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(ji)問題， 因為(wei)光伏充電器不僅完成(cheng)了(le)把(ba)太陽能轉換成(cheng)電能的重任， 而(er)且還(huan)對蓄電池提供了(le)智能充電管(guan)理， 因此光伏充電器的性能直接決定了(le)太陽能能量(liang)利用(yong)的效率和系統(tong)使用(yong)的壽命。本文從原理、控制策略和實際(ji)應(ying)用(yong)等幾個方面(mian)介紹一種光伏充電器及(ji)其(qi)控制系統(tong)的設計(ji)思想。

　　1 系統構成

　　1.1 LED 的(de)工作特性

　　發光(guang)(guang)二極管LED（Light Emitting Diode）的工作原理是在半導(dao)體p-n 結上加(jia)一正向電(dian)壓， 從而使其電(dian)子(zi)與空穴(xue)復(fu)(fu)合(he)（即(ji)結區變窄）， 這種(zhong)復(fu)(fu)合(he)是電(dian)子(zi)從高能(neng)級的導(dao)帶釋(shi)放能(neng)量回(hui)到價帶與空穴(xue)復(fu)(fu)合(he)， 其釋(shi)放的能(neng)量以光(guang)(guang)子(zi)的形式(shi)出(chu)現， 即(ji)發光(guang)(guang)。

　　根(gen)據(ju)半(ban)導體物理中的(de)公式(shi)(shi)： λ=1.24/Eg式(shi)(shi)中： Eg 為半(ban)導體材料(liao)導帶與(yu)價(jia)帶之間的(de)禁帶寬(kuan)度， λ為波(bo)(bo)長(chang)。從(cong)式(shi)(shi)中可以(yi)(yi)看出(chu)， 對于不(bu)同(tong)材料(liao)的(de)半(ban)導體來說， 由(you)于它(ta)們的(de)Eg 不(bu)同(tong)， 因(yin)此它(ta)們的(de)波(bo)(bo)長(chang)# 也(ye)不(bu)一(yi)樣， 所(suo)(suo)以(yi)(yi)發光(guang)(guang)(guang)的(de)顏色不(bu)同(tong)。顯然， 一(yi)般(ban)LED 多為單顏色光(guang)(guang)(guang)， 如紅光(guang)(guang)(guang)、綠(lv)光(guang)(guang)(guang)、黃光(guang)(guang)(guang)、藍(lan)光(guang)(guang)(guang)等。所(suo)(suo)謂白(bai)光(guang)(guang)(guang)是多種顏色的(de)光(guang)(guang)(guang)混合(he)而成， 以(yi)(yi)人類眼(yan)睛所(suo)(suo)能見到的(de)白(bai)光(guang)(guang)(guang)形式(shi)(shi)至少(shao)必(bi)須兩種以(yi)(yi)上的(de)光(guang)(guang)(guang)混合(he)， 一(yi)般(ban)有(you)下列兩種混合(he)方式(shi)(shi)： 二(er)波(bo)(bo)長(chang)光(guang)(guang)(guang)―――藍(lan)光(guang)(guang)(guang)與(yu)黃光(guang)(guang)(guang)混合(he)； 三(san)波(bo)(bo)長(chang)光(guang)(guang)(guang)―――紅光(guang)(guang)(guang)、綠(lv)光(guang)(guang)(guang)與(yu)藍(lan)光(guang)(guang)(guang)混合(he)。目前已經商品化的(de)白(bai)光(guang)(guang)(guang)LED 產(chan)品多為二(er)波(bo)(bo)段(duan)藍(lan)光(guang)(guang)(guang)單晶片加上YAG 黃色熒光(guang)(guang)(guang)粉(fen)(fen)； 三(san)波(bo)(bo)長(chang)光(guang)(guang)(guang)以(yi)(yi)無機紫外線光(guang)(guang)(guang)晶片加R、G、B 三(san)顏色熒光(guang)(guang)(guang)粉(fen)(fen)。此外， 有(you)機單層三(san)波(bo)(bo)長(chang)型白(bai)光(guang)(guang)(guang)LED 也(ye)有(you)成本低、制作容易等優(you)點(dian)。

　　1.2 太陽電池的工(gong)作特性

　　圖1、圖2 分(fen)別給出了太陽電(dian)池溫度在25 ℃時， 工(gong)作電(dian)壓、電(dian)流和日照(zhao)（ W/m2） 的關系(xi)曲線及太陽電(dian)池的輸出功率(lv)和日照(zhao)、電(dian)壓之間的曲線。

　　從圖(tu)1 的(de)I/U 關(guan)系可(ke)以(yi)看出， 太(tai)陽(yang)電池(chi)(chi)(chi)陣列既非(fei)恒(heng)壓源，也非(fei)恒(heng)流(liu)(liu)源， 而是一(yi)種非(fei)線(xian)性直流(liu)(liu)電源， 電池(chi)(chi)(chi)輸出電流(liu)(liu)在(zai)(zai)大部分工作電壓范圍內(nei)相當恒(heng)定， 最(zui)(zui)(zui)終在(zai)(zai)一(yi)個足夠高的(de)電壓之后，電流(liu)(liu)迅速下(xia)降至零(ling)。由圖(tu)2 可(ke)知， 太(tai)陽(yang)電池(chi)(chi)(chi)的(de)工作效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)等于輸出功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)與投射到太(tai)陽(yang)電池(chi)(chi)(chi)面積上的(de)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)之比(bi)。因此， 為了提高本系統(tong)的(de)工作效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)， 必須盡可(ke)能地使太(tai)陽(yang)電池(chi)(chi)(chi)在(zai)(zai)最(zui)(zui)(zui)大功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)點處工作， 這樣(yang)就可(ke)以(yi)用功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)盡可(ke)能小的(de)太(tai)陽(yang)電池(chi)(chi)(chi)獲得(de)最(zui)(zui)(zui)大的(de)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)輸出， 這就是進行最(zui)(zui)(zui)大功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)點跟蹤的(de)意義所(suo)在(zai)(zai)。如(ru)圖(tu)1 和圖(tu)2 所(suo)示(shi)， 圖(tu)中的(de)A、B、C、D、E 點分別對(dui)應(ying)不同日照時的(de)最(zui)(zui)(zui)大功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)點。

　　1.3 鉛酸蓄電池的工(gong)作特性(xing)

　　目前在光(guang)伏充電(dian)器系統中(zhong)(zhong)大量使用的(de)(de)是鉛(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)蓄(xu)電(dian)池(chi)， 它(ta)的(de)(de)工作(zuo)原理(li)是依靠鉛(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)正(zheng)極(ji)(ji)的(de)(de)活性(xing)物質二氧(yang)化鉛(qian)（ PbO2） 和負極(ji)(ji)的(de)(de)活性(xing)物質海(hai)綿狀鉛(qian)（ Pb） 與電(dian)解液(ye)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)（ H2SO4） 進行化學反應生(sheng)成(cheng)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)鉛(qian)（ PbSO4） , 在此(ci)工作(zuo)過程中(zhong)(zhong)將引起硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)（ H2SO4） 的(de)(de)減少， 而且在正(zheng)極(ji)(ji)板(ban)(ban)上不斷(duan)生(sheng)成(cheng)水(shui)(shui)（ H2O） , 從而引起電(dian)解液(ye)的(de)(de)密度降低(di)。在充電(dian)期間， 正(zheng)極(ji)(ji)極(ji)(ji)板(ban)(ban)上的(de)(de)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)鉛(qian)（ PbSO4） 氧(yang)化成(cheng)了二氧(yang)化鉛(qian)（ PbO2） , 此(ci)時(shi)(shi)負極(ji)(ji)極(ji)(ji)板(ban)(ban)上的(de)(de)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)鉛(qian)（ PbSO4） 還原成(cheng)鉛(qian)（ Pb） , 同(tong)時(shi)(shi)生(sheng)成(cheng)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)（ H2SO4） , 耗(hao)去了蓄(xu)電(dian)池(chi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)水(shui)(shui)（ H2O） , 使電(dian)池(chi)中(zhong)(zhong)電(dian)解液(ye)的(de)(de)密度上升， 完(wan)成(cheng)充電(dian)過程。

　　2 系(xi)統的工作原(yuan)理(li)

　　2.1 系統的主(zhu)控制芯片(pian)介紹

　　充(chong)電器(qi)系(xi)統的硬件框圖如圖3 所示。

　　主控(kong)芯片采(cai)用Microchip 公司的(de)PIC16F874, 它采(cai)用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(he)Flash 程序存(cun)(cun)儲器(qi)等模塊(kuai)， 具(ju)有(you)10 位A/ D 轉換、PWM 輸出、LCD 驅動等功(gong)能， 此外它還帶有(you)128 個(ge)字節的(de)E2PROM 存(cun)(cun)儲器(qi)， 能方便(bian)寫入調整量以備后用。PIC16F874通過(guo)SPI 接口(kou)(kou)可以實(shi)現與CAN 控(kong)制器(qi)MCP2510 的(de)無(wu)縫連接， 且(qie)同時同步串行模塊(kuai)（ SSP） 為以后與工控(kong)機聯網奠定了基礎。PIC16F874 的(de)I/O 資(zi)源豐富， 共有(you)A、B、C、D、E 五個(ge)I/O口(kou)(kou)， 每個(ge)I/O 口(kou)(kou)除了基本用途外還有(you)一些特殊功(gong)能。豐富的(de)資(zi)源和(he)強大(da)的(de)功(gong)能， 使之十分適合于(yu)作為控(kong)制系(xi)統的(de)控(kong)制核心芯片。

　　2.2 系統的工作過程分析

　　充電器系統的控制框圖(tu)如圖(tu)4 所(suo)示(shi)。

　　由(you)圖4 可以看出， 在蓄電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)階段， 控制回路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)環(huan)僅由(you)太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)構(gou)成。此時(shi)， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)環(huan)的輸出為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)環(huan)的給(gei)(gei)(gei)定(ding)(ding)(ding)，通過檢測(ce)主電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路中蓄電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)與(yu)給(gei)(gei)(gei)定(ding)(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)相比較來(lai)改變SG3525 的輸出脈沖寬度(du)， 使太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)跟蹤給(gei)(gei)(gei)定(ding)(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。由(you)圖1 可知， 當太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)下降， 在穩態時(shi)， 太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)等(deng)于給(gei)(gei)(gei)定(ding)(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)， 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)環(huan)的給(gei)(gei)(gei)定(ding)(ding)(ding)亦為(wei)穩定(ding)(ding)(ding)值(zhi)， 蓄電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)等(deng)于給(gei)(gei)(gei)定(ding)(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)； 反之， 當太(tai)陽(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)小于給(gei)(gei)(gei)定(ding)(ding)(ding)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)時(shi)，SG3525