常见问题

太阳能路灯在长期运行中，系统最薄弱环节为蓄电池组件，目前广泛使用的VRLA蓄电池循环次数实际只有500次左右。传统控制器对蓄电池每天充放电1次，该方式简单地将蓄电池与系统直接相连，没有考虑蓄电池的工作特性：在长期小充电率、小放电率下易形成酸分层及难溶PbSO4结晶颗粒，蓄电池寿命将很快被消耗殆尽，缩短了系统整体维护周期。为解决上述问题，本文提出了一种具有调度功能控制系统，可降低蓄电池充放电频率及长期低充电率/放电率对蓄电池寿命的影响。系统采用低导通电阻MOSFET替代继电器实现调度功能，进一步降低了系统功耗。测试结果验证了该方法及电路的有效性。

1 系统硬件构成

1.1 太阳能路灯工作原理

太阳能路灯主要由灯杆、太阳电池、蓄电池、照明组件及控制器组成，如图1所示。白天由太阳电池将光能转换为电能存储在蓄电池中，晚上由蓄电池组提供照明用电。其中控制器检测周围环境光照强度、蓄电池电压、时间等控制量，确保路灯正常运行。

为维持一定的连续阴雨天照明时间，在进行太阳能路灯匹配设计时通常使太阳电池功率为照明功率4倍左右，蓄电池容量为单日照明耗电量5倍左右，当蓄电池容量较大时使用2组或多组蓄电池。

图1 系统组成框图

现有的各种太阳能路灯控制器均将蓄电池直接接入系统中，控制器只能对蓄电池组整体进行充放电，其充放电频率如表1所示。可见使用此方法蓄电池组每天充放电各1次。

表1 传统太阳能路灯充放电频率

1.2 调度系统硬件结构

为降低蓄电池充放电频率，使用调度管理功能对蓄电池组充放电进行控制。图2所示为所提出的调度系统电路图(以接入3组蓄电池为例)。调度系统硬件主要由MOSFET和下拉电阻组成。

由图2可见，电路中蓄电池组为共阳极、隔阴极接入方式。系统运行前，PORT1-PORT3口下拉电阻使GS=0，控制器地与LED/太阳电池地互相断开。只有蓄电池组对应PORT口变为高电平时，才能将该组蓄电池接入主电路中。

2 系统工作流程

蓄电池基本使用要求为防止过充/过放电。为降低充放电频率同时均衡使用每一组蓄电池，调度系统需在满足单组蓄电池使用要求的同时使各组蓄电池充放电次数保持相同。

图2 调度电路原理图

2.1 整体软件结构

由于调度时需综合考虑当前蓄电池电压、上一次充/放电蓄电池、各组蓄电池充放电次数等参数，因此使用模块化程序设计方法，将总程序按功能分为初始化、充电和放电3部分。控制程序整体架构如图3所示。

图3 控制程序流程框图

2.2 各模块功能

程序初始化时，系统依次测量各组蓄电池电压，选择电压最低蓄电池组为初始充电组，电压最高组为初始供电组。运行时将各组蓄电池电压、蓄电池充电次数/放电次数等数据分开保存在不同数组中。

循环调度程序连续检测当前蓄电池电压，当充/放电至极限电压后使用循环次数最少的充/放电蓄电池组替代当前组继续运行，并优先选用不同组分别充放电。充电时段调度程序流程如图4所示。

放电时段蓄电池调度流程与充电时段流程不同之处在于，当所有蓄电池组都放电至极限电压时，将启用低亮度照明方案，以减少电能消耗保护蓄电池。为处理搜索最小充/放电次数蓄电池组时多组蓄电池次数相同情况，使用小于等于其他组的充放电次数作为判断条件。

图4充电调度算法流程

3 实验结果

为了验证本文所提出电路及调度算法的有效性，对其进行了实验验证。实验系统配置如表2所示。

表2 系统配置

系统使用XC836单片机作为主控制器，它具有8路AD转换及6路PWM输出功能。同时低压MOS管选用IPB042N10N3G，在GS=5 V时，DS≈6 mΩ，可最大限度减少额外损耗。图5所示为系统运行中各组蓄电池端电压变化曲线。通过单片机串口上传的数据显示调度结果为4天内蓄电池A/B/C各充电1次，蓄电池B/C各放电一次，与蓄电池端电压变化曲线相同，满足了均衡使用要求。

图5 端电压变化曲线

使用调度功能后蓄电池充电方式从整组充电变为各组分别充电，两种方式充电率单日变化曲线如图6所示。当光照强度一定时，使用调度方法可以提高单组蓄电池充电率，调度后单组蓄电池放电率同样得到提高。

图6 充电电流曲线

4 结论

使用调度功能可在等同使用条件下降低太阳能路灯蓄电池充放电频率，同时避免蓄电池组长期在小充电率、小放电率下工作，延长了蓄电池使用寿命，进一步提高太阳能路灯实用性。