摘 要：由于能源紧张问题日趋严重，近年来太阳能光伏发电和ＬＥＤ开始引起了人们的关注．文章介绍了将两者结合应用于太阳能ＬＥＤ照明系统，着重分析该系统中的ＤＣ－ＤＣ转换器、蓄电池、ＭＣＵ控制器等各个组成部分的配置原则，使得系统能简单可靠地实现智能控制，进而提出一种新颖的充电控制方法．

关键词：光伏发电；ＬＥＤ；ＤＣ－ＤＣ转化器；ＭＣＵ控制器

随着世界经济的发展，各国对能源的需求量越来越大，石油、煤炭等当今世界的主要能源即将被消耗殆尽；另一方面，经济的增长在某些地区是以牺牲环境质量作为代价的，周边的环境污染日益严重．因此，节能、环保已经成为各地政府迫切需要解决的问题．作为一种清洁无污染的能源，太阳能已被越来越多的部门所重视，对其有效的利用手段之一便是将它转化成电能．照明是日常生活中不可缺少的一部分，成为世界各国一项重要的能源消耗［１］，而ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）作为一种新型的光源，其节能环保的优势，目前已经在照明领域中突显出来．如何把太阳能和ＬＥＤ完美结合，形成一种新型的照明系统，就成为当前研究开发的重点之一．

１ 太阳能ＬＥＤ照明系统

太阳能ＬＥＤ照明系统（如图１所示）一般由５个部分组成：太阳能电池、蓄电池、控制器、ＬＥＤ驱动以及ＬＥＤ光源．通常太阳能电池放在屋顶等高处位置上，充放电控制器和铅蓄电池放在地面的控制箱内，驱动芯片和ＬＥＤ光源都装在ＬＥＤ灯具中．

２ 太阳能电池

太阳能电池的作用就是能够集聚光子的能量，并将其转化成为电能．当无光照时，可以将太阳能电池看成是一个二极管，因此首先可以得出正向偏压ＶＤ与通过的电流Ｉ之间的关系：

ＩＤ＝Ｉ０ｅｘｐｑＶＤ（）ｎＫＴ－（）１，

式（１）中：Ｉ０为二极管的反向饱和电流，ｎ为理想二极管参数，理论值一般设为１，Ｋ是玻尔兹曼常量，ｑ为电子的电荷量，Ｔ为热力学温度．

当光照射到太阳能电池上时，将产生光生电流Ｉｐｈ，此电流是由ｎ区到ｐ区的方向．同时，由于ｐｎ结二极管的特性，存在着正向二极管电流ＩＤ，此电流的方向从ｐ区指向ｎ区，与光生电流的方向刚好相反．因此，实际获得的电流Ｉ为两者之差：

Ｉ＝Ｉｐｈ－ＩＤ＝Ｉｐｈ－Ｉ０ｅｘｐｑＶＤ（）ｎｋＴ－［］１，（２）式（２）中的参数含义与式（１）中表示的含义相同．

当太阳能电池带上负载Ｒ时，负载Ｒ的取值范围理论上可以从０到∞；如果当负载Ｒ＝Ｒｍ时，使得太阳能电池的输出功率最大，这个最大功率就定义为

Ｐｍ＝ＩｍＶｍ，（３）

式（３）中Ｉｍ和Ｖｍ为最佳的工作电流和工作电压．

３ ＤＣ－ＤＣ转换

由于不同纬度的日照强度有差异，加上所驱动的负载量有变化，从太阳能电池这里产生出来的直流电压是不够稳定的，这样就很难满足后级装置的需要，因此必须设计ＤＣ－ＤＣ转换电路，对太阳能电池的输出电压进行调节，从而把输出电压稳定在一定的要求范围内．

该系统设计采用的是ＳＤ４６５２０转换电路，它具有ＰＷＭ控制、功率开关内置的ＤＣ－ＤＣ转换功能．在宽广的输入电压范围内，输出电流能达到２Ａ，负载调整率和线性调整率极好．其工作过程是：刚开始时，开关管处于截止状态，内部的续流管导通，ＳＷ则接到地，５Ｖ的电压通过内部肖特基二极管对外部ＢＳ与ＳＷ之间的自举电容充电，自举电容两端的电压作为开关管驱动部分的电源电压，以保证开关管能正常工作；当自举电容两端电压超过开关管的阈值电压时，控制环路开始正常工作．在每次时钟的上升沿对ＲＳ触发器进行置位，开关管会导通，输入电压通过电感连接到输出电容，电感电流线性增加，同时对输出电容进行充电．如此循环，将输出电容上的电压充至设置的输出电压．设计的ＳＤ４６５２０外围应用电路图如图２所示．

对于该系统所采用的１２Ｖ蓄电池，需要对它充电使用的电压为１５Ｖ，因此也就要求经过ＤＣ－ＤＣ转换之后输出电压能达到１５Ｖ左右．于是，从太阳能电池产生的电压，必须先通过ＳＤ４６５２０转换电路之后，稳压成为５Ｖ电压，再通过ＭＣ３４０６３电路，转换为１５Ｖ供蓄电池充电使用．

４ 蓄电池的充电控制

蓄电池是太阳能照明系统中储存能量的部件，蓄电池的基本特性直接影响着ＬＥＤ照明系统的性能，配有蓄电池的照明系统的运行特性，很大程度上由蓄电池的特性所决定［２］．

根据马斯定律［３］，蓄电池当前可接受充电电流与蓄电池的剩余容量及充电时间有关．根据这一定律，该系统设计对１２Ｖ／４Ａ的铅酸蓄电池进行充电，最大充电电流限制为４Ａ，采用恒流充电、恒压充电和浮充充电３种混合式充电方式．其设计的充电控制流程如图３所示，下面来具体阐述其设计的控制过程：

１）由控制器来检测蓄电池的端电压大小，当发现其值小于蓄电池的最大电压上限Ｕｃ时，充电器便以０．３Ａ的恒流模式对蓄电池进行快充；

２）由控制器来检测蓄电池的端电压大小，当发现其值大于上限值Ｕｃ时，这时判断的变量发生了变化，比较充电电流Ｉ与转换阈值电流Ｉｃ的大小，假设Ｉ＞Ｉｃ，则充电器以恒压模式对蓄电池进行慢充；

３）继续判别充电电流Ｉ与转换阈值电流Ｉｃ的大小关系，当上一步慢充过程接近尾声时，会发现充电电流Ｉ小于阈值电流Ｉｃ，这时蓄电池就进入了浮充模式，对蓄电池进行涓流充电，直至饱和状态．

综上所述，蓄电池的充电方式为：当白天有日照时，由太阳能电池吸收光能转化成电能，再经过ＤＣ－ＤＣ转换模块进行稳压输出后，对蓄电池进行充电，充电过程可以采用恒流充电、恒压充电和浮充充电这三者中的任意一种或者几种方式组合而成，具体采用何种方式要根据蓄电池的端电压和充电电流的大小而定．同时，蓄电池也不能过充电，一般情况下，蓄电池的端电压不能超过蓄电池规定电压的２０％，否则容易造成蓄电池损坏．

５ ＭＣＵ控制器

控制电路是整个系统的核心，该系统采用的是一种新型太阳能ＬＥＤ照明系统控制方案，使用ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机作为微处理器（ＭＣＵ），控制整个系统的运行．该控制方案能实现对太阳能电池输出和蓄电池的充放电管理、ＬＥＤ照明控制驱动管理等功能，控制系统的结构如图４所示，主要具有以下几个功能：

１）采样检测太阳能电池的工作电压、电流等参数，根据事先设定的算法输出合适的ＰＷＭ信号，来调节ＤＣ－ＤＣ转换电路，输出稳定的电压供蓄电池充电使用．

２）采样检测蓄电池的工作电压、电流等参数，判断蓄电池的状态；根据上文所提供的充电方案，采用相对应的充电控制方式．

３）ＬＥＤ照明控制驱动管理，通过控制外部ＰＷＭ信号的占空比可以调节驱动ＬＥＤ光源的电流大小，从而达到调节照明亮度的功能．

４）各类状态的显示界面，采用常用的ＬＣＤ１６０２模块．

６ ＬＥＤ灯具

６．１ ＬＥＤ驱动电路

该系统采用的ＬＥＤ驱动电路是ＳＤ４２５２２（如图５所示），这是一款降压型、ＰＷＭ控制、功率开关内置的ＬＥＤ驱动电路，使用电流模式控制ＬＥＤ发光管．

下面简述一下ＬＥＤ驱动的工作原理：刚开始工作时，开关管Ｍ１处于截止状态，若Ｖｃｏｍｐ的管脚电压高于电流采样的值，这时电流比较器就输出低电平至ＲＳ触发器Ｒ端口，在振荡器时钟的上升沿进行置位操作，使得Ｍ１导通，这样由Ｍ１和电感、ＬＥＤ、Ｒｓ、Ｖｉｎ就组成了一个通路，电感上的电流逐渐增加．然后再采样电流，经过放大叠加斜率补偿信号之后与跨导放大器的输出进行比较，若前者已大于后者，则使ＲＳ触发器复位，开关管Ｍ１截止，流过电感的电流量减少．等到下一个时钟周期到来，重新打开Ｍ１，使得电感上的电流再逐渐增加，这样周而复始的操作，使得输出电流稳定在一定的值附近．

输出电流大小由采样电阻和设定的电压值决定，通过调节采样电阻Ｒｓ的大小来调节输出电流，由以下公式计算而得：

Ｉｏｕｔ＝Ｖｉｎ－ＶｓｅｎｓｅＲｓ．（４）

６．２ ＬＥＤ灯

ＬＥＤ又称发光二极管，是一种半导体器件，它可以直接把电转化为光．如果与目前流行的照明光源作类比，可以得出ＬＥＤ照明具有以下优点：

１）色彩艳丽、纯度高．目前ＬＥＤ产品几乎覆盖了整个可见光谱范围，且色彩纯度高．

２）寿命长．ＬＥＤ的寿命可以达到１０万ｈ，超过普通光源好几倍．

３）节能，经济．

４）三原色的ＬＥＤ组合，可采用ＰＷＭ控制方式来实现颜色的变化．

７ 结束语

该文设计的太阳能ＬＥＤ照明系统，采用的都是目前常用的模块或电路，其稳定性与可靠性得到了大幅度的提升，因此较易形成产品化并投入市场推广使用，有着较强的实用价值．