专利名称：永不灭灯的风光互补路灯控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于风光互补路灯领域，具体涉及一种用于实现永不灭灯的风光互补路灯的控制器。
背景技术：
目前新能源已经应用到路灯照明中，风光互补路灯就是其典型应用。风光互补路灯主要由太阳能电池、风力发电机、灯头、控制器、蓄电池等组成，其中控制器是整个路灯控制的核心部件。目前市面上的控制器品种繁多，其主要控制结构如图1所示太阳能电池板输出直流电，并通过单向开关简单的直接对电池充电，单向开关主要用来防止电池对太阳能电池板反充电；风力发电机输出的交流电通过三相整流桥整流成直流电，然后通过单向开关直接对电池充电。当晚上来临时，调节器自动打开电子开关，使路灯灯头得到电，开始照明。工作过程中，如果电池充满，或者风力发电机输出功率比较大时，调节器控制卸荷刹车开关，使风力发电机能量卸荷释放，不再对电池充电，也保护风力发电机的安全运行。调节器一般有拨码开关，用来设置路灯亮灯的时间；当电池能量不足时，调节器自动关闭路灯输出ο现有的控制器能够满足风光资源充足地区的使用要求，但其缺点是在风光资源较差的地方，会出现由于能量不足而灭灯的问题。在普遍是阴雨、无风的状态下，只能维持3 天时间的正常使用。一方面路灯一直满功率运行，在人流比较少的时间段浪费能源；另一方面太阳能、风能发出的能量没有被电池充分的吸收。低风速时，风力发电机输出的电压比电池低，充不进电，即使有部分充电，工作效率也比较低。电池板采用直接对电池充电的方式， 对电能的利用率比较低，不能工作在最佳充电状态下。
实用新型内容针对上述问题，申请人进行了改进研究，提供一种能够提高能量利用率，改善能量分配管理模式，提高电池寿命的永不灭灯的风光互补路灯控制器。本实用新型的技术方案如下—种永不灭灯的风光互补路灯控制器，包括太阳能电池、风力发电机、单向开关、 MPPT功率转换部件、电池、无级功率调整驱动器、路灯灯头、控制处理器、PWM无级软卸荷刹车、计算机以及显示操作器；所述太阳能电池和风力发电机分别通过单向开关以及MPPT功率转换部件与电池连接；所述电池通过无级功率调整驱动器连接路灯灯头；所述MPPT功率转换部件、电池、无级功率调整驱动器、计算机以及显示操作器分别与控制处理器连接；所述控制处理器通过PWM无级软卸荷刹车连接到风力发电机所在线路的单向开关和MPPT功率转换部件之间的线路上。本实用新型的有益技术效果是本实用新型成功的把高性能的MPPT最大功率点跟踪方法、无级功率调节输出运用到路灯控制器中去，革命性的提高路灯控制器的性能，促进新能源在路灯上的推广应用。 主要优点有(一)提高太阳能发电的能量利用率109Γ15% ； (二)提高风机发电的能量利用率109Γ20%，并可低风速发电；(三)采用修复电池充电模式，大大提高电池寿命。(四)采用能量管理模式分配能量使用，接近永不灭灯效果；(五)采用计算机管理平台，快速定制应用。
图1是现有风光互补路灯控制器的方框图。图2是本实用新型的方框图。图3是太阳能最大功率点跟踪、无级软卸荷刹车、电池修复的电路原理图。图4是无级功率调整驱动器的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
做进一步说明。图2示出了本实用新型的结构方框图。如图2所示，本实用新型包括太阳能电池、 风力发电机、单向开关、MPPT功率转换部件、电池、无级功率调整驱动器、路灯灯头、控制处理器、PWM无级软卸荷刹车、计算机以及显示操作器。太阳能电池和风力发电机分别通过单向开关以及MPPT功率转换部件与电池连接。单向开关主要用来防止电池对太阳能电池和风力发电机反充电。MPPT功率转换部件用于实现最大功率点跟踪(下面的文字中将详细说明)。电池通过无级功率调整驱动器连接路灯灯头。无级功率调整驱动器可以代替路灯灯头内部的恒流源使用，并且提供更多可以控制的管理方法。MPPT功率转换部件、电池、无级功率调整驱动器、计算机以及显示操作器分别与32位控制处理器连接。本实施例中控制处理器采用32位ARM处理器芯片，低功耗，可实现高速处理信息。计算机通过内部软件管理平台配置参数，显示操作器用于快速合理的配置参数，定制不同的应用。32位控制处理器通过PWM无级软卸荷刹车连接到风力发电机所在线路的单向开关和MPPT功率转换部件之间的线路上。PWM无级软卸荷刹车的主要作用是保护电池。本实用新型的电信号控制及工作过程如下1、太阳能MPPT (最大功率点跟踪)的原理及工作分析如图3所示，太阳能电池板输出的直流电通过整流桥D8，然后通过MPPT功率转换部件(由MOS管Q4、二极管D10、电感L2组成)，做最优功率转化后对电池充电。MPPT就是最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking)的缩写，通过一个PWM开关电路实现太阳能的最佳功率输出点的跟踪。由MOS管Q4、二极管D10、电感L2组成的MPPT功率转换部件，是一个BUCK转换电路，控制处理器输出PWM脉冲波来控制MOS管Q4高频开关动作。采集当前太阳能输入电压、 输入电流作为工作参数，通过计算公式P=U*I (P—功率，I一电流，U—电压)进行内部计算得到当前输出功率P。如果当前输出的功率比上一次输出的功率小，则PWM脉冲调制占空比减少；如果当前输出的功率比上一次输出的功率大，则PWM脉冲调制占空比增加。通过此搜索方法，动态的寻找到当前工作条件下的最大功率输出点，自动微调PWM占空比，保持太阳能充电有最大功率输出。通过此电路结构做功率跟踪，可以比普通控制器多采集109Γ15% 的能量充电。[0020]2、风能MPPT (最大功率点跟踪)的原理及工作分析如图3所示，风力发电机输出的交流电通过整流桥D4、二极管Q1、电解电容C13整流滤波成一直流电；然后通过电感Li、MOS管Q3、二极管D5、电解电容C15组成的BOOST转换电路，实现最大功率点跟踪功能。BOOST转换电路具有功率因数校正，电压提升的功能。 其一方面保证风机发出的电能以高功率因数对电池充电；另一方面保证风机即使在低风速下，通过升压功能，仍能对电池充电。中央处理器输出PWM脉冲波来控制MOS管Q3高频开关动作。采集当前风机整流后的输入直流电压、输入电流作为工作参数，通过计算公式Ρ=υ*Ι (P—功率，I一电流，U— 电压)进行内部计算得到当前输出功率P。如果当前输出的功率比上一次输出的功率小，则 PWM脉冲调制占空比减少；如果当前输出的功率比上一次输出的功率大，则PWM脉冲调制占空比增加。通过此搜索方法，动态的寻找到当前工作条件下的最大功率输出点，自动微调 PWM占空比，保持风能充电有最大功率输出。通过此电路结构做功率跟踪，在风机转速比较低、输出电压比较低的情况下，通过动态调整风机输出负载，优先保证风机不会在带载下停转，并且也能对电池充电。其原理是根据风机当前输出电压，判断当前转速，采用动态调整 PWM占空比的办法，间隔对电池充电。当检测到电压减少到一个限制值时，断开充电，保持风机接近空载运转，风机由于负载比较小，风能会慢慢的提高风机转速，相当于风能能量累积转化为机械能；当到一定能量时，自动控制BOOST电路工作，再次吸收功率对电池充电，周而复始。此电路结构可以采集微弱的风机能量，利用低风速下的发电输出，可以比普通控制器多采集10% 20%的能量充电。3、无级功率调整驱动器的原理及工作分析无级功率调整驱动器是一个可控的恒功率/恒电流/恒电压输出的电路结构，可以代替LED灯内部的恒流源使用，并且提供更多可以控制的管理方法。无级功率调整驱动器的实现电路如图4所示，其主要由电源芯片U10、电平转换电路、BOOST-BUCK电路以及调控电路组成。电源芯片U10、电阻R42、电阻R73、电阻R88、电阻R44、电容C23、电容C37等器件组成PWM电源控制电路。由电源芯片UlO发出调节后的PWM脉冲波，通过由三极管Q16， 三极管Q17、三极管Q18、三极管Q20、三极管Q19等器件组成的电平转换电路，然后驱动由 MOS管Q6、电感L3、二极管D6组成的BOOST-BUCK电路生成可控的电压输出。由运算放大器TOA、运算放大器U6B组成压控的调节电路，由控制处理器控制电压的输出，控制处理器采集输出的电压、电流信息，根据配置的要求，输出一直流电到压控电路，控制输出值，达到输出完全可控的效果。此无级功率调整驱动器可以输出电压、电流、功率作为参考点，控制器根据设置的指令要求自动生成需要的输出源。电压输出时输出范围为(T45V;电流输出时输出范围为 (Γ3Α;功率输出时，输出范围为(T120W。通过此无级功率调整驱动器，带不同输出的路灯负载都能适用，并且输出可控。4、PWM无级软卸荷刹车的原理及工作分析如图3所示，由MOS管Q2、控制处理器等器件组成的卸荷刹车电路，是一个PWM斩波电路。当电池充满或者风机过风速运行等异常状态时，由控制处理器发出高频PWM，驱动 MOS管Q2工作，一方面可以降低风机转速，另一方面可以在电池充满时，维持一个比较小的电流继续对电池充电，达到保护电池的目的。PWM的输出是缓慢变化的，相当于缓慢的给风机一个由小到大的负载，风机转速就会缓慢的降下来，不会造成风机转速骤降而损坏风机机械部件的情况。5、电池修复功能的原理及工作分析电池是一个寿命短、损耗大的设备，不合理的充电方式会使电池加速老化，产生极化、电极反转等问题。如图3所示，本控制器由MOS管Q3、M0S管Q4、二极管D5、二极管DlO 等器件组成脉冲充电器件。首先通过脉冲充电模式对电池充电，太阳能、风能发出的电都转化为高频脉冲电流，脉冲充电方式可以激活电池活性成分，并且充电电流可以控制。电池快充满时，则采用涓流充电模式，维持电池正常的电能损耗。6、能源管理模式的原理及工作分析本实用新型由于采用可控的输出驱动器驱动工作负载，所以提供了独特的能源管理控制方法。在风光互补路灯上应用可以达到接近“永不灭灯”的效果。风光互补路灯一般情况下晚上会工作6 12小时，一方面如果在亮灯时间内的不同时间段都是满功率输出，则将大大降低使用时间。如果在行人少、深夜等时间段减低功率运行，则可以延长工作时间。另一方面，当电池剩余能量在不同阶段时，如果都是全功率运行，也会缩短亮灯工作时间。本实用新型可以自动根据电池当前容量输出合理的功率，保证满足照明使用，避免电能浪费，大大延长亮灯时间。工作原理如下在电池能量比较充足时，本实用新型工作在用户配置模式控制器提供16段(每小时为一个间隔段)输出控制，在一个亮灯周期内，可以安小时为单位定制输出。这样在不同的应用环境都能配制出最合理、最细致的输出应用曲线来保证亮灯。例如晚上19点开始亮灯，共亮灯12小时在电池能量充足时的开始4小时可以全功率输出；继后2小时可以半功率输出；再继后2小时1/4功率输出；接近黎明时，如果此路段车流量、人流量大可以全功率输出，如果车流量、人流量少则可以配成1/8功率输出。因此，每天使用的能量会大大降低；在电池能量下降到一定程度下，配置的输出功率按照一定的百分比(可设)自动降低输出；如果电池剩余电量相对比较少时，控制器自动把控制模式改成电量控制跟踪模式根据当前电池电量，把剩余电量分成4段，每个阶段的电量使用量可设，配置为低能量输出，并且保持一定的光照度。缓慢使用能量，达到较长的使用时间，保持亮灯。这是因为对于LED灯照明来说，即使只有5W左右功率输出，也能对道路产生照明效果，因此亮灯和不亮灯是完全不同的效果。以上所述各器件均为市售商品，图3、图4中使用的主要器件的商品型号可参见下表主要器件表
权利要求1. 一种永不灭灯的风光互补路灯控制器，其特征在于包括太阳能电池、风力发电机、 单向开关、MPPT功率转换部件、电池、无级功率调整驱动器、路灯灯头、控制处理器、PWM无级软卸荷刹车、计算机以及显示操作器；所述太阳能电池和风力发电机分别通过单向开关以及MPPT功率转换部件与电池连接；所述电池通过无级功率调整驱动器连接路灯灯头；所述MPPT功率转换部件、电池、无级功率调整驱动器、计算机以及显示操作器分别与控制处理器连接；所述控制处理器通过PWM无级软卸荷刹车连接到风力发电机所在线路的单向开关和MPPT功率转换部件之间的线路上。
专利摘要本实用新型涉及一种永不灭灯的风光互补路灯控制器，太阳能电池和风力发电机分别通过单向开关以及MPPT功率转换部件与电池连接，电池通过无级功率调整驱动器连接路灯灯头，MPPT功率转换部件、电池、无级功率调整驱动器、计算机以及显示操作器分别与控制处理器连接，控制处理器通过PWM无级软卸荷刹车连接到风力发电机所在线路的单向开关和MPPT功率转换部件之间的线路上。本实用新型能够提高太阳能发电和风机发电的能量利用率，并可实现低风速发电；可改善能量分配管理模式，达到接近永不灭灯的效果；采用修复电池充电模式，大大提高电池寿命。
文档编号H05B37/02GK202077224SQ20112008094
公开日2011年12月14日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者谢治峰 申请人:无锡曼克斯电子科技有限公司