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(she)計問題， 因(yin)為光伏充(chong)電(dian)(dian)器不(bu)僅完成了(le)把太陽能(neng)轉換(huan)成電(dian)(dian)能(neng)的重任， 而(er)且還對蓄電(dian)(dian)池(chi)提供了(le)智能(neng)充(chong)電(dian)(dian)管理(li)， 因(yin)此光伏充(chong)電(dian)(dian)器的性(xing)能(neng)直接決定了(le)太陽能(neng)能(neng)量利用的效率和(he)系(xi)統使用的壽命。本(ben)文從原理(li)、控(kong)制策略和(he)實(shi)際應用等幾個方面介紹一種(zhong)光伏充(chong)電(dian)(dian)器及(ji)其控(kong)制系(xi)統的設(she)計思想。

　　1 系統構成

　　1.1 LED 的工作特性

　　發光二極管LED（Light Emitting Diode）的(de)工(gong)作原理是在(zai)半導(dao)體p-n 結上加一正(zheng)向電壓， 從而(er)使其(qi)電子(zi)(zi)與(yu)空穴復(fu)合（即(ji)結區變窄）， 這種復(fu)合是電子(zi)(zi)從高能(neng)級的(de)導(dao)帶(dai)釋(shi)放(fang)能(neng)量(liang)回(hui)到價(jia)帶(dai)與(yu)空穴復(fu)合， 其(qi)釋(shi)放(fang)的(de)能(neng)量(liang)以光子(zi)(zi)的(de)形式(shi)出現， 即(ji)發光。

　　根(gen)據(ju)半導(dao)(dao)體(ti)物理中的(de)(de)(de)公式： λ=1.24/Eg式中： Eg 為(wei)半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)導(dao)(dao)帶(dai)(dai)與價(jia)帶(dai)(dai)之間的(de)(de)(de)禁帶(dai)(dai)寬度， λ為(wei)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)。從式中可以(yi)(yi)看出， 對于不(bu)同(tong)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)半導(dao)(dao)體(ti)來說， 由于它們(men)的(de)(de)(de)Eg 不(bu)同(tong)， 因此(ci)它們(men)的(de)(de)(de)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)# 也不(bu)一樣， 所(suo)以(yi)(yi)發光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)顏(yan)色不(bu)同(tong)。顯然， 一般LED 多為(wei)單顏(yan)色光(guang)(guang)(guang)(guang)， 如紅光(guang)(guang)(guang)(guang)、綠光(guang)(guang)(guang)(guang)、黃(huang)(huang)光(guang)(guang)(guang)(guang)、藍(lan)光(guang)(guang)(guang)(guang)等(deng)。所(suo)謂白光(guang)(guang)(guang)(guang)是多種顏(yan)色的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)混合(he)而成， 以(yi)(yi)人類眼睛所(suo)能見到(dao)的(de)(de)(de)白光(guang)(guang)(guang)(guang)形(xing)式至少(shao)必須兩種以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)混合(he)， 一般有(you)(you)下列(lie)兩種混合(he)方式： 二波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)―――藍(lan)光(guang)(guang)(guang)(guang)與黃(huang)(huang)光(guang)(guang)(guang)(guang)混合(he)； 三波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)―――紅光(guang)(guang)(guang)(guang)、綠光(guang)(guang)(guang)(guang)與藍(lan)光(guang)(guang)(guang)(guang)混合(he)。目前(qian)已經商品化的(de)(de)(de)白光(guang)(guang)(guang)(guang)LED 產品多為(wei)二波(bo)(bo)段藍(lan)光(guang)(guang)(guang)(guang)單晶片加上(shang)YAG 黃(huang)(huang)色熒(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)粉(fen)； 三波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)以(yi)(yi)無機紫(zi)外(wai)線光(guang)(guang)(guang)(guang)晶片加R、G、B 三顏(yan)色熒(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)粉(fen)。此(ci)外(wai)， 有(you)(you)機單層三波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)型(xing)白光(guang)(guang)(guang)(guang)LED 也有(you)(you)成本低、制作容易等(deng)優點。

　　1.2 太陽電(dian)池的(de)工作特性

　　圖1、圖2 分別給出(chu)了太陽電(dian)池溫(wen)度在25 ℃時(shi)， 工作電(dian)壓(ya)、電(dian)流(liu)和(he)日(ri)照（ W/m2） 的(de)(de)關系曲線及(ji)太陽電(dian)池的(de)(de)輸出(chu)功率和(he)日(ri)照、電(dian)壓(ya)之間(jian)的(de)(de)曲線。

　　從(cong)圖(tu)(tu)1 的I/U 關系可以(yi)看出， 太(tai)陽電(dian)(dian)池(chi)(chi)陣(zhen)列既(ji)非恒壓源，也(ye)非恒流(liu)源， 而是一種非線性直流(liu)電(dian)(dian)源， 電(dian)(dian)池(chi)(chi)輸(shu)出電(dian)(dian)流(liu)在(zai)(zai)大(da)部分工作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓范圍內相當恒定(ding)， 最(zui)終在(zai)(zai)一個足(zu)夠(gou)高的電(dian)(dian)壓之后，電(dian)(dian)流(liu)迅速(su)下降至零。由圖(tu)(tu)2 可知， 太(tai)陽電(dian)(dian)池(chi)(chi)的工作(zuo)(zuo)效率(lv)等(deng)于輸(shu)出功(gong)率(lv)與投(tou)射到(dao)太(tai)陽電(dian)(dian)池(chi)(chi)面積(ji)上的功(gong)率(lv)之比。因此， 為了提高本(ben)系統的工作(zuo)(zuo)效率(lv)， 必須盡(jin)可能地使太(tai)陽電(dian)(dian)池(chi)(chi)在(zai)(zai)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點處(chu)工作(zuo)(zuo)， 這樣就可以(yi)用(yong)功(gong)率(lv)盡(jin)可能小的太(tai)陽電(dian)(dian)池(chi)(chi)獲得最(zui)大(da)的功(gong)率(lv)輸(shu)出， 這就是進行(xing)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點跟蹤的意義所在(zai)(zai)。如圖(tu)(tu)1 和圖(tu)(tu)2 所示， 圖(tu)(tu)中的A、B、C、D、E 點分別(bie)對(dui)應不(bu)同(tong)日照時的最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點。

　　1.3 鉛酸蓄電池的(de)工作特性

　　目前在光伏(fu)充電(dian)(dian)器系統中(zhong)大量使用的(de)是鉛(qian)(qian)(qian)酸蓄電(dian)(dian)池(chi)， 它的(de)工(gong)作(zuo)原理是依(yi)靠鉛(qian)(qian)(qian)酸正極(ji)(ji)的(de)活性(xing)物質二氧化鉛(qian)(qian)(qian)（ PbO2） 和負極(ji)(ji)的(de)活性(xing)物質海綿狀鉛(qian)(qian)(qian)（ Pb） 與(yu)電(dian)(dian)解(jie)液硫(liu)(liu)酸（ H2SO4） 進行化學反(fan)應生(sheng)成(cheng)硫(liu)(liu)酸鉛(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） , 在此工(gong)作(zuo)過程(cheng)(cheng)中(zhong)將引起硫(liu)(liu)酸（ H2SO4） 的(de)減少， 而且在正極(ji)(ji)板上不(bu)斷生(sheng)成(cheng)水(shui)（ H2O） , 從而引起電(dian)(dian)解(jie)液的(de)密(mi)度降低(di)。在充電(dian)(dian)期間， 正極(ji)(ji)極(ji)(ji)板上的(de)硫(liu)(liu)酸鉛(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） 氧化成(cheng)了(le)二氧化鉛(qian)(qian)(qian)（ PbO2） , 此時(shi)負極(ji)(ji)極(ji)(ji)板上的(de)硫(liu)(liu)酸鉛(qian)(qian)(qian)（ PbSO4） 還(huan)原成(cheng)鉛(qian)(qian)(qian)（ Pb） , 同時(shi)生(sheng)成(cheng)硫(liu)(liu)酸（ H2SO4） , 耗(hao)去了(le)蓄電(dian)(dian)池(chi)中(zhong)的(de)水(shui)（ H2O） , 使電(dian)(dian)池(chi)中(zhong)電(dian)(dian)解(jie)液的(de)密(mi)度上升， 完成(cheng)充電(dian)(dian)過程(cheng)(cheng)。

　　2 系統的工作原(yuan)理

　　2.1 系(xi)統的主控制芯(xin)片介紹(shao)

　　充(chong)電器系統的硬件框圖(tu)如圖(tu)3 所示。

　　主控(kong)芯片采(cai)(cai)用Microchip 公司的(de)PIC16F874, 它采(cai)(cai)用RISC 指令(ling)系統， 哈佛總線結構(gou)， 低功耗(hao)， 高速(su)度。內部(bu)集(ji)成了ADC、SPI 和Flash 程序存儲器等(deng)模塊， 具(ju)有(you)10 位A/ D 轉換、PWM 輸出、LCD 驅(qu)動等(deng)功能， 此外它還(huan)帶(dai)有(you)128 個字節的(de)E2PROM 存儲器， 能方(fang)便寫入調(diao)整量以(yi)備后用。PIC16F874通過SPI 接口(kou)(kou)可以(yi)實現與(yu)CAN 控(kong)制器MCP2510 的(de)無縫連接， 且同時同步串行(xing)模塊（ SSP） 為(wei)以(yi)后與(yu)工控(kong)機(ji)聯網奠定了基(ji)礎。PIC16F874 的(de)I/O 資(zi)源豐(feng)富(fu)， 共有(you)A、B、C、D、E 五個I/O口(kou)(kou)， 每個I/O 口(kou)(kou)除了基(ji)本用途(tu)外還(huan)有(you)一些特殊功能。豐(feng)富(fu)的(de)資(zi)源和強大的(de)功能， 使之(zhi)十(shi)分適合于作為(wei)控(kong)制系統的(de)控(kong)制核心芯片。

　　2.2 系統的(de)工作(zuo)過程分析(xi)

　　充電器系統的控(kong)制框圖(tu)如圖(tu)4 所示。

　　由圖4 可以看出， 在(zai)蓄電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段， 控制回(hui)路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓環(huan)(huan)僅由太(tai)(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓構成(cheng)。此時(shi)， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓環(huan)(huan)的(de)輸出為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流環(huan)(huan)的(de)給(gei)定，通過檢測主電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路中(zhong)蓄電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流與給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流相比較來改變SG3525 的(de)輸出脈(mo)沖寬度， 使太(tai)(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓跟蹤給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓。由圖1 可知， 當太(tai)(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓下降(jiang)， 在(zai)穩態(tai)時(shi)， 太(tai)(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓等于給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流環(huan)(huan)的(de)給(gei)定亦(yi)為(wei)穩定值， 蓄電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流等于給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流； 反之， 當太(tai)(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓小于給(gei)定電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓時(shi)，SG3525