自适应太阳能路灯控制器设计案例

）智控开关，实时监测，预警功能

　　进行太阳能路灯电池板电流检测，蓄电池电压检测，蓄电池电量监测，以及环境温度的检测，采用光开时关，并实时上传工作环境及状态数据，预警故障，保证系统的可靠性。图2为太阳能路灯的开、关控制流程网。

　　图2 路灯的开、关控制流程图

　　4）亮度的自适应调节

　　通常太阳能路灯厂家为了保证连续阴雨天的正常工作，只一味地加大蓄电池容量，一般蓄电池的容量可达电池板容量的5倍，其实这样做并不能解决问题。因为阴雨天工作的可靠性并不取决于电池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根据当前地理位置，季节，时间，气象条件，光的辐射量，浮尘浓度，工作环境以及剩余电量，自适应调节灯的亮度，合理分配能量。由于设计为纯太阳能供电，不考虑双电源情况，所以要想提高系统可靠性，唯一的方案就是牺牲灯的亮度。

　　根据当天用电前的剩余电量和当天的充电量来进行白适应调节，在保证正常照明的同时，使电池的工作点长期保持在高电位，并且使充放电深度在30%以下，根据电池循环寿命曲线，可以延长电池寿命4-5倍，有效降低太阳能路灯的成本，提高可靠性。以下将分别阐述剩余电量和充电量的计算过程。

　　2.2.1 电池电量检测

　　1）电量检测的算法

　　大量的实验数据表明，电池老化时蓄电池的内阻与电荷之间有较高的相关性（0.88左右），蓄电池完全充电和完全放电时的内阻相差2-4倍，所以通过测量电池内阻可较准确地检测电池电量。

　　2）建立内阻一电量一循环周期的关系曲线

　　为了得到实时剩余电量值，要建立一个电量和内阻之间关系的数据库。

　　以时间为标准，就可以建立起内阻一电量一循环周期的关系曲线，然后通过Matlab的曲线拟合功能得出内阻，电量以及循环周期的关系式。蓄电池内阻与剩余电量关系曲线如

　　图3所示，剩余电量随着内阻的增大而成指数趋势减小。

　　3）在线检测电量

　　在太阳能路灯工作开始之前检测出剩余电量，采用交流压降内阻测量法测得内阻值，通过查做好的数据表，并进行数据校正，得到对应的电量值。

　　给电池施加一个固定频率和固定电流（日前一般使用l kHz频率、50 mA小电沆），然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。图4为在线测量剩余电量硬件框图。

　　2.2.2充电量计算

　　充电量是通过太阳能电池板接收辐射强度和电池板面积计算得到的。太阳能电池板接收辐射强度为单日辐射强度与sin a的乘积，其中a为正午太阳辐射与电池板的平均夹角。电池板面积可参考配置计算部分的内容，并且经过优化得到的。

　　2.2.3剩余电量计算

　　通过计算电流在时域上的积分，可得出电量变化值，在路灯工作前检测到的电池电量作为初始电量，则剩余电量为初始电量减去电量变化值。同时通过对MPPT电路的输出电流做积分，作为电量变化的校正值，从而得到较准确的剩余电量值。图5为剩余电量计算流程图。

　　1）Zighee无线通讯系统连网

　　保证整条路的路灯的开，关时间一致，马路亮度均匀，保证驾驶安全，避免驾驶员视觉疲劳；实时传送数据，进行远程监测和控制：在线软件升级，降低维护及调试成本：待机睡眠，降低系统功耗。将Zigbee无线传感器网络技术应用于蓄电池牛产过程中的充放电参数检测中，将极大地提高产品测试的灵活性和可靠性，对提高蓄电池牛产质量和效率具有重要意义问。

　　2）模块化可扩展性

　　设计的控制器的供电系统可以是模块化的，设计采用恒流充电方式，所以电池板可扩展，LED模组可根据系统功率进行并联扩展。

　　根据如上计算，具体设计框图如图6所示，为太阳能路灯控制系统硬件框架。图7为太阳能路灯控制系统电路原理图。

　　图6 太阳能路灯控制系统硬件框架

　　图7 太阳能路灯控制系统电路原理图

　　3 自适应单纯太阳能供电路灯控制器设计方案模拟

　　开关灯的时间根据天安门升降旗时间而定，如表1所示，全年最长点灯时长茌12月为14.52小时，最短为9.13小时。照明时间分为3个时段，第一个时段从当天天安门降旗时刻开始，为5个小时，第二个时段到早上5点，第三个时段从5点到灭安门升旗时刻，灯光亮度各时段权重比为5：2：3，如果以100 W光源为设计标准，则光源功耗最大为1.068 5 kW-h。

　　表1 照明策略基准参数

图8显示根据表1中的数据得m的各月太阳能电池板面积排列柱形罔，从而可以选定电池板的面积为柱形途中的拐点处2月的画积值，太阳电池板面积为2.2 IT12.蓄电池为115 Ah.这样选择的原因是这样可以保证全年85%的照明时间，剩下