独立光伏照明中的能量管理研究

法：

　　（1）快充阶段：在快充阶段，充电电路的输出等效于电流源。电流源的输出电流根据蓄电池的充电状态确定，为蓄电池最大可接受电流IMAX。充电过程中，电路检测蓄电池端电压。当蓄电池端电压上升到转换门限值后，充电电路转到过充阶段。

　　（2）过充阶段：在过充阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压Voc，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值Ioct时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转到浮充阶段。

　　（3）浮充阶段：在浮充阶段，充电电流给蓄电池提供一个精确的、具有温度补偿功能的浮充电压VF。

　　4.3 浮充电压温度补偿

　　蓄电池在充满电后，保持电量的最好方法就是加一个恒定电压到蓄电池上。这对充电电路提出了提供合适浮充电压的要求。浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电池的自放电电流；又不能太大，以免导致蓄电池内部因过充而发生化学成分的分解。在适当的浮充状态下，全封闭免维护铅酸蓄电池能够稳定工作6~10年。而浮充电压即使只有5%的偏差，也会使蓄电池的寿命减半。

　　必须考虑的是，铅酸蓄电池的电压特性具有明显的负温度系数，2V的电池约为-4.0mV/℃。也就是说，一个在25℃能够正常工作的充电器，在0℃时就不能提供和保持足够的电量；而在50℃时这个充电器会导致严重的过充。合理考虑温度变化范围，充电器应该根据蓄电池的温度系数给予某种形式的补偿。实际中利用式（2）来确定浮充电压VF。其中VF0和T0分别为基准点的电压和温度值，C为电压温度系数：

控制器中，由单片机和检测电路组成的充电控制电路有效地满足了以上要求。它同时检测充电电压、充电电流和蓄电池温度，根据蓄电池状态可以提供3种充电状态还包括有充电状态下的过流、过充保护，浮充状态下的温度补偿等功能。可以使蓄电池的寿命得到最大限度的延长。

　　5 控制器硬件拓扑设计

　　5.1 充电电路硬件设计

　　为实现上述充电控制策略，充电电路的硬件拓扑采用了BUCK电路，拓扑与控制示意图如图3所示。在快充阶段，充电电路连接太阳能电池与铅酸蓄电池，通过调整BUCK 电路的驱动占空比，达到控制太阳能电池输出电流的目的，最终实现太阳能最大功率点跟踪；在过充和浮充阶段，充电电路仍然调整BUCK电路的驱动占空比，不同的是转为控制蓄电池的充电电流，使之不超过蓄电池的最大可接受电流。


        5.2 供电电路硬件设计

　　光伏照明系统采用高压钠灯作为照明光源。根据高压钠灯的负载特性，系统中实现了一个高频逆变电源以及与之配合的高频电子镇流器，不仅消除了工频噪音、提高了照明效率，还有效地减小了控制器的体积和重量。

图4是系统实现的高压钠灯照明供电电路结构框图。其中高频电子镇流器的原理示意图如图5所示。通过在镇流电感T1耦合的线圈N2上加上固定时间间隔的直流脉冲，在N1绕组上感应出3000V以上高压，将灯启辉。灯点燃后，电流感应器T2感应高压钠灯电流，产生电流检测信号，关断启辉放电电路。镇流电感采用高频磁芯绕制。提高频率的同时也大大减小了所需镇流器的电感量，从而减小了它的体积和损耗。试验证明，整个高频电子镇流器电路能够稳定、高效工作。

　　6 试验结果

　　对上述设计的独立光伏照明系统进行照明试验，系统工作稳定后，蓄电池输出功率P=274W，灯的功率PLAMP=252W，效率h?92.0%。与使用普通镇流器相比，整体效率可提高约4%。

　　高频电子镇流器工作的试验波形如图6所示。其中（a）为启辉脉冲电压波形；（b）为正常工作时高压钠灯的电流波形。由图可以看出，高频电子镇流器在启辉时可输出3000V，1ms宽的高压脉冲，从而可以将灯可靠启动；高压钠灯启动后，其电流频率为50kHz，超出音频范围，从而消除了音频噪音。

试验还记录了7h的充电中，充电电路在快充、过充、浮充3个阶段中转换过程中的电流、电压波形，如图7所示。从图中可以看出，系统较好的实现了本文所述的能量管理控制。应用此能量管理策略的独立光伏照明系统已经在北京同方广场连续稳定工作12个月，验证了该能量管理系统的稳定性。


7 结论

　　本文研究一种新型独立光伏照明能量管理系统。试验和运行结果表明，与现有光伏照明系统相比，应用此控制器的独立光伏照明系统具有以下优点：①通过充电状态的太阳能电池MPPT控制，提高了系统充电效率；②采用高效、无噪音、无频闪的高频高压钠灯电子镇流电路，实现了功能性照明；③通过检测外部环境状态和蓄电池能量，选择系统工作状态，实现了整个系统的自动、稳定运行。