摘要： 提出了一种新型的智能化小区大功率Light Emitting Diode （LED）路灯光伏充电器的设计方案， 给出了白光LED的工作特性和太阳电池的工作特性以及此光伏充电器的主电路拓扑结构， 分析了基于Microchip 公司的PIC16F874芯片实现的控制策略和最大功率跟踪（ MPPT） 原理。最后给出了此充电器的工作原理框图和控制原理框图。实际运行表明， 该LED 路灯光伏充电器系统具有显着优点。
　　目前，在各大中型城市中一大批智能化小区、花园别墅、智能大型综合体育设施等建筑拔地而起， 客观上要求有与其相配套的高效能环保的照明设备的出现。LED 是发光二极管的统称， 它工作在低电压、小电流的状态下， 所以具有发热量小、功耗低的显着特征。而且其使用方面， 可以根据不同场合的使用要求方便地进行多颗LED 的组合。所以在LED 技术基础上发展起来的LED 光伏路灯是一种新型环保且具有高光效的节能设备， 具有安全抗震、使用方便、费用低、寿命长、节约能源、无污染等优点， 在许多领域可代替现在广泛使用的白炽灯、日光灯等光效相对较低的照明设备。其工作原理就是通过太阳电池光伏阵列将太阳能转化为电能， 给蓄电池进行充电， LED 驱动器则通过蓄电池为其提供工作电源， 完成对LED 灯的驱动和保护功能。其优点是克服了目前市场上所使用的其它照明设备普遍存在的耗能大、光效差、不稳定、蓄电池使用寿命短等多种弊端。大功率LED 路灯充电器设计的一个关键的部分就是光伏充电器的设计问题， 因为光伏充电器不仅完成了把太阳能转换成电能的重任， 而且还对蓄电池提供了智能充电管理， 因此光伏充电器的性能直接决定了太阳能能量利用的效率和系统使用的寿命。本文从原理、控制策略和实际应用等几个方面介绍一种光伏充电器及其控制系统的设计思想。
　　1 系统构成
　　1.1 LED 的工作特性
　　发光二极管LED（Light Emitting Diode）的工作原理是在半导体p-n 结上加一正向电压， 从而使其电子与空穴复合（即结区变窄）， 这种复合是电子从高能级的导带释放能量回到价带与空穴复合， 其释放的能量以光子的形式出现， 即发光。
　　根据半导体物理中的公式： λ=1.24/Eg式中： Eg 为半导体材料导带与价带之间的禁带宽度， λ为波长。从式中可以看出， 对于不同材料的半导体来说， 由于它们的Eg 不同， 因此它们的波长# 也不一样， 所以发光的颜色不同。显然， 一般LED 多为单颜色光， 如红光、绿光、黄光、蓝光等。所谓白光是多种颜色的光混合而成， 以人类眼睛所能见到的白光形式至少必须两种以上的光混合， 一般有下列两种混合方式： 二波长光———蓝光与黄光混合； 三波长光———红光、绿光与蓝光混合。目前已经商品化的白光LED 产品多为二波段蓝光单晶片加上YAG 黄色荧光粉； 三波长光以无机紫外线光晶片加R、G、B 三颜色荧光粉。此外， 有机单层三波长型白光LED 也有成本低、制作容易等优点。
　　1.2 太阳电池的工作特性
　　图1、图2 分别给出了太阳电池温度在25 ℃时， 工作电压、电流和日照（ W/m2） 的关系曲线及太阳电池的输出功率和日照、电压之间的曲线。
　　
　　从图1 的I/U 关系可以看出， 太阳电池阵列既非恒压源，也非恒流源， 而是一种非线性直流电源， 电池输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定， 最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。由图2 可知， 太阳电池的工作效率等于输出功率与投射到太阳电池面积上的功率之比。因此， 为了提高本系统的工作效率， 必须尽可能地使太阳电池在最大功率点处工作， 这样就可以用功率尽可能小的太阳电池获得最大的功率输出， 这就是进行最大功率点跟踪的意义所在。如图1 和图2 所示， 图中的A、B、C、D、E 点分别对应不同日照时的最大功率点。
　　1.3 铅酸蓄电池的工作特性
　　目前在光伏充电器系统中大量使用的是铅酸蓄电池， 它的工作原理是依靠铅酸正极的活性物质二氧化铅（ PbO2） 和负极的活性物质海绵状铅（ Pb） 与电解液硫酸（ H2SO4） 进行化学反应生成硫酸铅（ PbSO4） ， 在此工作过程中将引起硫酸（ H2SO4） 的减少， 而且在正极板上不断生成水（ H2O） ， 从而引起电解液的密度降低。在充电期间， 正极极板上的硫酸铅（ PbSO4） 氧化成了二氧化铅（ PbO2） ， 此时负极极板上的硫酸铅（ PbSO4） 还原成铅（ Pb） ， 同时生成硫酸（ H2SO4） ， 耗去了蓄电池中的水（ H2O） ， 使电池中电解液的密度上升， 完成充电过程。