黃色(se)(se)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)粉(fen)； 三(san)波(bo)(bo)(bo)長(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)以(yi)無機紫外(wai)線光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)晶(jing)片加(jia)R、G、B 三(san)顏(yan)色(se)(se)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)粉(fen)。此(ci)外(wai)， 有(you)機單層三(san)波(bo)(bo)(bo)長(chang)型白(bai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)LED 也(ye)有(you)成(cheng)本低、制作容易等優點。

　　1.2 太陽(yang)電池的(de)工作特性

　　圖1、圖2 分別給出了太(tai)陽電(dian)池溫(wen)度在25 ℃時， 工(gong)作電(dian)壓、電(dian)流和(he)日(ri)照（ W/m2） 的(de)關系曲線及(ji)太(tai)陽電(dian)池的(de)輸出功率和(he)日(ri)照、電(dian)壓之間(jian)的(de)曲線。

　　從(cong)圖1 的(de)I/U 關系(xi)可(ke)(ke)以(yi)(yi)看(kan)出(chu)(chu)， 太陽電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)陣列既非恒(heng)壓(ya)源(yuan)，也非恒(heng)流源(yuan)， 而是一(yi)種非線(xian)性直流電(dian)(dian)(dian)源(yuan)， 電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)流在(zai)大部分(fen)工(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)范圍內相當(dang)恒(heng)定， 最終在(zai)一(yi)個足夠高的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)之后，電(dian)(dian)(dian)流迅速下(xia)降至零。由圖2 可(ke)(ke)知， 太陽電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)效率(lv)等于(yu)輸出(chu)(chu)功(gong)(gong)率(lv)與投射到太陽電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)面積上的(de)功(gong)(gong)率(lv)之比。因(yin)此(ci)， 為了(le)提(ti)高本系(xi)統的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)效率(lv)， 必須盡可(ke)(ke)能(neng)地(di)使太陽電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)在(zai)最大功(gong)(gong)率(lv)點(dian)(dian)(dian)處工(gong)作(zuo)(zuo)， 這(zhe)樣就可(ke)(ke)以(yi)(yi)用功(gong)(gong)率(lv)盡可(ke)(ke)能(neng)小的(de)太陽電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)獲得最大的(de)功(gong)(gong)率(lv)輸出(chu)(chu)， 這(zhe)就是進(jin)行最大功(gong)(gong)率(lv)點(dian)(dian)(dian)跟(gen)蹤的(de)意(yi)義所在(zai)。如圖1 和圖2 所示(shi)， 圖中的(de)A、B、C、D、E 點(dian)(dian)(dian)分(fen)別對應不同日照(zhao)時的(de)最大功(gong)(gong)率(lv)點(dian)(dian)(dian)。

　　1.3 鉛酸蓄電池的工作特性

　　目前在(zai)(zai)光伏充(chong)電(dian)(dian)(dian)器系統中大量使用的(de)(de)(de)是鉛(qian)(qian)(qian)(qian)酸蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)， 它的(de)(de)(de)工作(zuo)原(yuan)理是依靠鉛(qian)(qian)(qian)(qian)酸正(zheng)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)物(wu)質二(er)氧化(hua)鉛(qian)(qian)(qian)(qian)（ PbO2） 和(he)負(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)物(wu)質海綿(mian)狀鉛(qian)(qian)(qian)(qian)（ Pb） 與電(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)液硫(liu)酸（ H2SO4） 進行(xing)化(hua)學(xue)反應生(sheng)成硫(liu)酸鉛(qian)(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） , 在(zai)(zai)此工作(zuo)過(guo)程(cheng)中將引(yin)起硫(liu)酸（ H2SO4） 的(de)(de)(de)減少， 而且在(zai)(zai)正(zheng)極(ji)(ji)(ji)板上(shang)(shang)不斷生(sheng)成水（ H2O） , 從而引(yin)起電(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)液的(de)(de)(de)密度降低。在(zai)(zai)充(chong)電(dian)(dian)(dian)期間， 正(zheng)極(ji)(ji)(ji)極(ji)(ji)(ji)板上(shang)(shang)的(de)(de)(de)硫(liu)酸鉛(qian)(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） 氧化(hua)成了二(er)氧化(hua)鉛(qian)(qian)(qian)(qian)（ PbO2） , 此時(shi)負(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)極(ji)(ji)(ji)板上(shang)(shang)的(de)(de)(de)硫(liu)酸鉛(qian)(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） 還原(yuan)成鉛(qian)(qian)(qian)(qian)（ Pb） , 同時(shi)生(sheng)成硫(liu)酸（ H2SO4） , 耗(hao)去(qu)了蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)中的(de)(de)(de)水（ H2O） , 使電(dian)(dian)(dian)池(chi)中電(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)液的(de)(de)(de)密度上(shang)(shang)升(sheng)， 完成充(chong)電(dian)(dian)(dian)過(guo)程(cheng)。

　　2 系統的工作原理

　　2.1 系統的主控(kong)制(zhi)芯片介紹

　　充電器系統的硬件框圖如圖3 所示。

　　主控(kong)芯片(pian)采(cai)(cai)用Microchip 公司的(de)(de)PIC16F874, 它(ta)采(cai)(cai)用RISC 指令系統(tong)， 哈(ha)佛總線結構， 低功耗， 高速度。內部集成了(le)ADC、SPI 和Flash 程序存儲(chu)器(qi)等(deng)(deng)模塊(kuai)， 具有10 位A/ D 轉換(huan)、PWM 輸出、LCD 驅動(dong)等(deng)(deng)功能， 此外(wai)它(ta)還(huan)帶有128 個字節的(de)(de)E2PROM 存儲(chu)器(qi)， 能方便(bian)寫入(ru)調整量以(yi)備(bei)后(hou)用。PIC16F874通過SPI 接口可以(yi)實現與CAN 控(kong)制(zhi)器(qi)MCP2510 的(de)(de)無縫(feng)連接， 且同時同步(bu)串行模塊(kuai)（ SSP） 為(wei)以(yi)后(hou)與工(gong)控(kong)機聯網奠定(ding)了(le)基礎。PIC16F874 的(de)(de)I/O 資源豐富， 共(gong)有A、B、C、D、E 五個I/O口， 每個I/O 口除了(le)基本用途外(wai)還(huan)有一些(xie)特殊功能。豐富的(de)(de)資源和強大的(de)(de)功能， 使之十分適合于作為(wei)控(kong)制(zhi)系統(tong)的(de)(de)控(kong)制(zhi)核心芯片(pian)。

　　2.2 系統的(de)工(gong)作(zuo)過(guo)程分析

　　充電器系統的控制(zhi)框圖如圖4 所(suo)示。

　　由圖(tu)4 可以看出(chu)， 在蓄(xu)(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)階段， 控制回(hui)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)環(huan)僅由太陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)構成。此(ci)時(shi)， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)環(huan)的(de)輸出(chu)為(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)環(huan)的(de)給(gei)定，通過檢測主電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)中蓄(xu)(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)與給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)相比較來(lai)改變SG3525 的(de)輸出(chu)脈沖寬度(du)， 使太陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)跟蹤給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)。由圖(tu)1 可知(zhi)， 當(dang)太陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)下(xia)降(jiang)， 在穩態時(shi)， 太陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)等于給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)環(huan)的(de)給(gei)定亦為(wei)(wei)穩定值， 蓄(xu)(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)等于給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)； 反之， 當(dang)太陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)小于給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)時(shi)，SG3525