一种锂电型太阳能LED路灯的控制系统及方法与流程

本发明涉及一种路灯照明控制系统，具体地说是一种太阳能发电、锂电池储能的LED路灯智能控制系统及其控制方法。
背景技术：
：路灯是最常见的城市公共照明基础设施，也是城市的耗电大户，为了响应国家提倡的节能减排及低碳生活的号召，新修道路上多采用太阳能路灯，并结合太阳能蓄电池存储电能，蓄电池对路灯进行独立供电。选用蓄电池通常要求电池具有循环充电次数多、容量高且寿命长等特点。但出于路灯成本价格的考量，多数太阳能路灯的专用蓄电池采用常规的价格较低的铅酸电池，而其使用寿命较短，长期使用时较难以满足太阳能路灯的使用性能，因此太阳能路灯由铅酸电池储能型逐步向锂电储能型过渡。与铅酸电池相比，锂电池具有高效率、高容量、长使用寿命及体积小等特点，可大大提高太阳能路灯的使用效果。然而现有使用锂电池供电的太阳能路灯多为统一开启和关闭，没有考虑到使用路段、时间、气候、人流密度等诸多方面因素的影响，尤其是在深夜，人流和车流明显稀少的情况下，太阳能路灯仍正常开启，这就造成了相当一部分电能资源的浪费。目前的LED路灯控制系统比较简单，有些是整夜亮，有些是仅提供亮一定时间后关灯，以图省电。这些控制系统的控制方法不够人性化，同时把灯完全关断，道路黑暗，对道路安全更是不利。因此，有必要开发一种锂电型太阳能路灯的智能控制系统来综合考虑上述的多个因素对路灯照明进行智能控制，从而实现能源的高效合理使用，对环境保护和资源的节约起到良好的促进作用。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种成本低、使用寿命长且智能化亮灯控制的锂电型太阳能LED路灯的控制系统及其亮灯控制方法，可有效实现能源的高效合理利用，做到既能满足用户的照明需求，又能最大限度的节约电能，满足市场需求。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种锂电型太阳能LED路灯的控制系统，包括太阳能电池板、供电锂电池组件、可调光LED灯、恒流调光器和智能控制器，所述太阳能电池板、供电锂电池组件和恒流调光器与智能控制器相连，所述可调光LED灯与恒流调光器相连；所述智能控制器包括控制主板、电池板管理模块、锂电池管理模块和LED照明驱动模块，所述电池板管理模块、锂电池管理模块和LED驱动照明模块均与控制主板相连；所述供电锂电池组件包括锂电池组、电池保护板、恒温控制板和发热板，所述锂电池组、恒温控制板和发热板均与电池保护板相连接，所述电池保护板与智能控制器相连接。作为本发明的一种改进，所述锂电池管理模块包括电池组智能充放电单元、电池组电压均衡单元、电池组状态监测单元和电流检测单元，所述电池保护板包括过压保护单元、欠压保护单元、充电涓流保护单元、防反接保护单元、过温保护单元、低温保护单元、过放保护单元和过充保护单元，所述电池组电压均衡单元中设有多个电压均衡芯片、分流放电支路电阻和与分流放电支路电阻串联的分流放电支路控制开关器件，所述电池组智能充放电单元中设有具有PWM控制端口的PIC芯片、充电控制开关器件和放电控制开关器件，所述过压保护单元采用TI的二级过压保护芯片，所述电流检测单元中设有电流传感器芯片，所述过温保护单元中设有温度传感器。作为本发明的一种改进，所述锂电池组采用若干节锂电池串联组成，所述分流放电支路控制开关器件采用N沟道MOS管，所述充电控制开关器件采用PNP三极管，所述放电控制开关器件采用Ｎ沟道MOS管；所述电压均衡芯片的型号为S8209A，所述充电控制开关器件连接电压均衡芯片的CO管脚，所述放电控制开关器件连接电压均衡芯片的DO管脚，所述分流放电支路控制开关器件连接电压均衡芯片的CB管脚，所述分流放电支路电阻连接在N沟道MOS管的漏极端。作为本发明的一种改进，所述电池板管理模块包括电池板电压检测单元、温度补偿单元、电池板汇流电流检测单元、实时转换效率检测单元、防雷击保护单元和防反充保护单元，所述电池板电压检测单元采用MOS场效应管和取样电阻构成的电压检测电路，用于判断外部环境的亮度，以确定白天与黑夜；所述LED照明驱动模块包括PWM调光控制单元和升压恒流驱动单元，所述恒流调光器与LED照明驱动模块相连。作为本发明的一种改进，所述恒温控制板包括一组贴片式温度传感器和加热控制电路，所述发热板是一种PTC恒温发热元件，所述贴片式温度传感器设置在恒温控制板上，并与锂电池组相接触，所述PTC恒温发热元件与锂电池组贴附接触并传热，PTC恒温发热元件与恒温控制板通过导线相连接。上述的锂电型太阳能LED路灯控制系统的亮灯控制方法，根据道路的人流量及人们在道路上活动的频率，预设一个或一组控制LED照明的亮灯曲线，智能控制器并根据LED灯亮灯的起始时间或系统时钟、锂电池组电压、电池容量、天气状况、历史用电记录选择某一亮灯曲线，然后按照这一亮灯曲线对LED灯进行智能调整亮度，以适应用户道路需求。作为本发明的一种改进，所述亮灯曲线通过智能控制器根据用户决策表配置产生，所述用户决策表的决策规则为：根据当地人活动频率高低、人流量少时对亮灯要求、用户对灯亮度的接受程度、当地气候、历史阴雨天数以及当地经纬度信息按照亮灯功率和亮灯时间组合和/或亮灯功率和电池剩余电量组合对可调光LED灯的亮灯功率进行分段控制。作为本发明的一种改进，所述亮灯曲线上的同一段亮灯时间或同一段电池剩余容量所对应的亮灯功率为分段曲线或连续曲线。相对于现有技术，本发明的优点如下：整个控制系统的结构设计巧妙，拆卸组装维修更换方便，成本较低，采用本系统的LED路灯可有效利用太阳能、光能为路灯系统提供电能，免除了布线及铺设线缆的难题，大大提高了路灯的安装及使用便利性，同时也有效降低了城市照明用电占整个公共用电的比例，真正实现节能环保且减排的目的。系统中的供电锂电池组件具有过压保护、低温保护、过充及过放保护等安全防护以及电压均衡管理和智能充放电等智能管理，从而延长了锂电池组的使用寿命，在一定程度上可减小太阳能电池板的面积和锂电池组的容量，从而可在节约成本的前提下，尽量满足人们的照明需求。另外，上述控制系统所采用的亮灯控制方法一方面既能提高光的利用率，又保证安全，另一方面既能均分每天锂电池组所收集的电量，又能充分利用太阳能电池板所吸收的光能，在阳光充足的晴天情况下保证LED路灯的整体亮度较亮，将吸收的电量完全放出去，而在阳光不充足的阴雨雪天情况下，降低LED路灯的总体供给电量，在不影响照明效果的前提下确保具有较长的照明时间，从而最大限度的节约电能。附图说明图1为本发明的系统结构示意图。图2为本发明的供电锂电池组件结构示意图。图3为本发明优选实施例的电池组电压均衡单元电路图。图4为本发明优选实施例的过压保护单元电路图。图5为本发明优选实施例的恒温控制板的电路原理图。图中：1-保温层，2-电池保护板，3-锂电池组，4-恒温控制板，5-发热板，6-导热铝板，7-贴片式温度传感器。具体实施方式为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。一种锂电型太阳能LED路灯的控制系统，参见图1-2，包括太阳能电池板、供电锂电池组件、可调光LED灯、恒流调光器和智能控制器，所述太阳能电池板、供电锂电池组件和恒流调光器与智能控制器相连，所述可调光LED灯与恒流调光器相连。所述智能控制器包括控制主板、电池板管理模块、锂电池管理模块和LED照明驱动模块，所述电池板管理模块、锂电池管理模块和LED驱动照明模块均与控制主板相连。所述供电锂电池组件包括锂电池组3、电池保护板2、恒温控制板4和发热板5，所述锂电池组3、恒温控制板4和发热板5均与电池保护板2相连接，所述电池保护板2与智能控制器相连接。另外，所述供电锂电池组件上还设有保温层1，所述电池保护板2设置在保温层1外部，所述锂电池组3、恒温控制板4和发热板5设置在保温层1内部，并在发热板5与锂电池组3之间设有导热铝板6，所述导热铝板6与锂电池组3的多个侧面贴附接触，用于对锂电池组实现大面积接触传热，保证锂电池组在设定的某一温度及以上工作。所述恒温控制板4紧贴锂电池组3的表面，并远离导热铝板6（即恒温控制板4紧贴在锂电池组3上的未设置导热铝板6的面上），使得保温层内部温度维持在8℃左右，由于导热铝板6的温度非常不稳定，因此为了确保恒温控制板4的感温稳定性，需要将恒温控制板4远离导热铝板6，以避免导热铝板6对恒温控制板4的影响。所述发热板5贴附在导热铝板6的表面，用于向导热铝板6传导热量。所述锂电池管理模块包括电池组智能充放电单元、电池组电压均衡单元、电池组状态监测单元和电流检测单元，所述电池保护板包括过压保护单元、欠压保护单元、充电涓流保护单元、防反接保护单元、过温保护单元、低温保护单元、过放保护单元和过充保护单元，所述电池组电压均衡单元中设有多个电压均衡芯片、分流放电支路电阻和与分流放电支路电阻串联的分流放电支路控制开关器件，所述电池组智能充放电单元中设有具有PWM控制端口的PIC芯片、充电控制开关器件和放电控制开关器件，所述过压保护单元采用TI的二级过压保护芯片，所述电流检测单元中设有电流传感器芯片，优选的，所述电流传感器芯片为MAX472ESA芯片。所述过温保护单元中设有温度传感器，优选的，所述温度传感器采用DS18B20。所述电池组状态监测单元可读取每节锂电池的电压，并将该电压参数传送给控制主板进行处理，所述电流检测单元既能检测充放电电流，也能够实现累计电量的功能，从而记录流入锂电池组或流出锂电池组的电量。具体的，所述锂电池组采用若干节18650锂电池串联组成，所述分流放电支路控制开关器件采用N沟道MOS管，所述充电控制开关器件采用PNP三极管，所述放电控制开关器件采用Ｎ沟道MOS管；所述电压均衡芯片的型号为S8209A，所述充电控制开关器件连接电压均衡芯片的CO管脚，所述放电控制开关器件连接电压均衡芯片的DO管脚，所述分流放电支路控制开关器件连接电压均衡芯片的CB管脚，所述分流放电支路电阻连接在N沟道MOS管的漏极端。参见图3，优选实施例中给出了4组串联连接的电压均衡芯片分别对4节串联连接的18650锂电池进行均衡充放电控制，在当单节18650锂电池的电压达到电压均衡芯片内部的均衡开启阈值时，芯片的CB管脚输出高电平，作为分流放电支路控制开关器件的N沟道MOS管（Q1/Q2/Q5/Q6）导通，从而通过作为分流放电支路电阻R12/R14/R16/R24的自发热消耗电池多余的电量，让锂电池组电池电量实现均衡，此均衡法为能量消耗法，可保证每节锂电池的电压及容量的一致性。在电压均衡芯片S8209A中，CTLC管脚为充电用控制端子，CTLD管脚为放电用控制端子，VDD管脚为（正电源输入端子）电池的正电压连接端子，VSS管脚（负电源输入端子）电池的负电压连接端子，CDT管脚为过充电检测延迟、过放电检测延迟用的电容连接端子，DO管脚为放电控制用输出端子，CO管脚为充电控制用输出端子，CB管脚为电量平衡控制用输出端子。在每个电压均衡芯片的CO管脚上还设有二极管、三极管和MOS管，其中，三极管可在当电池过压时，切断对锂电池的充电，二极管一方面用于充电，另一方面可有效防止电流倒流入太阳能电池板，MOS管可在充电电流较大时打开，从而减小充电回路的损耗。参见图4，优选实施例中给出了4节串联的18650锂电池过压保护单元电路，在本电路中采用BQ29412DCT作为每节锂电池的过压保护芯片，在二级过压保护芯片BQ29412DCT中，VDD管脚为电源电压输入端子，VC1-VC4管脚为电池电压连接端子，OUT管脚为电压输出端子，CD管脚为电压输出端子。所述电池板管理模块包括电池板电压检测单元、温度补偿单元、电池板汇流电流检测单元、实时转换效率检测单元、防雷击保护单元和防反充保护单元，所述电池板电压检测单元采用MOS场效应管和取样电阻构成的电压检测电路，主要依据在白天和黑夜条件下太阳能电池板上的电压不同的特点，通过取样电阻来检测太阳能电池板上的电压来判断外部环境的亮度，以确定白天与黑夜。所述LED照明驱动模块包括PWM调光控制单元和升压恒流驱动单元，所述恒流调光器与LED照明驱动模块相连。所述发热板5是一种PTC恒温发热元件，其外部包裹有一层导热铝壳，起到保护和快速导热的作用；所述PTC恒温发热元件与锂电池组或导热铝板6贴附接触并传热，PTC恒温发热元件与恒温控制板4通过导线相连接。在中小功率加热场合，PTC恒温发热元件具有恒温发热、热转换率高、自然寿命长以及不受电源电压影响等优点，其原理是PTC热敏电阻加点后自热升温使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值，且温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关，而与环境温度无关。因此，使用PTC恒温发热元件即便加热控制电路因失控而不间断给其供电，其也只能升高至上限温度（通常不高于60度），从而可有效防止其对锂电池组3的损坏和意外事故的发生。所述恒温控制板4包括一组贴片式温度传感器7和加热控制电路，所述贴片式温度传感器7设置在恒温控制板4上，并与锂电池组3相接触，用于感应锂电池组3的温度并将信号反馈给加热控制电路，所述加热控制电路控制PTC恒温发热元件的通断。所述加热控制电路是由场效应管和比较放大器组成的开关控制电路（参见图5），当贴片式温度传感器7所感知的温度低于设定的温度后，开关控制电路中的比较放大器输出增大，导通场效应管，从而启动PTC恒温发热元件对发热板5加热。所述控制主板是包括有PIC主控芯片最小系统和RS485串行通信模块的路灯信息记录及信息输出的电路板。通过PIC主控芯片每天监测锂电池组的容量（可通过安时积分法监测电池容量参数）、电压（可通过电阻测压方法测量电压参数）、充放电电流等一系列数据，综合分析、估算锂电池组的剩余电量（通过安时积分法估算剩余容量并结合电压检测），然后根据锂电池组的当前剩余容量再合理分配给LED灯使用，从而最大化满足LED灯亮度并保证LED灯的亮灯时间。如果因为连续的阴雨天气而导致电池充电容量不足，通过降低LED灯的亮度，来降低电池的消耗，以保证较长的亮灯时间，从而实现LED灯亮度与亮灯时间的有效分配。采用上述的锂电型太阳能LED路灯控制系统进行亮灯控制的方法，主要是根据道路的人流量及人们在道路上活动的频率，预设一个或一组控制LED照明的亮灯曲线，智能控制器并根据LED灯亮灯的起始时间或系统时钟、锂电池组电压、电池容量、天气状况、历史用电记录选择某一亮灯曲线，然后按照这一亮灯曲线对LED灯进行智能调整亮度，以适应用户道路需求。所述亮灯曲线通过智能控制器根据用户决策表配置产生，所述用户决策表的决策规则为：根据当地人活动频率高低、人流量少时对亮灯要求、用户对灯亮度的接受程度、当地气候、历史阴雨天数以及当地经纬度信息按照亮灯功率和亮灯时间组合和/或亮灯功率和电池剩余电量组合对可调光LED灯的亮灯功率进行分段控制。此外，所述亮灯曲线上的同一段亮灯时间或同一段电池剩余容量所对应的亮灯功率为分段曲线或连续曲线。在优选实施例中，当采用亮灯功率和亮灯时间组合进行亮灯分段控制的参数见表1，而当采用亮灯功率和电池剩余电量组合对可调光LED灯的亮灯功率进行分段控制的参数见表2。表1以亮灯功率和亮灯时间组合的亮灯功率分配参数表已亮灯时间0-2h2-4h4-8h＞8h亮灯功率A-EA-EA-EA-E在上表中，每个亮灯时间段内，可调光LED灯的亮灯功率均采用A-E5个等级进行设置，其中，A-E5个等级的亮灯功率百分比（相对于可调光LED灯的额定功率而言）依次为100%、80%、60%、40%和20%。用户可根据需要分别选用不同的亮灯功率来点亮可调光LED灯。表2以亮灯功率和电池剩余电量组合的亮灯功率分配参数表电池剩余电量100%-90%90%-20%＜20%亮灯功率100%100%-30%30%在上表中，当电池剩余容量占电池总容量的100%-90%时，可调光LED灯将按照100%的亮灯功率进行点亮，当电池剩余容量占电池总容量的90%-20%时，可调光LED灯的亮灯功率从100%线性降低至30%，并且此种组合方式下的最低亮灯功率为30%，直至电池剩余电量耗尽为止。本系统在实际使用中，可根据人们在道路上活动情况，通过亮灯控制方法根据预定的亮灯曲线对LED路灯的亮度进行分段控制，需要照明的整夜时间按照人活动频率高低分成多段，在人们活动频率高的时段内LED路灯的亮度大，满足道路照明要求，而在人们活动频率低时亮度小以达到省电目的。另外也可以仅依据亮灯的起始时间或系统始终对可调光LED灯进行分时段的亮度控制。从控制的横向（亮灯功率和亮灯时间组合）来看，由于不同地区，人们生活的习惯不同，不同时段人们活动的规律也不同，因此，将整夜的时间按照人们活动的频率高低进行分段，在人活动频率高时，为可调光LED灯分配的较高的亮灯功率，而在人活动频率低时分配较低的亮灯功率，不仅能够满足人民的照明需求，也有效节约了电能。至于时段划分的方式或亮灯曲线的配置方式可根据用户决策表配置产生，用户决策表一般是根据当地特点制定的参数表格。从控制的纵向（亮灯功率和电池剩余电量组合）来看，将每天的电池总电量按天气状况、电池电压、电池剩余电量进行分配，并遵循这样的分配原则：天气状况差、电池电压低、电池剩余电量少时，分配给可调光LED灯的总电量就少。至于具体的分配总电量数值可以参考用户决策表来完成。通过上述的纵横控制方式，系统中的太阳能电池板所吸收的太阳光可较为有效地照亮路面，并且可尽量避免因天气状况所带来的亮灯不确定性，既满足人们的照明需求，又能最大限度的利用并节约电能，这在一定程度上可减小光伏电池板的面积和储能锂电池的容量，从而能够有效降低锂电型太阳能LED路灯系统的成本，对锂电型太阳能LED路灯的广泛推广使用起到促进作用。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3