太阳能控制系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器和负载组成。

太阳能控制器是用来控制光伏板给蓄电池充电，并且为电压灵敏设备提供负载控制电压的装置。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个光伏供电系统的核心控制部分。它是专为偏远地区的通信或监控设备的供电系统而设计的。控制器的充电控制和负载控制电压完全可调，并可显示蓄电池电压、负载电压、太阳能方阵电压、充电电流和负载电流。

利用蓄电池供电的几乎所有的太阳能发电系统，都极其需要一个太阳能充放电控制器。太阳能充放电控制器的作用在于调节功率，从太阳能电池板输送到蓄电池的功率。蓄电池过冲，至少很显著地降低电池寿命,从最坏的是损坏蓄电池直至它不能够正常使用为止。

太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。

太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、600V 。

目前控制器向多功能发展，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。

作用

太阳能充放电控制器最基本功能在于控制电池电压并打开了电路，还有就是，当电池电压升到一定程度时，停止蓄电池充电。旧版的控制器机械地来完成控制电路的开启或关闭,停止或启动电源输送到蓄电池的功率。

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。过充可能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效。过充过放均有可能损害负载。所以控制器是光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统BOS(Balance of System)的主要部分。 简单来说，太阳能控制器的作用可以分为：

1、功率调节功能;

2、通信功能：

1简单指示功能

2协议通讯功能如RS485以太网,无线等形式的后台管理;

3、完善的保护功能：电气保护反接,短路,过流等。

原理

太阳能电池板属于光伏设备(主要部分为半导体材料)，它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护，同时采用我公司独有的控制技术“自适应三阶段充电模式(图1)”，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：一是为了稳定放电电流;二是为了保证蓄电池不被过放电;三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。

若要使用交流用电设备，还需要在负载前加入逆变器逆变为交流。

主要特点

1、使用了单片机和专用软件，实现了智能控制;

2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压;

3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制;以上保护均不损坏任何部件，不烧保险;

4、采用了串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%，增加了用电时间;过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命;同时具有高精度温度补偿;

5、直观的LED发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况;

6、所有控制全部采用工业级芯片(仅对带I工业级控制器)，能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确;

7、取消了电位器调整控制设定点，而利用了E方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素;

8、使用了数字LED显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，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可选项。

模式

1、纯光控模式：当没有阳光时，光强降至启动点，控制器延时10分钟确认启动信号后，根据设置参数开通负载，负载开始工作;当有阳光时，光强升到启动点，控制器延时10分钟确认关闭信号后关闭输出，负载停止工作。

2、光控加时控模式：启动过程与纯光控相同，当负载工作到设定时间就自动关闭，设置时间1 ～ 14小时。

3、手动模式：该模式下用户可以通过按键控制负载的打开与关闭，而不管是否在白天或是晚上。此模式用于一些特殊负载的场合或是调试时使用。

4、调试模式：用于系统调试时使用，有光信号时即关闭负载，无光信号开通负载，方便安装调试时检查系统安装的正确性。

5、常开模式：上电负载一直保持输出状态，此模式适合需要24小时供电的负载。

分类

市场上流行的太阳能控制器，主要有普通太阳能控制器、PWM太阳能控制器和MPPT太阳能控制器。

普通太阳能控制器是第一代技术，工作原理是直接把太阳能电池板的输出挂到电池端口，当蓄电池充足后就断开，因为蓄电池内阻的原因，很难把蓄电池充满，而且太阳能电池板没有完全利用起来，充电转换效率为只有70～76%，已经被市场淘汰，基本上很少有人用。

PWM太阳能控制器是第二代技术，现在市场上最多，工作方式是采用PWM控制方式，相对于普通太阳能控制器，已经进步了很多，可以解决电池不满的问题，充电转换效率为75～80%，但太阳能电池板没有完全利用起来。

MPPT太阳能控制器是第三代技术，最高端的太阳能控制器。MPPT太阳能控制器,是指具备“最大功率点跟踪”(MaximumPowerPointTracking)功能的太阳能控制器，是PWM太阳能控制器的升级换代产品，MPPT太阳能控制器能够实时检测太阳能板电压和电流，并不断追踪最大功率(P=U*I)，使系统始终以最大功率对蓄电池进行充电，MPPT跟踪效率为99%，整个系统发电效率高达到97%，并且对电池拥有优秀的管理，分为MPPT充电、恒压均充电和恒压浮充电。随着技术的进步和能源的节约，MPPT太阳能控制器取代传统PWM太阳能控制器的趋势是不可逆转的。[6]

功能

新型太阳能控制器具有以下主要功能：

1、过充保护：充电电压高于保护电压时，自动关断对蓄电池充电，此后当电压掉至维持电压时，蓄电池进入浮充状态，当低于恢复电压后浮充关闭，进入均充状态。

2、过放保护：当蓄电池电压低于保护电压时，控制器自动关闭输出以保护蓄电池不受损坏;当蓄电池再次充电后，又能自动恢复供电。

3、负载过流及短路保护:负载电流超过10A或负载短路后,熔断丝熔断，更换后可继续使用。

4、过压保护：当电压过高时，自动关闭输出，保护电器不受损坏。

5、具有防反充功能：采用肖特基二极管防止蓄电池向太阳能电池充电。

6、具有防雷击功能：当出现雷击的时候，压敏电阻可以防止雷击，保护控制器不受损坏。

7、太阳能电池反接保护：太阳能电池“ +”“ -” 极性接反,纠正后可继续使用。

8、蓄电池反接保护：蓄电池“ +”“ -” 极性接反，熔断丝熔断，更换后可继续使用

9、蓄电池开路保护：万一蓄电池开路，若在太阳能电池正常充电时，控制器将限制负载两端电压，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。

10、具有温度补偿功能。

11、自检：当控制器受到自然因数影响或人为操作不当时，可以让控制器自检，让人知道控制器是否完好，减少了很多不必须要的工时，为赢得工程质量和工期创造条件。

12、恢复间隔：是为过充或过放保护所做的恢复间隔，以避免线电阻或电池的自恢复特点造成负载的工作斗动。

13、温度补偿：监视电池的温度，对充放值进很修正，让电池工作在理想状态。

14、光控：多用于自动灯具，当环境足够亮时，控制器就会自动关闭负载输出;而环境暗下来后又会自动开启负载，以实现自动控制的功能。

安装及注意事项

1、打开包装，将其固定于合适位置(请避免阳光直射与潮湿地方)。

2、先连接电池引线(为使自动识别功能不发生错误)，并等控制器完成识别过程(电平指示器打指示出电池的电量后)再连太阳能电池板引线，最后在负载关断的情况下连接负载线。

3、为了使用安全，不使过大的负载或将太阳能电池板加得过大;用电源机一类的电源代替太阳能电池对电池充电。

4、充电时，拆下太阳能电池板，充电电流不能太大。

4、注意电池的正负极。

面对地球生态环境日益恶化、资源日益短缺的现实，当今世界各国政府采取了很多政策和措施，大力扶持和发展节能环保产业。太阳能LED 路灯是太阳能开发利用和照明领域节能技术的综合应用，具有环保节能的双重优势。据统计，照明消耗约占整个电力消耗的20% 左右，降低照明用电是节省能源的重要途径。太阳能具有清洁环保和可再生的特点，而LED 照明是当前世界上最先进的照明技术，是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，具有结构简单、效率高、重量轻、安全性能好、无污染、免维护和寿命长、可控性能强等特征，被认为是照明领域节电降能耗的最佳实现途径。有统计数据显示，仅LED 路灯节能一项，每年就能为中国节省约一座三峡大坝所发的电力。正是由于LED 照明灯具所具有的节能、环保优势，近年来，其全球产值年增长率保持在20% 以上，中国也先后启动了绿色照明工程、半导体照明工程、“十城万盏”计划等推进该产业发展。

本文设计的太阳能LED 路灯控制器，先对太阳能电池输出和蓄电池电量等参数进行检测确定系统工作状态，利用最大功率点跟踪MPPT 算法实现电能的最大化收集，在电能的储备完成后，利用PWM 技术调节LED 的亮度以进一步节能，从而实现了整个系统的自动控制和智能能量管理，更有利于太阳能路灯的应用推广。

1 太阳能LED 路灯系统简介

1.1 太阳能LED 路灯系统的组成

太阳能路灯系统由以下几个部分组成：太阳能电池板、LED 灯具(含LED光源、灯杆及灯具外壳)、控制器、蓄电池组，如图1 所示。

1.2 太阳能LED 路灯系统的基本原理

利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池板白天接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中;夜晚当照度逐渐降低，充放电控制器检测到这一变化，蓄电池开始对LED 路灯放电。蓄电池放电约10 h后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。

根据海南三亚的日照特征和城市道路照明设计标准[5]，本系统选用组件参数如下：LED 路灯1 组(32 W，24 V，1.4 A;LED 1 W 光源;4 组并联，每组8 个串联);太阳能电池板2 块( 每组额定输出电压18 V，工作电流为5.6 A，开路电压为21. 2 V，短路电流为6.1 A，峰值功率为80 W);蓄电池( 12 V，200 Ah;过充电压14.8 V，浮充电压12.3 V，过放电压10.8 V) 。

2 硬件设计

虽然太阳能LED 路灯控制器在整个系统中是价值最小的部份，但是它却是整个系统的核心控制部分。一个设计先进的控制器，除了完成最基本的充放电控制功能外，还能控制太阳能电池方阵尽可能吸收太阳能，提高效率;能防止蓄电池过充电及深度放电，延长蓄电池的使用寿命;能根据环境，调节LED 光源的亮度，特别是在后半夜还能实现半功率点亮负载，从而尽可能节能等。由于光伏电池板的输出电力有很大的不确定因素、蓄电池的充放电特性非线性，另外两者受环境影响较大，因此设计一个性能良好的充电放电控制器对系统性能有很大影响。本文是对控制器设计的一个有益的探索。

本文设计的控制器是采用STC12C5410AD 单片机作为主控器件，该器件内置4 路PWM 通道，8路10 位ADC 通道，工作频率高达35 MHz，指令兼容51 单片机但速度快8～12 倍，非常适合本设计要求。 由于两组太阳能电池采用串联连接，输出电压为36 V，蓄电池电压为12 V，LED 路灯工作电压为24 V，因此充电电路采用DC /DC 降压变换电路( Buck)，放电电路采用DC /DC 升压变换电路( Boost)，通过软件实现充放电的控制策略，从而最终达到提高效率、节能的目的。本文重点论述充放电电路及其控制策略。

2.1 充电电路及控制策略

充电电路由电感L1、功率MOSFET 管T1和续流二极管D2构成降压型Buck 电路，如图3 所示。通过改变加在MOSFET 控制栅极的脉冲宽度(脉冲宽度调制Pulse Width Modulation，PWM)就可以改变太阳能电池板的输出电压。通过检测太阳能电池板的输出电压和电流、蓄电池的电压和电流，判断蓄电池的电荷状态，选择合适的充电方式为蓄电池优化充电。当蓄电池电压超过一定电压后，关断T1，防止蓄电池过充电。当系统检测到环境光线充足，控制器就会进入充电模式。

然而，充电的效率与充电电源(太阳能电池) 、负载(蓄电池) 以及环境的特性是紧密相关的。太阳能电池的输出功率是日照强度和周围环境温度的非线性函数[1]，如图4 所示。也就是说，当日照强度增强时，最大输出功率相应增大;当温度增加时，输出功率降低;但一定条件下，总存在一个最大输出功率点。当忽略温度效应时，不同光照条件的输出特性与负载曲线L 的交点A，B，C，D，E(工作点)显然不都是最大功率点，若采用直接匹配必然带来输出功率的损失。

采用最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Track)的控制策略就可以将采集到的太阳能尽可能转化为电能，储存到蓄电池组中。MPPT 控制策略主要有干扰观测法、导纳增加法和固定参数法等算法。这里采用干扰观测法[1]，其思想：控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏电池的输出电压或电流——“干扰”，改变的方向可以增加或减小;比较前后光伏电池的输出功率，如果输出功率增加，就按照上一周期的方向继续干扰过程;如果输出功率减小，则改变干扰的方向，最终在最大功率点往复达到稳定，此时还可以减小步长以进一步逼近最大功率点。

另外，目前条件下铅酸蓄电池是比较经济实用的蓄电装置。 铅酸蓄电池的容量和寿命是蓄电池的重要参数，受充电方法的影响很大。可接受的理想充电曲线是充电电流随时间按指数规律衰减的曲线[3]，但极化现象却制约了蓄电池的寿命和光伏电池发电系统充电模式。因此需要根据蓄电池充电特性曲线，采用分阶段的充电策略，才可以提高充电的效率和延长蓄电池的寿命。这里蓄电池的充电策略是三阶段充电( 快充、过充和浮充)。

(1) 快充阶段充电电路的输出方式等效为电流源。电流源的输出电流根据蓄电池最大可接受电流来确定。充电过程中，检测蓄电池端电压，当蓄电池端电压上升到转换门限值后，充电电路转到过充阶段。固定输出电流，采用MPPT 算法控制输出电压。

(2) 过充阶段充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转到浮充阶段。

(3) 浮充阶段蓄电池组充满电后，保持电量的最好方法就是给蓄电池提供一个精确的、具有温度补偿功能的浮充电压。

2.2 放电电路及控制策略

放电电路的负载是大功率LED 路灯，它是由1 W及以上的高亮度LED 按一定的拓扑连接而成的绿色光源。大功率LED 路灯的发光强度是和流过的电流成正比。由于大功率LED 的电流、电压参数具有典型的PN 结伏安特性，其正向压降的微小变化会引起较大的正向电流变化。不稳定的工作电流会影响LED 的寿命和光衰，所以大功率LED 的驱动电路必须提供恒定的电流[2 - 3]。其控制电路主要采用DC /DC 升压驱动电路(Boost)，控制策略采用脉冲宽度调制(PWM)，Boost 充电电路如图5 所示。

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电感L2、功率MOSFET 管Q2和D3构成升压型DC /DC 转换器，通过单片机控制输出PWM2，获得一个稳定的输出电压;通过PWM3和PWM4 通道进行2 路LED 照明的恒流控制，完全关断这2 路负载还可以用作半功率点控制;R7和R10提供LED 照明驱动电路的电流反馈采样;其它时控功能、温度补偿电路和蓄电池的过放保护电路在此就不详细讨论。

3软件设计

软件设计主要协助硬件电路完成控制器的控制策略，由主程序和充电、放电等子程序组成，如图6 ～ 9 所示。充电子程序根据蓄电池的电压和电流完成3 个阶段充电转换，其中快充阶段采用MPPT 算法，以尽可能提高光伏电池的输出功率。放电子程序通过PWM 技术调节负载电流，在后半夜可以完全切断负载，实现半功率点亮负载。

太阳能LED 路灯照明系统是太阳能开发利用与新一代绿色光源LED 的完美结合。经过多次软硬件的综合调试，本文以STC12C5410AD 单片机为核心设计的智能控制器，整体实现了三段式充电控制功能，并能有效防止蓄电池过充;同时还能实现定时和半功率点切断负载，在蓄电池电压小于过放电压也将切断负载，从而蓄电池过放保护。 该系统在能源利用率和工作可靠性方面有一定的实用价值，考虑到三亚地区的风力资源也较丰富，下一步的研究方向将是充分利用太阳能和风能的互补性，保证全年无间断亮灯，从而向真正实现零污染、零排放、绿色的照明系统迈进一步。

从事太阳能行业多年，认识了很多朋友，很多公司都是从传统的市电路灯或者其他领域转到太阳能行业，一些朋友在施工过程中以及在使用过程中出现过很多问题，主要还是对太阳能路灯的配置组合以及相关辅件应用掌握的不够。

首先就控制器的问题进行探讨，控制器在整个太阳能路灯系统中，所占成本比很低，一般在120元-200元左右，虽然看上去是个不起眼的小物件，但却承担着很大的作用，如果选择不好则会让整个系统的稳定性和使用寿命大打折扣，而一款相对成熟的控制器还可以通过功能来实现降低整个系统的造价，达到节约成本的目的。

下面我们将常规控制器与工业版控制器的部分主要性能做一个简单的对比：

针对以上功能的对照，以下做一些分析

一：退出保护电压

一些客户经常发现，太阳能路灯在亮了一段时间后，尤其是连续阴雨天之后，路灯就会连续几天甚至很多天不亮，检测蓄电池电压也正常，控制器、灯也都没有故障。

这个问题曾经让很多工程师疑惑，其实这个是“退出欠压保护”的电压值的问题，这个值设置的越高，在欠压后的恢复时间越长，也就造成了很多天都无法亮灯。

就这个问题，工业版控制器让每个客户可以根据配置来设定退出保护的电压值。但值得注意的是电池板的配置一定要合理，如果电池板每天的充电量不能满足当夜的放电量，长此以往，蓄电池经常处于深度放电，寿命则大大缩短，所以电池板的配置一定要放大余量，电池板的配置越大，退出保护的电压就可以设的越低，这样不会造成对蓄电池的影响。

二：LED灯恒电流输出

LED由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流或限流，否则无法正常使用。常见的LED灯都是通过另加一个驱动电源来实现对LED灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯总功率的10%-20%左右，比如一个理论值42W的LED灯，加上驱动后实际功率可能在46-50W左右。在计算电池板功率和蓄电池容量的时候，必须多加10%-20%来满足驱动所造成的功耗。除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了整体功耗。

三：输出时段

普通的控制器一般只能设置开灯后4小时或者8小时等若干个小时关闭，已经无法满足众多客户的需求。工业版控制器可以分成3个时段，每个时段的时间可任意设置，根据使用环境的不同，每个时段可以设置成关闭状态。比如有些厂区或者风景区夜间无人，可以把第二个时段(深夜)关闭，或者第二、第三个时段都关闭，降低使用成本。

四：LED灯输出功率调节

在太阳能应用的灯具当中，LED灯是最适合通过脉宽调节来实现输出不同的功率。限制脉宽或者限制电流的同时，对LED灯整个输出的占空比进行调节，例如单颗1W的LED 7串5并合计35W的LED灯，在夜间放电，可以将深夜和凌晨的时段分别进行功率调节，如深夜调节成15W、凌晨调节成25W，并锁定电流，这样即可以满足整夜的照明，又节约了电池板、蓄电池的配置成本。经长期试验证明，脉宽调节方式的LED灯，整灯产生的热量要小的多，能够延长LED的使用寿命。

有些灯厂在为了达到夜间省电的目的，把LED灯的内部做成2路电源，夜间关闭一路电源来实现输出功率的减半，但实践证明，此种方法只会导致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源提早损坏。

五：线损补偿

线损补偿功能目前常规的控制器很难做到，因为需要软件设置，根据不同的线径与线长给予自动补偿。线损补偿在低压系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际应用率被打了折扣。值得注意的是，我们在使用低压系统时，为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过长。

六：散热

很多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良好的散热装置应该是控制器必不可少的。

七：MCT充电模式

常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。MCT充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充。

经过多年的不断升级，我们把这款工业极的控制器做了多处优化，目前该款已被众多客户使用，口口相传，很多客户都是通过其他客户的义务宣传而认识了我们，在此表示感谢，我们会继续努力，不断推出更好的产品，满足更多客户的需求。