CN109121271A - 一种基于mppt光伏氙气路灯照明*** - Google Patents

一种基于mppt光伏氙气路灯照明*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于MPPT光伏氙气路灯照明***装置，***在同一主电路中实现太阳能充放电控制和恒流驱动一体化，采用双向直流变换器电路；双向直流变换器电路，实现光伏发电与氙气输出两者间自动切换，即在白天有光照时，双向变换器切换为输入模式，对太阳能电池发电进行蓄电池储存；夜晚或无光照时，双向变换器切换为输出模式，蓄电池通过直流变换器放电，提供氙气路灯照明电能。

Description

一种基于MPPT光伏氙气路灯照明***
技术领域
本发明涉及一种基于MPPT光伏氙气路灯照明***。
背景技术
传统光伏氙气路灯照明设备采用光伏发电储能***和氙气驱动电路的两个独立***组合而成，导致安装复杂、成本高、可靠性差等缺点。为此，本发明所设计光伏氙气路灯照明***，采用光伏发电储能控制与氙气恒流驱动共用一套电路，电路利用率提升，降低了制造成本。对促进节能环保氙气路灯照明的普及推广有重大的现实意义。本发明给出了该***的硬件设计和软件设计的具体方案，最后对所设计的样品实验测试，达到了预期的效果。
发明内容
一种基于MPPT光伏氙气路灯照明***，***在同一主电路中实现太阳能充放电控制和恒流驱动一体化，采用双向直流变换器电路；双向直流变换器电路，实现光伏发电与氙气输出两者间自动切换，即在白天有光照时，双向变换器切换为输入模式，对太阳能电池发电进行蓄电池储存；夜晚或无光照时，双向变换器切换为输出模式，蓄电池通过直流变换器放电，提供氙气路灯照明电能；电路中单片机及其驱动电路控制充电和放电过程的切换，以及充电电压和氙气路灯电流大小；***蓄电池一组充电电压13V，太阳能板开路电压达到21.5V；充电采用降压处理，方案是采用Buck拓扑结构的DC/DC转换电路；蓄电池放电采用Boost的DC/DC转换电路，为氙气驱动提供电能；***的主电路为双向DC/DC变换电路，包括一个电感和多个功率MOS开关管、电容。此电路通过MOS功率管Q4和Q1两个开关控制Buck充电和Boost放电的切换。
其中，双向DC/DC变换电路的光伏充电的工作过程为：MOS管Q2、Q1断开，形成Buck结构DC/DC变换电路；单片机控制Buck电路的MOS管Q4的开关，输出一定的电压或电流，对蓄电池充电；光伏太阳能板只有在一个特定输出电压下，才能得到最大的光电转换效率；由单片机控制MOS开关管Q4的PWM信号占空比，调整等效Buck变换电路的输出电压和输入电压的大小。在适当的精度范围内，实现充电环节的MPPT控制。
本***采用太阳能专用胶体蓄电池，一组的工作输出电压DC12V，而氙气路灯负载的工作电压范围在DC36～48V，***蓄电池放电过程，采用Boost变换电路进行DC电压的变换，MOS开关管Q2接通Boost回路，蓄电池储蓄的电能向路灯负载放电；通过单片机调整开关管Q1的PWM信号，调节输出电流氙气电流的大小，实现对氙气负载的恒流驱动；控制***的单片机是一个10位连续渐近式模数转换器(ADC1)，提供多达5个多功能的输入通道和一个内部多路复用输入通道；16位通用定时器，带有3个CAPCOM通道(IC、OC或PWM)，可满足本***的控制功能要求；***以单片机为控制核心，***电路包括数据采集、PWM和I/O控制等信号的驱动电路；光照强度、温度，蓄电池、光伏阵列和氙气负载的电压/电流参数信息，通过相应的驱动电路转化送入STM8的 ADC接口，进行AD转换。根据程序算法，控制信号单元输出信号，通过驱动电路控制对应的MOS开关管，实现MPPT充电、氙气恒流供电；用红外遥控器与主机进行通信，设置所需工作参数，主机人机界面显示相应工作状态。***通过对蓄电池电流、电压等数据的采集控制，还具有对蓄电池过充、过放等各项保护功能。
附图说明
图1为本发明提供的基于MPPT光伏氙气路灯照明***的主电路图。
图2为本发明提供的基于MPPT光伏氙气路灯照明***的控制设计框架图。
具体实施方式
1.一般的太阳能氙气照明设备，需将光伏充电控制器和氙气驱动电源两个独立的产品集成，涉及产品选型、匹配等一系列问题。本发明所设计的控制***，将光伏充电与氙气驱动两个功能在同一电路中实现。
要在同一主电路中实现太阳能充放电控制和恒流驱动一体化，需采用双向直流变换器电路。双向直流变换器电路，实现光伏发电与氙气输出两者间自动切换，即在白天有光照时，双向变换器切换为输入模式，对太阳能电池发电进行蓄电池储存；夜晚或无光照时，双向变换器切换为输出模式，蓄电池通过直流变换器放电，提供氙气路灯照明电能。
电路中单片机及其驱动电路控制充电和放电过程的切换，以及充电电压和氙气路灯电流大小。
2.电路设计
2.1电路结构
本***蓄电池一组充电电压13V左右，太阳能板开路电压达到21.5V，充电需要降压处理，经典的方案是采用Buck拓扑结构的DC/DC转换电路。蓄电池放电采用Boost的DC/DC转换电路，为氙气驱动提供电能。本***充放电与氙气恒流驱动一体，电路在Buck和Boost电路的基础上改为基本架构为 Buck-Boost双向DC/DC变换器。
如图1所示，本***的主电路为双向DC/DC变换电路，由一个电感和多个功率MOS开关管、电容等组成。此电路通过MOS功率管Q4和Q1两个开关控制 Buck充电和Boost放电的切换。
2.2工作原理
2.2.1最大功率点跟踪充电技术
双向DC/DC变换电路的光伏充电的工作过程为：MOS管Q2、Q1断开，形成 Buck结构DC/DC变换电路。单片机控制Buck电路的MOS管Q4的开关，输出一定的电压或电流，对蓄电池充电。
光伏太阳能板只有在一个特定输出电压下，才能得到最大的光电转换效率 (即输出功率最大)。受外部光照强度和温度的影响，其输出Upmax是变化的。本***通过MPPT算法，在实用的精度范围内，设置合适的太阳能板输出电压尽可能地保证***具有最大光电转换效率。
太阳能板在参考光照强度、环境温度下的功率与输出电压的关系
在极值条件，dP/dV＝0得
其中DI、DV是关于太阳能板在参考光强、参考温度环境下的参数，Isc 为太阳板短路电流。表达式是个超越方程，可由牛顿迭代法解出对应最大功率点的电压Vmax。通过对迭代法的简化处理，实现在低端单片机中可以处理的 MPPT算法，由单片机控制MOS开关管Q4的PWM信号占空比，调整等效Buck 边换电路的输出电压和输入电压的大小。在适当的精度范围内，实现充电环节的MPPT控制。
2.2.2放电驱动负载
本***使用采用太阳能专用胶体蓄电池，一组的工作输出电压DC12V，而氙气路灯负载的工作电压范围大多在DC36～48V，所以***蓄电池放电过程，采用Boost变换电路进行DC电压的变换，MOS开关管Q2接通Boost回路，蓄电池储蓄的电能向路灯负载放电。通过单片机调整开关管Q1的PWM信号，调节输出电流氙气电流的大小，实现对氙气负载的恒流驱动。
2.3控制***设计
考虑到本***的一些关键控制要求，以及制造成本，控制***以意法半导体公司的单片机STM8S103F3为控制核心。相对于现在众多的8位单片机，STM8 的性价比是很高的：一个10位连续渐近式模数转换器(ADC1)，提供多达5个多功能的输入通道和一个内部多路复用输入通道；16位通用定时器，带有3 个CAPCOM通道(IC、OC或PWM)，可满足本***的控制功能要求。
控制设计框架如图2所示，***以STM8单片机为控制核心，***电路包括数据采集、PWM和I/O控制等信号的驱动电路。光照强度、温度，蓄电池、光伏阵列和氙气负载的电压/电流等参数信息，通过相应的驱动电路转化送入 STM8的ADC接口，进行AD转换。根据程序算法，控制信号单元输出信号，通过驱动电路控制对应的MOS开关管(含普通开关信号和PWM信号)，实现MPPT 充电、氙气恒流供电。用红外遥控器与主机进行通信，设置所需工作参数，主机人机界面显示相应工作状态。
此外，本***通过对蓄电池电流、电压等数据的采集控制，还具有对蓄电池过充、过放等各项保护功能。
结论
本发明进行了MPPT独立式光伏大功率氙气照明电源研究，采用了经过简化的迭代法实现MPPT控制，一定程度地使充电效率得到提高。并且本***把小型光伏充电***与氙气照明控制***有效结合，节约成本，减小了设备的体积，便于推广。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于MPPT光伏氙气路灯照明***，***在同一主电路中实现太阳能充放电控制和恒流驱动一体化，采用双向直流变换器电路；双向直流变换器电路，实现光伏发电与氙气输出两者间自动切换，即在白天有光照时，双向变换器切换为输入模式，对太阳能电池发电进行蓄电池储存；夜晚或无光照时，双向变换器切换为输出模式，蓄电池通过直流变换器放电，提供氙气路灯照明电能；电路中单片机及其驱动电路控制充电和放电过程的切换，以及充电电压和氙气路灯电流大小；***蓄电池一组充电电压13V，太阳能板开路电压达到21.5V；充电采用降压处理，方案是采用Buck拓扑结构的DC/DC转换电路；蓄电池放电采用Boost的DC/DC转换电路，为氙气驱动提供电能；***的主电路为双向DC/DC变换电路，包括一个电感和多个功率MOS开关管、电容。此电路通过MOS功率管Q4和Q1两个开关控制Buck充电和Boost放电的切换。
2.根据权利要求1所述的基于MPPT光伏氙气路灯照明***装置，其中，双向DC/DC变换电路的光伏充电的工作过程为：MOS管Q2、Q1断开，形成Buck结构DC/DC变换电路；单片机控制Buck电路的MOS管Q4的开关，输出一定的电压或电流，对蓄电池充电；光伏太阳能板只有在一个特定输出电压下，才能得到最大的光电转换效率；由单片机控制MOS开关管Q4的PWM信号占空比，调整等效Buck变换电路的输出电压和输入电压的大小。在适当的精度范围内，实现充电环节的MPPT控制。
3.根据权利要求1或2所述的基于MPPT光伏氙气路灯照明***装置，本***采用太阳能专用胶体蓄电池，一组的工作输出电压DC12V，而氙气路灯负载的工作电压范围在DC36～48V，***蓄电池放电过程，采用Boost变换电路进行DC电压的变换，MOS开关管Q2接通Boost回路，蓄电池储蓄的电能向路灯负载放电；通过单片机调整开关管Q1的PWM信号，调节输出电流氙气电流的大小，实现对氙气负载的恒流驱动；控制***的单片机是一个10位连续渐近式模数转换器(ADC1)，提供多达5个多功能的输入通道和一个内部多路复用输入通道；16位通用定时器，带有3个CAPCOM通道(IC、OC或PWM)，可满足本***的控制功能要求；***以单片机为控制核心，***电路包括数据采集、PWM和I/O控制等信号的驱动电路；光照强度、温度，蓄电池、光伏阵列和氙气负载的电压/电流参数信息，通过相应的驱动电路转化送入STM8的ADC接口，进行AD转换。根据程序算法，控制信号单元输出信号，通过驱动电路控制对应的MOS开关管，实现MPPT充电、氙气恒流供电；用红外遥控器与主机进行通信，设置所需工作参数，主机人机界面显示相应工作状态。***通过对蓄电池电流、电压等数据的采集控制，还具有对蓄电池过充、过放等各项保护功能。
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