專利名稱：永不滅燈的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于風(fēng)光互補(bǔ)路燈領(lǐng)域，具體涉及一種用于實(shí)現(xiàn)永不滅燈的風(fēng)光互補(bǔ)路燈的控制器。
背景技術(shù)：
目前新能源已經(jīng)應(yīng)用到路燈照明中，風(fēng)光互補(bǔ)路燈就是其典型應(yīng)用。風(fēng)光互補(bǔ)路燈主要由太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燈頭、控制器、蓄電池等組成，其中控制器是整個(gè)路燈控制的核心部件。目前市面上的控制器品種繁多，其主要控制結(jié)構(gòu)如圖1所示太陽能電池板輸出直流電，并通過單向開關(guān)簡單的直接對電池充電，單向開關(guān)主要用來防止電池對太陽能電池板反充電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電通過三相整流橋整流成直流電，然后通過單向開關(guān)直接對電池充電。當(dāng)晚上來臨時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)打開電子開關(guān)，使路燈燈頭得到電，開始照明。工作過程中，如果電池充滿，或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率比較大時(shí)，調(diào)節(jié)器控制卸荷剎車開關(guān)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能量卸荷釋放，不再對電池充電，也保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。調(diào)節(jié)器一般有撥碼開關(guān)，用來設(shè)置路燈亮燈的時(shí)間；當(dāng)電池能量不足時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)關(guān)閉路燈輸出ο現(xiàn)有的控制器能夠滿足風(fēng)光資源充足地區(qū)的使用要求，但其缺點(diǎn)是在風(fēng)光資源較差的地方，會(huì)出現(xiàn)由于能量不足而滅燈的問題。在普遍是陰雨、無風(fēng)的狀態(tài)下，只能維持3 天時(shí)間的正常使用。一方面路燈一直滿功率運(yùn)行，在人流比較少的時(shí)間段浪費(fèi)能源；另一方面太陽能、風(fēng)能發(fā)出的能量沒有被電池充分的吸收。低風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓比電池低，充不進(jìn)電，即使有部分充電，工作效率也比較低。電池板采用直接對電池充電的方式， 對電能的利用率比較低，不能工作在最佳充電狀態(tài)下。

實(shí)用新型內(nèi)容針對上述問題，申請人進(jìn)行了改進(jìn)研究，提供一種能夠提高能量利用率，改善能量分配管理模式，提高電池壽命的永不滅燈的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下—種永不滅燈的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器，包括太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、單向開關(guān)、 MPPT功率轉(zhuǎn)換部件、電池、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器、路燈燈頭、控制處理器、PWM無級軟卸荷剎車、計(jì)算機(jī)以及顯示操作器；所述太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別通過單向開關(guān)以及MPPT功率轉(zhuǎn)換部件與電池連接；所述電池通過無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器連接路燈燈頭；所述MPPT功率轉(zhuǎn)換部件、電池、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)以及顯示操作器分別與控制處理器連接；所述控制處理器通過PWM無級軟卸荷剎車連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在線路的單向開關(guān)和MPPT功率轉(zhuǎn)換部件之間的線路上。本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果是本實(shí)用新型成功的把高性能的MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤方法、無級功率調(diào)節(jié)輸出運(yùn)用到路燈控制器中去，革命性的提高路燈控制器的性能，促進(jìn)新能源在路燈上的推廣應(yīng)用。 主要優(yōu)點(diǎn)有(一)提高太陽能發(fā)電的能量利用率109Γ15% ； (二)提高風(fēng)機(jī)發(fā)電的能量利用率109Γ20%，并可低風(fēng)速發(fā)電；(三)采用修復(fù)電池充電模式，大大提高電池壽命。(四)采用能量管理模式分配能量使用，接近永不滅燈效果；(五)采用計(jì)算機(jī)管理平臺(tái)，快速定制應(yīng)用。

圖1是現(xiàn)有風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器的方框圖。圖2是本實(shí)用新型的方框圖。圖3是太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤、無級軟卸荷剎車、電池修復(fù)的電路原理圖。圖4是無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說明。圖2示出了本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)方框圖。如圖2所示，本實(shí)用新型包括太陽能電池、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)、單向開關(guān)、MPPT功率轉(zhuǎn)換部件、電池、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器、路燈燈頭、控制處理器、PWM無級軟卸荷剎車、計(jì)算機(jī)以及顯示操作器。太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別通過單向開關(guān)以及MPPT功率轉(zhuǎn)換部件與電池連接。單向開關(guān)主要用來防止電池對太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)反充電。MPPT功率轉(zhuǎn)換部件用于實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(下面的文字中將詳細(xì)說明)。電池通過無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器連接路燈燈頭。無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器可以代替路燈燈頭內(nèi)部的恒流源使用，并且提供更多可以控制的管理方法。MPPT功率轉(zhuǎn)換部件、電池、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)以及顯示操作器分別與32位控制處理器連接。本實(shí)施例中控制處理器采用32位ARM處理器芯片，低功耗，可實(shí)現(xiàn)高速處理信息。計(jì)算機(jī)通過內(nèi)部軟件管理平臺(tái)配置參數(shù)，顯示操作器用于快速合理的配置參數(shù)，定制不同的應(yīng)用。32位控制處理器通過PWM無級軟卸荷剎車連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在線路的單向開關(guān)和MPPT功率轉(zhuǎn)換部件之間的線路上。PWM無級軟卸荷剎車的主要作用是保護(hù)電池。本實(shí)用新型的電信號(hào)控制及工作過程如下1、太陽能MPPT (最大功率點(diǎn)跟蹤)的原理及工作分析如圖3所示，太陽能電池板輸出的直流電通過整流橋D8，然后通過MPPT功率轉(zhuǎn)換部件(由MOS管Q4、二極管D10、電感L2組成)，做最優(yōu)功率轉(zhuǎn)化后對電池充電。MPPT就是最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking)的縮寫，通過一個(gè)PWM開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)太陽能的最佳功率輸出點(diǎn)的跟蹤。由MOS管Q4、二極管D10、電感L2組成的MPPT功率轉(zhuǎn)換部件，是一個(gè)BUCK轉(zhuǎn)換電路，控制處理器輸出PWM脈沖波來控制MOS管Q4高頻開關(guān)動(dòng)作。采集當(dāng)前太陽能輸入電壓、 輸入電流作為工作參數(shù)，通過計(jì)算公式P=U*I (P—功率，I一電流，U—電壓)進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算得到當(dāng)前輸出功率P。如果當(dāng)前輸出的功率比上一次輸出的功率小，則PWM脈沖調(diào)制占空比減少；如果當(dāng)前輸出的功率比上一次輸出的功率大，則PWM脈沖調(diào)制占空比增加。通過此搜索方法，動(dòng)態(tài)的尋找到當(dāng)前工作條件下的最大功率輸出點(diǎn)，自動(dòng)微調(diào)PWM占空比，保持太陽能充電有最大功率輸出。通過此電路結(jié)構(gòu)做功率跟蹤，可以比普通控制器多采集109Γ15% 的能量充電。[0020]2、風(fēng)能MPPT (最大功率點(diǎn)跟蹤)的原理及工作分析如圖3所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電通過整流橋D4、二極管Q1、電解電容C13整流濾波成一直流電；然后通過電感Li、MOS管Q3、二極管D5、電解電容C15組成的BOOST轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能。BOOST轉(zhuǎn)換電路具有功率因數(shù)校正，電壓提升的功能。 其一方面保證風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能以高功率因數(shù)對電池充電；另一方面保證風(fēng)機(jī)即使在低風(fēng)速下，通過升壓功能，仍能對電池充電。中央處理器輸出PWM脈沖波來控制MOS管Q3高頻開關(guān)動(dòng)作。采集當(dāng)前風(fēng)機(jī)整流后的輸入直流電壓、輸入電流作為工作參數(shù)，通過計(jì)算公式Ρ=υ*Ι (P—功率，I一電流，U— 電壓)進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算得到當(dāng)前輸出功率P。如果當(dāng)前輸出的功率比上一次輸出的功率小，則 PWM脈沖調(diào)制占空比減少；如果當(dāng)前輸出的功率比上一次輸出的功率大，則PWM脈沖調(diào)制占空比增加。通過此搜索方法，動(dòng)態(tài)的尋找到當(dāng)前工作條件下的最大功率輸出點(diǎn)，自動(dòng)微調(diào) PWM占空比，保持風(fēng)能充電有最大功率輸出。通過此電路結(jié)構(gòu)做功率跟蹤，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較低、輸出電壓比較低的情況下，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)輸出負(fù)載，優(yōu)先保證風(fēng)機(jī)不會(huì)在帶載下停轉(zhuǎn)，并且也能對電池充電。其原理是根據(jù)風(fēng)機(jī)當(dāng)前輸出電壓，判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速，采用動(dòng)態(tài)調(diào)整 PWM占空比的辦法，間隔對電池充電。當(dāng)檢測到電壓減少到一個(gè)限制值時(shí)，斷開充電，保持風(fēng)機(jī)接近空載運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)由于負(fù)載比較小，風(fēng)能會(huì)慢慢的提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，相當(dāng)于風(fēng)能能量累積轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)?shù)揭欢芰繒r(shí)，自動(dòng)控制BOOST電路工作，再次吸收功率對電池充電，周而復(fù)始。此電路結(jié)構(gòu)可以采集微弱的風(fēng)機(jī)能量，利用低風(fēng)速下的發(fā)電輸出，可以比普通控制器多采集10% 20%的能量充電。3、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的原理及工作分析無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)可控的恒功率/恒電流/恒電壓輸出的電路結(jié)構(gòu)，可以代替LED燈內(nèi)部的恒流源使用，并且提供更多可以控制的管理方法。無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示，其主要由電源芯片U10、電平轉(zhuǎn)換電路、BOOST-BUCK電路以及調(diào)控電路組成。電源芯片U10、電阻R42、電阻R73、電阻R88、電阻R44、電容C23、電容C37等器件組成PWM電源控制電路。由電源芯片UlO發(fā)出調(diào)節(jié)后的PWM脈沖波，通過由三極管Q16， 三極管Q17、三極管Q18、三極管Q20、三極管Q19等器件組成的電平轉(zhuǎn)換電路，然后驅(qū)動(dòng)由 MOS管Q6、電感L3、二極管D6組成的BOOST-BUCK電路生成可控的電壓輸出。由運(yùn)算放大器TOA、運(yùn)算放大器U6B組成壓控的調(diào)節(jié)電路，由控制處理器控制電壓的輸出，控制處理器采集輸出的電壓、電流信息，根據(jù)配置的要求，輸出一直流電到壓控電路，控制輸出值，達(dá)到輸出完全可控的效果。此無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器可以輸出電壓、電流、功率作為參考點(diǎn)，控制器根據(jù)設(shè)置的指令要求自動(dòng)生成需要的輸出源。電壓輸出時(shí)輸出范圍為(T45V;電流輸出時(shí)輸出范圍為 (Γ3Α;功率輸出時(shí)，輸出范圍為(T120W。通過此無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器，帶不同輸出的路燈負(fù)載都能適用，并且輸出可控。4、PWM無級軟卸荷剎車的原理及工作分析如圖3所示，由MOS管Q2、控制處理器等器件組成的卸荷剎車電路，是一個(gè)PWM斬波電路。當(dāng)電池充滿或者風(fēng)機(jī)過風(fēng)速運(yùn)行等異常狀態(tài)時(shí)，由控制處理器發(fā)出高頻PWM，驅(qū)動(dòng) MOS管Q2工作，一方面可以降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，另一方面可以在電池充滿時(shí)，維持一個(gè)比較小的電流繼續(xù)對電池充電，達(dá)到保護(hù)電池的目的。PWM的輸出是緩慢變化的，相當(dāng)于緩慢的給風(fēng)機(jī)一個(gè)由小到大的負(fù)載，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)緩慢的降下來，不會(huì)造成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速驟降而損壞風(fēng)機(jī)機(jī)械部件的情況。5、電池修復(fù)功能的原理及工作分析電池是一個(gè)壽命短、損耗大的設(shè)備，不合理的充電方式會(huì)使電池加速老化，產(chǎn)生極化、電極反轉(zhuǎn)等問題。如圖3所示，本控制器由MOS管Q3、M0S管Q4、二極管D5、二極管DlO 等器件組成脈沖充電器件。首先通過脈沖充電模式對電池充電，太陽能、風(fēng)能發(fā)出的電都轉(zhuǎn)化為高頻脈沖電流，脈沖充電方式可以激活電池活性成分，并且充電電流可以控制。電池快充滿時(shí)，則采用涓流充電模式，維持電池正常的電能損耗。6、能源管理模式的原理及工作分析本實(shí)用新型由于采用可控的輸出驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載，所以提供了獨(dú)特的能源管理控制方法。在風(fēng)光互補(bǔ)路燈上應(yīng)用可以達(dá)到接近“永不滅燈”的效果。風(fēng)光互補(bǔ)路燈一般情況下晚上會(huì)工作6 12小時(shí)，一方面如果在亮燈時(shí)間內(nèi)的不同時(shí)間段都是滿功率輸出，則將大大降低使用時(shí)間。如果在行人少、深夜等時(shí)間段減低功率運(yùn)行，則可以延長工作時(shí)間。另一方面，當(dāng)電池剩余能量在不同階段時(shí)，如果都是全功率運(yùn)行，也會(huì)縮短亮燈工作時(shí)間。本實(shí)用新型可以自動(dòng)根據(jù)電池當(dāng)前容量輸出合理的功率，保證滿足照明使用，避免電能浪費(fèi)，大大延長亮燈時(shí)間。工作原理如下在電池能量比較充足時(shí)，本實(shí)用新型工作在用戶配置模式控制器提供16段(每小時(shí)為一個(gè)間隔段)輸出控制，在一個(gè)亮燈周期內(nèi)，可以安小時(shí)為單位定制輸出。這樣在不同的應(yīng)用環(huán)境都能配制出最合理、最細(xì)致的輸出應(yīng)用曲線來保證亮燈。例如晚上19點(diǎn)開始亮燈，共亮燈12小時(shí)在電池能量充足時(shí)的開始4小時(shí)可以全功率輸出；繼后2小時(shí)可以半功率輸出；再繼后2小時(shí)1/4功率輸出；接近黎明時(shí)，如果此路段車流量、人流量大可以全功率輸出，如果車流量、人流量少則可以配成1/8功率輸出。因此，每天使用的能量會(huì)大大降低；在電池能量下降到一定程度下，配置的輸出功率按照一定的百分比(可設(shè))自動(dòng)降低輸出；如果電池剩余電量相對比較少時(shí)，控制器自動(dòng)把控制模式改成電量控制跟蹤模式根據(jù)當(dāng)前電池電量，把剩余電量分成4段，每個(gè)階段的電量使用量可設(shè)，配置為低能量輸出，并且保持一定的光照度。緩慢使用能量，達(dá)到較長的使用時(shí)間，保持亮燈。這是因?yàn)閷τ贚ED燈照明來說，即使只有5W左右功率輸出，也能對道路產(chǎn)生照明效果，因此亮燈和不亮燈是完全不同的效果。以上所述各器件均為市售商品，圖3、圖4中使用的主要器件的商品型號(hào)可參見下表主要器件表
權(quán)利要求1. 一種永不滅燈的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器，其特征在于包括太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、 單向開關(guān)、MPPT功率轉(zhuǎn)換部件、電池、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器、路燈燈頭、控制處理器、PWM無級軟卸荷剎車、計(jì)算機(jī)以及顯示操作器；所述太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別通過單向開關(guān)以及MPPT功率轉(zhuǎn)換部件與電池連接；所述電池通過無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器連接路燈燈頭；所述MPPT功率轉(zhuǎn)換部件、電池、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)以及顯示操作器分別與控制處理器連接；所述控制處理器通過PWM無級軟卸荷剎車連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在線路的單向開關(guān)和MPPT功率轉(zhuǎn)換部件之間的線路上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種永不滅燈的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器，太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別通過單向開關(guān)以及MPPT功率轉(zhuǎn)換部件與電池連接，電池通過無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器連接路燈燈頭，MPPT功率轉(zhuǎn)換部件、電池、無級功率調(diào)整驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)以及顯示操作器分別與控制處理器連接，控制處理器通過PWM無級軟卸荷剎車連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在線路的單向開關(guān)和MPPT功率轉(zhuǎn)換部件之間的線路上。本實(shí)用新型能夠提高太陽能發(fā)電和風(fēng)機(jī)發(fā)電的能量利用率，并可實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速發(fā)電；可改善能量分配管理模式，達(dá)到接近永不滅燈的效果；采用修復(fù)電池充電模式，大大提高電池壽命。
文檔編號(hào)H05B37/02GK202077224SQ20112008094
公開日2011年12月14日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者謝治峰 申請人:無錫曼克斯電子科技有限公司