带有温控效应的太阳能路灯智能控制系统研究

韩文颖，赵明君，春 兰

1.内蒙古工业大学工程训练教学部，内蒙古 呼和浩特 010000

2.山西省电力公司检修分公司，山西 太原 030000

0 引言

太阳能路灯系统是将太阳能作为电能量来源的路灯系统，其能源不受供电影响，而且具有资源丰富、适合远距离供电、清洁、可再生等特点[1-3]，对照明行业的能源短缺问题起到一定的作用。目前，太阳能路灯已在国内受到广泛应用，但大多没有考虑到能源合理利用问题[4]。基于此，文章设计了一种以C8051F320为主控制器的太阳能LED路灯系统，该系统采用带有PID温度保护的最大功率点跟踪（MPPT）充电方法，既能实现对蓄电池充电的合理化化管理，又能防止控制器在充电过程中由于温度过高而损坏，导致严重影响控制器的使用寿命。

1 系统的整体方案

太阳能路灯系统结构框图如图1所示。该系统由太阳能电池板、路灯控制器、蓄电池、LED负载、LoRa节点和LoRa网关组成。控制器根据现场环境，选择合适的时间充电或者放电，同时还采用PID温控保护。此外，控制器与LoRa节点和网关相连，实现实时数据远距离双向传输。

图1 太阳能路灯系统结构框图

1.1 物联网技术的选择

目前，常用的物联网技术为LoRa、NB-IoT与ZigBee。其中，ZigBee技术适合用于距离短的无线传输[5]；NB-IoT技术虽然在技术更新方面略强，但其运营成本较高；LoRa技术具有通信距离远、运营成本低、续航时间长等优点。综合考虑，选择LoRa技术进行设计。

1.2 路灯控制器的设计

根据太阳能电池P/V特性曲线、铅酸蓄电池的可接受充电电流曲线，选择合适的充电方式，对能源合理化应用以及铅酸蓄电池寿命起着决定性作用。基于此，采用在符合蓄电池的可接受充电电流曲线条件下，进行带有扰动观察法的MPPT充电方式，统称MPPT充电方式。在高温天气进行MPPT充电时，会增大控制器中芯片的表面温度，在超过芯片温度设定值时，会导致芯片无法正常工作，因此需实时观测芯片表面温度，若温度高于设定值，需采用PID温度控制方式充电。PID的输出与输入偏差的关系式如下：

式中：e(t)为控制偏差；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；u(t)为输出即偏差PID的线性组合。

从式（1）可以看出，采用PID控制，对温控过程中产生的干扰有良好的控制效果。

路灯控制器的单片机选择C8150F320，通过改变占空比实现合理充电。将太阳能转换为铅酸蓄电池所需要的充电电压，还需要用到DC/DC变换器，选择采用MAX668变换器。温度传感器选择DS18B20，负责采集温度并观察是否超过设定值。以单片机为控制核心的控制系统，根据收集的信息，决定采用MPPT充电还是PID温度控制充电，实现温度保护的智能充电。

2 具有温度保护的软件设计

具有温度保护的软件设计流程如图2所示。

图2 具有温度保护的软件流程图

该系统实时检测充电电压U、充电电流I、控制器芯片的温度T，如果控制器芯片温度T超过设定值温度TC，启动PID温度控制方式充电，否则进行MPPT方式充电。在进行PID温度控制方式充电时，系统输出合适的占空比D，以降低输出功率，从而使温度下降，当温度降低至设定的下限值时，启动MPPT充电方式。在进行MPPT方式充电时，系统检测充电电流I是否小于当前蓄电池可接受的充电电流IC，如果I＜IC，启动带有扰动观察法的MPPT方式充电，否则采用IC充电。由此，通过采用带有温度保护充电方式，使该系统的温度得到有效控制，同时提高控制系统的充电效率，延长其使用寿命。

3 仿真

选择在夏季某一天进行仿真，采用MATLAB/Simulink仿真软件搭建仿真模型，得出仿真结果。仿真对比不带PID温度保护的MPPT充电方式和带有PID温度保护的MPPT充电方式进行比较，结果如图3所示。图3中，P1、TI为不带PID温度保护MPPT的输出功率和控制器芯片表面温度，P2、T2为带有PID温度保护MPPT的输出功率和控制器芯片表面温度。

如图3所示，在8：00～12：00，随着光照强度的不断增强和气温的不断上升，系统所采集的输出功率和芯片温度也在不断增加，随后，在光照强度的不断增强、地表温度的不断升高的情况下，芯片已经达到较高的温度，如果此时继续采用MPPT方式充电，芯片由于需要进行MPPT，会增加其功耗，将进一步加重芯片发热的情况。由图3可知，温度可达85 ℃，但是芯片的工作温度范围一般为0～80 ℃，长时间的高温将导致芯片受损，而该系统采用带有PID温度保护的充电方法，初始启动MPPT充电方式进行充电，当检测到芯片温度上升至70 ℃时，启动PID温度控制，使太阳能电池的输出功率和控制器芯片表面温度形成动态平衡，在下午2:30左右，由于光照强度和气温的下降，系统又启动MPPT方式充电。仿真结果表明，这种根据温度的变化自动调整充电方式的智能控制系统符合设计要求。

图3 两种充电方式的仿真结果

4 结束语

综上所述，带有温控效应的太阳能路灯智能控制系统能够根据温度的变化自动调整充电方式，当温度超过设定温度时系统采用PID温控方式充电，可以在一定程度上保护DC/DC芯片硬件的使用寿命，延长路灯的使用周期；当温度恢复正常时，启动MPPT方式充电，从而有效保护芯片的使用寿命，降低路灯设备更换的频率。