蘇偉達(dá)，王廷銀，李汪彪，吳允平

(福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350117)

航標(biāo)燈是船只安全通航的助航標(biāo)志，是保障水路運(yùn)輸暢通和船舶安全航行的重要設(shè)施[1]。一體化航標(biāo)燈是一種集成度較高的航標(biāo)燈，不僅有LED燈、控制電路，還將光伏電池板及蓄電池也包含在內(nèi)，無(wú)需外部供電，能夠自給自足，具有可靠性高、現(xiàn)場(chǎng)安裝及維護(hù)方便的特點(diǎn)[2]。但由于一體化航標(biāo)燈體積限制了光伏電池的使用面積，日發(fā)電量十分有限，因此較適合替代小功率航標(biāo)燈使用。傳統(tǒng)一體化航標(biāo)燈的充電電路十分簡(jiǎn)單，在不增加光伏電池面積的情況下，若能進(jìn)一步提高一體化航標(biāo)燈的光伏電池板的利用率，即提高充電效率，將更容易滿足持續(xù)陰天的工作天數(shù)要求，提高惡劣天氣適應(yīng)能力，保障船舶交通安全。一種能夠發(fā)揮光伏電池板最大利用率的方法應(yīng)運(yùn)而生，即最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking， MPPT)，它能使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)上，不受溫度及光照強(qiáng)度變化等因素呈現(xiàn)非線性特性的影響，成為了目前研究的熱點(diǎn)。

目前實(shí)現(xiàn)MPPT功能方法常用的有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀測(cè)法以及改進(jìn)的算法，各有優(yōu)點(diǎn)。代相波[3]提出一種基于滯環(huán)比較的新型擾動(dòng)觀測(cè)法，具有啟動(dòng)速度快、跟蹤精度高、在最大功率點(diǎn)處振幅小、不易產(chǎn)生誤判等優(yōu)點(diǎn)。楊立宏[4]提出了一種采用雙BUCK電路的太陽(yáng)能光伏發(fā)電控制器的方法，降低了控制器的溫升，提高了電路可靠性，改進(jìn)的MPPT算法能夠迅速響應(yīng)追蹤太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)，提高了太陽(yáng)能電池的能量利用率。吳雷[5]提出一種滑模控制與∑-△調(diào)制器相結(jié)合的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，相比于傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法魯棒性更強(qiáng)，減少了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率損失，在光照突變情況下能快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，有效地改善了MPPT控制效果。以上研究成果雖然具有較好MPPT效果，但是需要微處理器及較多的外圍電路構(gòu)成，電路較為復(fù)雜，需要軟硬件配合才能實(shí)現(xiàn)，難度大，成本高，同時(shí)也增加了較大功耗，如果使用MPPT對(duì)蓄電池充電時(shí)增加的能量小于MPPT自身?yè)p耗的能量，采用MPPT就失去意義，不適合在一體化航標(biāo)燈中應(yīng)用。因此急需設(shè)計(jì)一種無(wú)需微處理器、電路簡(jiǎn)單、成本低且具有MPPT功能的充電電路以滿足一體化航標(biāo)燈的需求，本文設(shè)計(jì)了一種充電電路，能夠符合上述需求。

1 一體化航標(biāo)燈系統(tǒng)組成

一體化航標(biāo)燈系統(tǒng)由MCU、看門(mén)狗電路、撞擊傳感器、調(diào)試接口、充電電路及充電電流采集、蓄電池電壓及燈器電流采集、燈質(zhì)/電流設(shè)置、RS-485、GPS/BeiDou雙模定位模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路、光照度傳感器及擴(kuò)展模塊組成，如圖1所示。其中作為核心控制器的MCU采用STM32嵌入式處理器，為了提高航標(biāo)燈長(zhǎng)期工作的可靠性，外接了看門(mén)狗電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位及異常冷啟動(dòng)復(fù)位功能。撞擊傳感器主要作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)航標(biāo)燈受撞擊事件及姿態(tài)，若有異常，將觸發(fā)系統(tǒng)向控制中心發(fā)送報(bào)警信息。用于光伏電池板的充電電路能夠向蓄電池充電，并防止反灌。燈質(zhì)及電流設(shè)置采用多位撥碼開(kāi)關(guān)，以方便操作。針對(duì)不同類(lèi)型的LED燈器設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)電流。RS-485接口實(shí)現(xiàn)與外部智能助航設(shè)備的通信，采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。GPS/BeiDou雙模定位模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)燈定位并將位置信息通過(guò)4G模塊、NB-IOT模塊或北斗通信模塊發(fā)射至控制中心，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)位置偏移的航標(biāo)燈。為了方便現(xiàn)場(chǎng)對(duì)航標(biāo)燈參數(shù)的設(shè)置，可通過(guò)藍(lán)牙模塊或Wi-Fi模塊在手機(jī)上進(jìn)行設(shè)置。光照度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境亮度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果MCU來(lái)判斷是白天或晚上，航標(biāo)燈白天關(guān)閉，晚上開(kāi)啟。

圖1 一體化航標(biāo)燈系統(tǒng)框圖充電電路設(shè)計(jì)

一體化航標(biāo)燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮兼容性和靈活性的問(wèn)題外，還要考慮充電效率應(yīng)盡可能高，提高光伏電池的利用率，在滿足陰天持續(xù)工作的天數(shù)需求下，可適當(dāng)減少配置電池的容量，從而降低硬件成本。

1.1 無(wú)MPPT功能充電電路

為了減少開(kāi)發(fā)工作量，降低成本，在一體化航標(biāo)燈中采用的電路如圖2所示。光伏電池板正極經(jīng)過(guò)一個(gè)防反向電流的隔離二極管后，直接連接到蓄電池上，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、可靠性高，但由于光伏電池板的電壓被蓄電池電壓鉗位了，無(wú)法工作在最大功率點(diǎn)上，使得該電路充電效率較低。

圖2 無(wú)MPPT功能充電電路

1.2 具有MPPT功能的充電電路設(shè)計(jì)

充電電路由LDO穩(wěn)壓器U1、集成運(yùn)算放大器U2、DC-DC模塊(可選用升壓模塊、降壓模塊或升降壓模塊)、二極管D1以及少量阻容器件組成，如圖3所示。根據(jù)光伏電池板最大輸出功率與輸出電壓關(guān)系曲線[6]可明顯看出，最大輸出功率點(diǎn)發(fā)生在輸出開(kāi)路電壓的0.78倍附近，但會(huì)受到光照、溫度等環(huán)境因素影響。當(dāng)光伏電池板有太陽(yáng)照射開(kāi)始發(fā)電時(shí)，經(jīng)LDO穩(wěn)壓器降壓后為運(yùn)算放大器提供穩(wěn)定的電壓。電阻R1、R2對(duì)光伏電池板所輸出的電壓進(jìn)行分壓后送到運(yùn)算放大器的反相端作為采樣電壓；電阻R3、R4,二極管D1對(duì)LDO穩(wěn)壓器U1所輸出的電壓進(jìn)行分壓后送到運(yùn)算放大器U2的同相端作為基準(zhǔn)電壓。運(yùn)算放大器根據(jù)同相端和反相端的電壓進(jìn)行放大后，由運(yùn)算放大器的輸出端輸出電壓送到DC-DC模塊的反饋端FB，來(lái)控制DC-DC模塊輸出電壓的大小，同樣也改變了蓄電池的充電電流，從而使光伏電池板的輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。預(yù)設(shè)值可通過(guò)改變電阻R1、R2及電阻R3、R4的分壓比來(lái)調(diào)整，設(shè)置在光伏電池板開(kāi)路電壓的0.78倍附近。確定最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值：

(1)

其中，UA為最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，UO為開(kāi)路電壓。根據(jù)UA的值可以查看光伏電池板銘牌上的參數(shù)。通過(guò)運(yùn)算放大器及DC-DC模塊組成的負(fù)反饋放大器的目的是讓光伏電池板輸出電壓始終穩(wěn)定在UA的大小。確定各電阻的參數(shù)值：

(2)

若光伏電池板因太陽(yáng)照射增強(qiáng)使得輸出電壓有升高的趨勢(shì)，經(jīng)電阻R1、R2分壓所得到的采樣電壓也升高，由于是反相輸入端電壓上升，因此運(yùn)算放大器放大后輸出壓降低，DC-DC模塊受反饋端FB電壓下降的控制，輸出電壓會(huì)升高，此時(shí)，蓄電池的充電電流也隨之增大，使光伏電池板的輸出電壓快速下降到預(yù)設(shè)值。若光伏電池板因太陽(yáng)照射減弱使得輸出電壓有降低的趨勢(shì)，經(jīng)電阻R1、R2分壓得到的采樣電壓也降低，由于是反相輸入端電壓降低，因此運(yùn)算放大器放大后輸出壓升高，DC-DC模塊受反饋端FB電壓升高的控制，輸出電壓會(huì)降低，此時(shí)，蓄電池的充電電流也隨之減小，使光伏電池板的輸出電壓快速上升到預(yù)設(shè)值，實(shí)現(xiàn)了光伏電池板始終工作在最大功率點(diǎn)的目的。

圖3 具有MPPT功能的充電電路

二極管D1作為溫度補(bǔ)償，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，可以自動(dòng)改變運(yùn)算放大器的同相端的基準(zhǔn)電壓。溫度升高時(shí)，基準(zhǔn)電壓降低，使光伏電池板的輸出電壓預(yù)設(shè)值降低；溫度降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓升高，使光伏電池板的輸出電壓預(yù)設(shè)值升高，可克服光伏電池板受溫度影響最大功率點(diǎn)電壓變化問(wèn)題。當(dāng)光伏電池板不發(fā)電時(shí)，LDO穩(wěn)壓器、運(yùn)算放大器、DC-DC模塊均不工作，不會(huì)消耗蓄電池的電能，充電電路所消耗的全部電能均來(lái)自光伏電池板。

2 性能測(cè)試

根據(jù)以上原理及電路圖制作無(wú)MPPT充電電路及MPPT充電電路，測(cè)試用的一體化航標(biāo)燈如圖4所示。

圖4 測(cè)試用的一體化航標(biāo)燈

圖5 無(wú)MPPT充電電路與MPPT充電電路測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)試時(shí)兩種電路用光伏電池板和蓄電池，為了方便快速地切換不同電路，將兩種電路的輸入端及輸出端分別接入一個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，且在電池正極接線上串入電流表。通過(guò)移動(dòng)光伏電池板改變不同光照強(qiáng)度，其測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示。其中光伏電池板為4片9 V、200 mA、MPPT充電電路的最大功率點(diǎn)電壓設(shè)為7.8 V，蓄電池為4V60AH磷酸鐵鋰電池組。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣的測(cè)試條件下，MPPT充電電路的充電電流有明顯提升，光伏電池板的利用率提高22%以上，且隨光照強(qiáng)度的增大有所上升，因此增加了電能的存儲(chǔ)量。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的電路較簡(jiǎn)易,充電電路的光伏電池板利用率提高22%以上，與其它MPPT硬件及算法相比，優(yōu)點(diǎn)如下：(1)采用通用的LDO穩(wěn)壓器、運(yùn)算放大器、DC-DC模塊及少量外圍電路，實(shí)現(xiàn)成本低；(2)電路為純硬件方式實(shí)現(xiàn)的MPPT功能，無(wú)需微處理器控制，無(wú)需設(shè)計(jì)軟件，調(diào)試簡(jiǎn)易，開(kāi)發(fā)周期短，也不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，工作穩(wěn)定可靠；(3)增加了溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)，克服了恒定電壓法的不足。因此所設(shè)計(jì)的電路能滿足一體化航標(biāo)燈的應(yīng)用需求。