太阳能灯具系统中的控制器

太阳能灯具系统中重要的一环就是控制器。其性能直接影响到系统寿命，特别是蓄电池的寿命。系统通过控制器实现工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池的MPPT（最大光功率跟踪器）充电控制、主电源及备用电源剩的切换控制以及蓄电池的温度补偿等主要功能。

控制器用工业级MCU（微控制器）作主控制器，通过对环境温度的测量。对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数的检测判断，控制MOSFET器件（金属氧化物半导体效应管）的开通和关断，达到各种控制和保护功能。

并对蓄电池起到过充保护、过放保护的作用。在温差大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的辅助功能。控制器是整个路灯系统中充当管理者的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面管理。

好的控制器应当根据蓄电池的特点，设置各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点、恢复连接点等。在选择路灯控制器时，特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池电压恢复，如果此时控制器各个参数点设置不当，则可能出现灯具闪烁不定，缩短蓄电池和光源的寿命。

一、控制系统

控制系统包括：微机主控线路、充电驱动线路和照明驱动线路。微机主控线路是整个系统的控制核心，控制整个太阳能路灯系统的正常运行。

微机主控线路具有测量功能，通过对太阳能电池板电压、蓄电池电流等参数的检测判断，控制相应线路的开通或关断，实现各种控制和保护功能。充电驱动线路由MOSFET驱动模块及MOSFET组成。

MOSFET驱动模块采用高速光耦隔离，发射极输出，有短路保护和慢速关断功能。选用的MOSFET为隔离式、节能型单片机开关电源IC，驱动LED的全电压输入范围为V至V，输出电流为8A至9A。输入电压范围较宽，具有良好的电压调整率和负载调整率，抗干扰能力强，低功耗。

系统通过充电驱动线路完成太阳能电池组向蓄电池的充电，电路中还提供了相应的保护措施。照明驱动线路由IGBT驱动模块（绝缘栅双极晶体管）及MOSFET组成，实现对灯具亮度的调节和控制。

通过编程可以对照明系统进行机动灵活的控制，可在任意时间段内通过PWM（脉冲宽度调制）方式实现开关控制，比如路灯对前半夜与后半夜的亮度进行控制，控制比例依据情况而定；开启单边路灯或前半夜开灯，后半夜关灯。

控制系统可以根据当地的地理位置、气象条件和负载状况做出最优化的设计，但是由于季节因素，冬天太阳辐射要比夏天少，太阳电池阵列冬天次产生的电量比夏天少，可是冬天需要照明的电量却比夏天多，从而使照明系统的发电量与需电量形成反差，依然难以平衡月发电量盈余和耗电量亏损。

为了提高照明系统发电量的利用率，克服缺点带来的不足，在太阳照明系统发展中，人们不断地对照明系统常用的控制模式进行分析，设计各种实际可行的工作模式，同时光源技术则在不断地更新换代中，蓄电池的充电模式也在不断地研究探索中有效利用率越来越高。

根据太阳能光伏系统特点，运行要兼顾蓄电池剩余容量的影响。当系统正常开启时，利用蓄电池剩余容量检测方法得到当前蓄电池容量，通过查询后得到蓄电池将要维持的供电时间。

然后平均使用蓄电池现有电量，同时根据当晚可使用的蓄电池电量对系统路灯照明方式灵活控制，合理使用蓄电池现有电量。

二、蓄电池充放电控制

蓄电池充放电控制是整个系统的重要功能，它影响整个太阳能路灯系统的运行效率，还能防止蓄电池组的过充电和过放电。蓄电池的过充电或过放电对其性能和寿命有严重影响。

充放电控制功能，按照控制方式可分为开关控制（含单路和多路开关控制），型和脉宽调制（PWM）控制（含最大功率跟踪控制）型。开关控制型中的开关器件，可以是继电器，也可以是MOS（半导体金属氧化物）晶体管。

脉宽调制（PWM）控制型只能用MOS晶体管作为其开关器件。在白天晴天的情况下，根据蓄电池的剩余容量，选择相应的占空比方式向蓄电池充电，力求高效充电；

夜间根据蓄电池的剩余容量及未来的天气情况如何通过调整占空比方式调节灯光亮度，以保证均衡合理使用蓄电池。

此外系统还具有对蓄电池过充的保护功能，即充电电压高于保护电压时，自动调低蓄电池的充电电压；此后当电压掉至维护电压时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压后浮充关闭，进入均充状态。

当蓄电池电压低于保护电压时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM方式充电，既可使太阳能电池板发挥最大功效，又可提高系统的充电效率。

任何一个独立光伏系统都必须有防止反向电流从蓄电池流向阵列的方法。如果控制器没有这项功能的话，就要用到阻塞二极管。阻塞二极管既可以在每一并联支路上，又可在阵列与控制器之间的干路上。

但是当多条支路并联成一个大系统时，应在每条支路上用阻塞二极管以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向却弱电流支路的现象。

另外，如果有几个电池被遮阴，则他们便不会产生电流且会反向偏压，这意味着被遮电池消耗功率发热，久而久之，形成故障，所以加上让路二极管起保护作用。

在大多数光伏系统中都用到了控制器以保护蓄电池免于过充或过放，过充可以使电池中的电解液汽化，造成故障，而电池过放会引起电池过早失。

过充过放均有可能损害负载，所以控制器是光伏系统中的重要部件，控制器的功能是依靠电池充电状态（SOC）来控制系统。当电池快要充满时控制器就会断开部分或全部的阵列；当电池放电低于预设水平时，全部或部分负载就会被断开（此时控制器包含有低压断路功能）。

控制器有两个动作设定点，用以保护电池。每个控制点有一个动作补偿设置点。比如一个12V的电池，控制器的阵列断路电压通常设定在14V，这样当电池电压达到这个值时，控制器就会把阵列断开，一般此时电池电压会迅速降到13V；

控制器的阵列再接通电压通常设在12.8V，这样当电池电压降到12.8V时，控制器动作，把阵列接到电池上继续对电池充电。同样地，当电压达到11.5V时，负载被断开，直到电压达到12.4V以后才能再接通。

有些控制器的这些接通/断电压在一定范围内是可调的，这一性能非常有用，可监控电池的使用。在使用时控制器电压必须与系统的标称电压一致，且必须能控制光伏阵列产生的最大电流。

控制器的其他特征参数有：效率、温度补偿、反向电流保护、显示表或状态灯、可调设置点（高压断路、高压接通、低压断路、低压接通）、低压报警、最大功率跟踪等。

三、控制器的类型

在光伏系统中有两类基本控制器。一类分路控制器，用更改或分路电池充电电流。这些控制器带有一个大散热器以散发由多于电流产生的热量。

大多数分路控制器是为30A以下的电流系统设计的。另一类是串联控制器，通过断开光伏阵列来断开充电电流。分路控制器和串联控制器也可分许多类，但总的来说这两类控制器都可设计成单阶段或多阶段工作方式。

单阶段控制器是在电压达到最高水平时才断开阵列；而多阶段控制器在电池接近满充电时允许以不同的电流充电，这是一种有效的充电方法。当电池接近满充电状态时，其内阻增加，用小电流充电，这样能减少能量损失。