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設計問題， 因(yin)(yin)為光(guang)伏充電(dian)(dian)(dian)器(qi)不僅(jin)完(wan)成(cheng)了把太陽(yang)能(neng)(neng)轉換成(cheng)電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)的重(zhong)任， 而且還對蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)提供(gong)了智能(neng)(neng)充電(dian)(dian)(dian)管理(li)， 因(yin)(yin)此光(guang)伏充電(dian)(dian)(dian)器(qi)的性(xing)能(neng)(neng)直接決(jue)定了太陽(yang)能(neng)(neng)能(neng)(neng)量(liang)利用(yong)的效(xiao)率和系(xi)(xi)統使用(yong)的壽命。本文從原理(li)、控(kong)制策略和實際(ji)應用(yong)等幾個方面(mian)介紹一(yi)種光(guang)伏充電(dian)(dian)(dian)器(qi)及其控(kong)制系(xi)(xi)統的設計思想。

　　1 系統構成

　　1.1 LED 的工(gong)作特(te)性

　　發(fa)(fa)光(guang)二極管LED（Light Emitting Diode）的工作原理是(shi)在半導體p-n 結(jie)上加一正向電壓(ya)， 從而使其電子與空(kong)穴復(fu)合(he)(he)（即(ji)結(jie)區(qu)變窄）， 這種復(fu)合(he)(he)是(shi)電子從高能(neng)級(ji)的導帶(dai)釋放能(neng)量(liang)回(hui)到價帶(dai)與空(kong)穴復(fu)合(he)(he)， 其釋放的能(neng)量(liang)以光(guang)子的形式出現(xian)， 即(ji)發(fa)(fa)光(guang)。

　　根據半(ban)導(dao)(dao)體物理中(zhong)的(de)(de)(de)公式： λ=1.24/Eg式中(zhong)： Eg 為半(ban)導(dao)(dao)體材料導(dao)(dao)帶(dai)(dai)與(yu)(yu)價帶(dai)(dai)之間的(de)(de)(de)禁帶(dai)(dai)寬度， λ為波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)。從式中(zhong)可以(yi)(yi)(yi)看(kan)出(chu)， 對(dui)于(yu)不同材料的(de)(de)(de)半(ban)導(dao)(dao)體來說(shuo)， 由于(yu)它(ta)們的(de)(de)(de)Eg 不同， 因此(ci)它(ta)們的(de)(de)(de)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)# 也(ye)(ye)不一(yi)樣， 所(suo)以(yi)(yi)(yi)發光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)顏(yan)色(se)(se)(se)不同。顯然(ran)， 一(yi)般LED 多(duo)為單(dan)顏(yan)色(se)(se)(se)光(guang)(guang)(guang)， 如紅光(guang)(guang)(guang)、綠光(guang)(guang)(guang)、黃光(guang)(guang)(guang)、藍(lan)光(guang)(guang)(guang)等(deng)。所(suo)謂白(bai)光(guang)(guang)(guang)是(shi)多(duo)種顏(yan)色(se)(se)(se)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合而成(cheng)， 以(yi)(yi)(yi)人類眼睛所(suo)能見(jian)到(dao)的(de)(de)(de)白(bai)光(guang)(guang)(guang)形式至少必須(xu)兩種以(yi)(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合， 一(yi)般有(you)(you)下(xia)列兩種混(hun)(hun)合方式： 二波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)―――藍(lan)光(guang)(guang)(guang)與(yu)(yu)黃光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合； 三(san)(san)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)―――紅光(guang)(guang)(guang)、綠光(guang)(guang)(guang)與(yu)(yu)藍(lan)光(guang)(guang)(guang)混(hun)(hun)合。目前已經商品化的(de)(de)(de)白(bai)光(guang)(guang)(guang)LED 產品多(duo)為二波(bo)(bo)段藍(lan)光(guang)(guang)(guang)單(dan)晶(jing)片加(jia)上(shang)YAG 黃色(se)(se)(se)熒光(guang)(guang)(guang)粉； 三(san)(san)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)以(yi)(yi)(yi)無機(ji)紫(zi)外(wai)線(xian)光(guang)(guang)(guang)晶(jing)片加(jia)R、G、B 三(san)(san)顏(yan)色(se)(se)(se)熒光(guang)(guang)(guang)粉。此(ci)外(wai)， 有(you)(you)機(ji)單(dan)層三(san)(san)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)型(xing)白(bai)光(guang)(guang)(guang)LED 也(ye)(ye)有(you)(you)成(cheng)本(ben)低、制作容易等(deng)優(you)點。

　　1.2 太陽電池的(de)工作(zuo)特性

　　圖(tu)1、圖(tu)2 分別給出了太(tai)陽電池溫度在(zai)25 ℃時， 工(gong)作電壓(ya)、電流和日(ri)照(zhao)（ W/m2） 的關系曲線及(ji)太(tai)陽電池的輸出功率(lv)和日(ri)照(zhao)、電壓(ya)之間的曲線。

　　從圖(tu)1 的(de)(de)(de)(de)I/U 關系(xi)可(ke)以看出(chu)， 太陽(yang)(yang)(yang)電(dian)池(chi)陣列既非恒(heng)壓源(yuan)(yuan)(yuan)，也(ye)非恒(heng)流(liu)(liu)源(yuan)(yuan)(yuan)， 而(er)是一種非線(xian)性(xing)直流(liu)(liu)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)， 電(dian)池(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)(liu)在大部分(fen)(fen)工(gong)作電(dian)壓范圍內相當恒(heng)定， 最終在一個足夠高的(de)(de)(de)(de)電(dian)壓之后，電(dian)流(liu)(liu)迅速下降(jiang)至零。由(you)圖(tu)2 可(ke)知， 太陽(yang)(yang)(yang)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)工(gong)作效率(lv)等于輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)與投(tou)射到太陽(yang)(yang)(yang)電(dian)池(chi)面積上的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)之比。因此， 為了提高本系(xi)統的(de)(de)(de)(de)工(gong)作效率(lv)， 必須盡(jin)可(ke)能地使太陽(yang)(yang)(yang)電(dian)池(chi)在最大功(gong)率(lv)點(dian)處(chu)工(gong)作， 這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以用功(gong)率(lv)盡(jin)可(ke)能小的(de)(de)(de)(de)太陽(yang)(yang)(yang)電(dian)池(chi)獲得最大的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)， 這(zhe)就(jiu)是進行最大功(gong)率(lv)點(dian)跟蹤的(de)(de)(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)(de)(de)A、B、C、D、E 點(dian)分(fen)(fen)別(bie)對(dui)應不(bu)同(tong)日照時的(de)(de)(de)(de)最大功(gong)率(lv)點(dian)。

　　1.3 鉛酸蓄電池的工作特(te)性

　　目前在(zai)光(guang)伏充電(dian)器系統中大量使(shi)用的(de)(de)是鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)蓄電(dian)池(chi)， 它(ta)的(de)(de)工作(zuo)原(yuan)理(li)是依(yi)靠(kao)鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)正極(ji)的(de)(de)活性物(wu)質(zhi)二氧(yang)化(hua)鉛(qian)(qian)(qian)（ PbO2） 和負極(ji)的(de)(de)活性物(wu)質(zhi)海綿(mian)狀鉛(qian)(qian)(qian)（ Pb） 與電(dian)解(jie)(jie)液硫(liu)酸(suan)(suan)（ H2SO4） 進行化(hua)學反應生成(cheng)(cheng)硫(liu)酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） , 在(zai)此工作(zuo)過(guo)(guo)程中將引起(qi)硫(liu)酸(suan)(suan)（ H2SO4） 的(de)(de)減(jian)少， 而(er)且(qie)在(zai)正極(ji)板(ban)(ban)上(shang)不斷生成(cheng)(cheng)水（ H2O） , 從而(er)引起(qi)電(dian)解(jie)(jie)液的(de)(de)密度降(jiang)低(di)。在(zai)充電(dian)期間， 正極(ji)極(ji)板(ban)(ban)上(shang)的(de)(de)硫(liu)酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） 氧(yang)化(hua)成(cheng)(cheng)了二氧(yang)化(hua)鉛(qian)(qian)(qian)（ PbO2） , 此時負極(ji)極(ji)板(ban)(ban)上(shang)的(de)(de)硫(liu)酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） 還原(yuan)成(cheng)(cheng)鉛(qian)(qian)(qian)（ Pb） , 同時生成(cheng)(cheng)硫(liu)酸(suan)(suan)（ H2SO4） , 耗去(qu)了蓄電(dian)池(chi)中的(de)(de)水（ H2O） , 使(shi)電(dian)池(chi)中電(dian)解(jie)(jie)液的(de)(de)密度上(shang)升， 完成(cheng)(cheng)充電(dian)過(guo)(guo)程。

　　2 系統的工作(zuo)原理(li)

　　2.1 系統的主控制(zhi)芯片介(jie)紹

　　充電器系(xi)統(tong)的(de)硬(ying)件框(kuang)圖如圖3 所示。

　　主控(kong)芯(xin)片(pian)采用Microchip 公(gong)司的(de)(de)PIC16F874, 它采用RISC 指令系(xi)(xi)統， 哈佛總線(xian)結構， 低功(gong)耗， 高速度(du)。內部集成(cheng)了ADC、SPI 和Flash 程序存(cun)儲(chu)器等模塊(kuai)， 具(ju)有(you)(you)10 位A/ D 轉換(huan)、PWM 輸出、LCD 驅動等功(gong)能(neng)， 此(ci)外它還帶有(you)(you)128 個字節的(de)(de)E2PROM 存(cun)儲(chu)器， 能(neng)方(fang)便寫入調(diao)整量以(yi)備后用。PIC16F874通過(guo)SPI 接口可以(yi)實現(xian)與CAN 控(kong)制(zhi)器MCP2510 的(de)(de)無縫連接， 且同時同步串(chuan)行模塊(kuai)（ SSP） 為以(yi)后與工控(kong)機聯網奠(dian)定了基礎。PIC16F874 的(de)(de)I/O 資(zi)源(yuan)豐富， 共有(you)(you)A、B、C、D、E 五個I/O口， 每個I/O 口除了基本用途(tu)外還有(you)(you)一些特殊功(gong)能(neng)。豐富的(de)(de)資(zi)源(yuan)和強(qiang)大的(de)(de)功(gong)能(neng)， 使之十分適(shi)合(he)于作(zuo)為控(kong)制(zhi)系(xi)(xi)統的(de)(de)控(kong)制(zhi)核心芯(xin)片(pian)。

　　2.2 系統的工作(zuo)過程(cheng)分析(xi)

　　充電器系統的控(kong)制(zhi)框圖如圖4 所示。

　　由(you)圖(tu)4 可(ke)(ke)以看出， 在蓄(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)階段， 控制(zhi)回路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)環僅由(you)太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)構成。此(ci)時， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)環的輸出為電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)環的給(gei)定(ding)(ding)，通過檢(jian)測(ce)主電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路中蓄(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)與給(gei)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)相比較來改(gai)變(bian)SG3525 的輸出脈沖寬(kuan)度， 使太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)跟蹤給(gei)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。由(you)圖(tu)1 可(ke)(ke)知， 當太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)下降， 在穩態時， 太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)等(deng)(deng)于(yu)給(gei)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)環的給(gei)定(ding)(ding)亦為穩定(ding)(ding)值， 蓄(xu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)等(deng)(deng)于(yu)給(gei)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)； 反之， 當太陽電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)小于(yu)給(gei)定(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)時，SG3525