高亮度LED太阳能路灯照明系统解决方案

摘要：在传统的太阳能路灯系统中，通常经过防电流倒灌二极管将太阳能板与蓄电池直接相连，这将导致太阳能板的利用效率低，同时容易使蓄电池长期处于欠充满状态，造成其使用寿命的缩减。本文在研究太阳电池电路模型的基础上，提出了一种数模混合的最大功率点追踪（Maxim Power Point Tracking,简称MPPT）策略，它可最大程度地利用太阳能，同时对固态光源LED 的驱动电路做了研究，最后用实验验证了该方案的高效性和实用性。
1.引言 
随着固态光源的发展，LED 的应用已不再仅仅局限于指示灯领域，它凭借寿命长，光效高等优点在现代照明体系中日益凸现优越性。伴随着光伏技术的发展，大功率高亮度LED 更以其高效、节能而进一步引起了社会各界对该光源的广泛关注。但目前，LED 太阳能路灯还存在因灯驱动电路导致LED 光衰现象及太阳能利用率不高等不足。业界普遍认为LED的恒流驱动对抑制光衰效果显着。
传统的太阳能路灯充电系统中，通常经过防电流倒灌二极管将太阳能板与蓄电池直接相连，这将导致太阳能板的工作点偏移最大功率点（MaximPower Point,简称MPP），而未有效利用太阳能板的可输出功率；同时容易使蓄电池因供能不足而长期处于欠充满状态，造成寿命缩减。本文在研究太阳电池电路模型的基础上，分析了恒压追踪[1]、扰动观察[2,3]等最大功率追踪（MPP Tracking,即MPPT）法，提出了一种数模混合的MPPT 策略，它可使太阳电池的输出稳定在MPP 附近，从而有效利用了太阳能板可输出的最大功率。 
2.太阳电池的电路模型 
图1 示出太阳电池的电路模型。通常，材料内部的等效并联电阻Rsh 值大，而材料内部的等效串联电阻Rs 值很小。 


 图1 太阳电池的电路模型 
图中Is---由光生伏特效应产生的电流 
输出负载RL 上的电压电流关系为： 

 
式中q,k---电子电荷量及波耳兹曼常数 
A---太阳能板的理想因素，A=1~5 
T---太阳能板的温度 
Ios---太阳能板的逆向饱和电流，与T有关 
由上述关于太阳能板电路模型的分析可见，太阳电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图2示出太阳电池在标准测试条件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 时的典型输出特性。 

 
图2 太阳能板的典型输出特性曲线 
太阳能板的输出开路电压uoc 和输出短路电流isc的值由生产厂给出。 
3.电路工作原理 
目前，市场上绝大部分太阳能路灯都是通过防电流倒灌二极管将蓄电池与太阳能板直接相连以充电的。图3 示出传统的充电电路。 

 
图3 传统的充电电路 
这种做法的弊端是它将使太阳能板的输出电压Uarr 被蓄电池箝位在其电动势12V 左右，也即其工作点被限制在图2 的Q 点，这将使太阳能板的输出功率Parr 大幅度降低。
在太阳能板与蓄电池组中加入DC/DC电路，通过对其进行控制，调节Uarr,从而使其稳定在图2 的P 点，以便能有效利用太阳能板的可输出功率。在标准测试条件下，太阳电池的最佳工作电压与其开路电压之间存在一个特定的比例关系，基于该思想产生了恒压跟踪MPPT策略，但在非标准条件下，其实用性较差。利用扰动开关管的工作占空比D,直至输出功率Parr 达到最大的扰动观察法，在寻找MPP 上更具通用性。 
对于Buck 电路，存在UarrD=Ubat 关系，所以： 

 
式中Ubat ---蓄电池电压 
式（1）代入得：