專利名稱：太陽能交通警示燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及太陽能技術(shù)和交通管理領(lǐng)域，尤其是利用太陽能、轉(zhuǎn)換效率高、節(jié) 能環(huán)保的交通警示燈控制設(shè)施，具體地說是一種太陽能交通警示燈。
背景技術(shù)：
太陽能是一種取之不盡，用之不竭巨大能源，太陽能發(fā)電是一種零排放的清潔能 源，可用來進行獨立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電。以其無污染、不受地域限制、維護方便、使用壽命長等 諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航天、通信、軍事、交通、城市建設(shè)、民用設(shè)施等諸多領(lǐng)域。根據(jù)太陽 能電池的工作原理，當(dāng)光照強度，溫度等自然條件改變時，太陽能電池的輸出特性將隨之改 變，輸出功率及最大工作點亦相應(yīng)改變。具體的說，太陽能電池的輸出受目照強度，電池結(jié) 溫等因素的影響。當(dāng)結(jié)溫增加時，太陽能電池的開路電壓下降，短路電流稍有增加，最大輸 出功率減?。划?dāng)日照強度增加時，太陽能電池的開路電壓變化不大，短路電流線性增加，最 大輸出功率增加。在一定的溫度和日照強度下，太陽能電池具有唯一的最大功率點，當(dāng)太陽 能電池工作在該點時，能輸出當(dāng)前溫度和日照條件下的最大功率。溫度及光照強度對太陽 能輸出特性的影響，太陽能電池特性具有明顯的非線性，既包含了電壓源的特性，也包含了 電流源的特性。目前，由于太陽能電池造價還比較昂貴，交通警示燈工作方式對太陽能電池的能 量轉(zhuǎn)換率有很大的影響，現(xiàn)有太陽能交通警示燈中普遍存在轉(zhuǎn)換效率低、蓄電池充放電缺 乏合理保護、蓄電池壽命短、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題。因此，現(xiàn)有的太陽能交通警示燈不能 滿足使用需要。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對目前太陽能交通警示燈普遍存在的轉(zhuǎn)換效率低、蓄電池 充放電缺乏合理保護、蓄電池壽命短、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的問題，提出一種效率高、運行穩(wěn)定 和蓄電池壽命長的太陽能交通警示燈。本實用新型的技術(shù)方案是一種太陽能交通警示燈，它包括太陽能電池板、太陽能采樣電路、蓄電池、蓄電池 采樣電路、處理器、驅(qū)動電路和多個發(fā)光管，所述的太陽能電池板作為太陽能交通警示燈的 太陽能接收端接收太陽能，太陽能電池板的能量信號輸出端與太陽能采樣電路的能量信號 輸入端相連，太陽能采樣電路的采樣信號端與處理器的對應(yīng)太陽能采樣信號端相連，處理 器的蓄電池采樣信號端與蓄電池采樣電路的采樣信號端相連，蓄電池采樣電路的能量信號 輸入端與蓄電池的能量信號輸出端相連，蓄電池采樣電路與太陽能采樣電路雙向連接，處 理器的控制信號輸出端與驅(qū)動電路的控制信號輸入端相連，驅(qū)動電路的各控制信號輸出端 分別與多個發(fā)光管的控制信號輸入端相連。本實用新型的太陽能電池板為多個。本實用新型的有益效果[0009]本實用新型能滿足太陽能交通警示燈在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定運行。試驗結(jié)果表 明，應(yīng)用本實用新型的太陽能交通警示燈效率高、運行穩(wěn)定，蓄電池壽命可延長1 2年。實 現(xiàn)了基于單片機ATMEGA88的MPPT工作狀態(tài)控制和蓄電池充放電智能管理。本實用新型具有如下特點運營成本低全部電力來源于太陽光，清潔能源，節(jié)能環(huán)保；施工費用低安裝簡便，工期短，施工時不需鑿路敷線，不影響正常交通；安全性能強采用直流12V、24V供電技術(shù)，避免人身傷害；應(yīng)用范圍廣適用于各類需安裝交通信號設(shè)施的路口，尤其是無電源又需安裝信 號設(shè)施道口，不得懸空架線鑿路沒有予埋管道的道口優(yōu)勢更明顯；轉(zhuǎn)換效率高采用MPPT (最大功率軌跡跟蹤)技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換效率更高；智能保護工作自動識別白天與夜晚；電壓自動檢測，實現(xiàn)對蓄電池的防反接、防 反充、防過放、防過充、過載及短路保護；蓄電池電壓監(jiān)控分多級閥值，電壓不一樣時，發(fā)光 占空比也不一樣，使工作效率最高；發(fā)光效率高采用LED光源，高亮環(huán)保，并且在設(shè)計上采用點面光源轉(zhuǎn)換效率高的 設(shè)計方法，使用比較小的功率即可滿足光學(xué)需求。

圖1是本實用新型的原理框圖。圖2是本實用新型的電路圖之一。圖3是本實用新型的電路圖之二。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。如圖1所示，一種太陽能交通警示燈，它包括太陽能電池板、太陽能采樣電路、蓄 電池、蓄電池采樣電路、處理器(型號可為ATMEGA88，是美國ATMEL公司AVR系統(tǒng)高速處理 器)、驅(qū)動電路和多個發(fā)光管，所述的太陽能電池板作為太陽能交通警示燈的太陽能接收端 接收太陽能，太陽能電池板的能量信號輸出端與太陽能采樣電路的能量信號輸入端相連， 太陽能采樣電路的采樣信號端與處理器的對應(yīng)太陽能采樣信號端相連，處理器的蓄電池采 樣信號端與蓄電池采樣電路的采樣信號端相連，蓄電池采樣電路的能量信號輸入端與蓄電 池的能量信號輸出端相連，蓄電池采樣電路與太陽能采樣電路雙向連接，處理器的控制信 號輸出端與驅(qū)動電路的控制信號輸入端相連，驅(qū)動電路的各控制信號輸出端分別與多個發(fā) 光管的控制信號輸入端相連。本實用新型的處理器可進行在系統(tǒng)編程ISP。本實用新型的太陽能電池板為多個。如圖2所示，本實用新型的處理器(型號可為ATMEGA88)，是美國ATMEL公司AVR 系統(tǒng)高速處理器，內(nèi)部RC振蕩，工作頻率為內(nèi)部8MHz，帶有AD采樣，6路PWM控制器，調(diào)整 脈沖工作在20KHz，控制太陽能電池對蓄電池充電的控制管腳為14腳。D5、D6、D7為發(fā)光 管，用于指示工作狀態(tài)。發(fā)光管驅(qū)動電路采樣復(fù)合管驅(qū)動方式。白天時，太陽能電池采樣部分測量太陽能
4電池電壓> 3. 5V，不需要發(fā)光，處理器U3則置01為低電平，Q7不導(dǎo)通，則R16為高電平， Qll也不導(dǎo)通，R18為低電平，Q3不導(dǎo)通，則總待機功耗非常小。晚上，太陽能電池采樣部分 測量太陽能電池電壓過低，則認(rèn)為需要驅(qū)動發(fā)光管導(dǎo)通，置01為高電平，Q7導(dǎo)通R16拉低， Qll也導(dǎo)通，R18電壓拉高，則Q3也導(dǎo)通，相應(yīng)連接的發(fā)光管導(dǎo)通發(fā)光。如圖3所示，本實用新型的太陽能采樣電路包括充電主回路、充電電壓采樣電路 和充電電流采樣電路；接插件J2可以接2個太陽能電池板，DU D3為防止蓄電池向太陽能 電池反方向放電的二極管，用于保護太陽能電池板。Ql是P溝道增強型場效應(yīng)管，型號為 SI4405 ；Ll為高頻整流電感；D4為續(xù)流二極管；它們共同構(gòu)成充電主回路。Rl、R4組成充 電電壓采樣電路，采樣的信號送到處理器U3的23腳，用于采樣太陽能電池板的電壓。此電 壓一方面用于采樣充電電壓，另一方面用于判斷白天黑夜?fàn)顟B(tài)，用于驅(qū)動發(fā)光管是否發(fā)光。 R8和C4組成充電電流采樣電路，用于采樣充電時的電流，因為電流信號比較小，所以此信 號需送到滿擺幅運算放大器U2，U2為LMV358，可以對小信號實現(xiàn)放大作用，放大后的信號 送到處理器U3的對應(yīng)采樣信號輸入端，至此，太陽能電池對蓄電池充電時產(chǎn)生的電流電壓 信號都被處理器U3采集到，充電功率即可以計算出。本實用新型的蓄電池采樣電路為蓄電池電壓采樣電路，包括電阻R3、R6 ；蓄電池 電壓采樣電路的信號輸出端與處理器U3的22腳連接，對蓄電池電壓進行采樣，D8用于防 止蓄電池接反，損壞內(nèi)部電路，Ul為LDO穩(wěn)壓芯片，靜態(tài)功耗非常低，F(xiàn)l為保險絲，防止過電 流對蓄電池的損壞。MPPT的工作原理為在一個規(guī)定的周期內(nèi)，處理器定期的主動調(diào)節(jié)PWM的占空比 D，改變太陽能電池的對外輸出電流，從而引起太陽能電池的對外輸出電壓沿其負(fù)載特性曲 線變化，檢測主回路太陽能電池側(cè)電壓及輸出電流，計算出太陽電池的輸出功率，然后根據(jù) 最大功率點跟蹤策略判斷最大功率點的位置，確定PWM信號占空比D的值，最后輸出PWM信 號給驅(qū)動電路，直到下一個檢測周期開始。采用電壓增量的MPPT尋優(yōu)算法流程，由于在尋 優(yōu)過程中不斷地調(diào)整參考電壓，因此太陽電池的工作點始終在最大功率點附近振蕩，無法 穩(wěn)定工作在最大功率點上。作為工程使用可以使調(diào)整的頻率低一些，使它工作在一個相對 穩(wěn)定的狀態(tài)。本實用新型MPPT跟蹤策略為基本思路按電壓增量的MPPT尋優(yōu)算法流程進行 尋優(yōu)，不同點在于本設(shè)計中采用PWM占空比D增量法，結(jié)合使用要求，采用了三點功率比較 方式作為尋優(yōu)結(jié)束的判據(jù)；在采樣周期內(nèi)，固定間隙遞增或遞減PWM占空比D，若第k+Ι次 調(diào)整后的輸出功率存在以下關(guān)系P(k+l) <P(k)且P(k) > &-1)，則第1^次的功率被視 為最大功率點，將PWM信號占空比D鎖定在D (k)并輸出；當(dāng)光照強度不夠、溫度上升或蓄電 池電壓上升，導(dǎo)致理論上的MPPT點電壓低于等于蓄電池電壓時，在該點上已不能對蓄電池 進行充電，將出現(xiàn)D(k+1) = 1，且輸出功率存在P(k+1) >P(k) > &-1)，則第1^+1次的占 空比D(k+1) = 1值被視為最大功率點(該點不是理論上的MPPT點，只是因為此時的工作 點是當(dāng)時狀態(tài)下能夠得到的最大輸出功率點而已)。尋求到最大工作點后，一定周期內(nèi)，系 統(tǒng)會固定工作在該點上，直到下一個檢測周期開始，在此期間，其工作點是相對穩(wěn)定的。根 據(jù)氣候變化的特點，檢測周期定為5分鐘一次。蓄電池的充放電管理蓄電池是本實用新型的重要器件，它的主要功能是把太陽 能電池發(fā)的電能即時儲存起來，以供用發(fā)光管使用，蓄電池具有儲存電能和穩(wěn)定電壓的作 用。蓄電池的主要技術(shù)參數(shù)是電壓和容量(Ah)，用太陽能電池給蓄電池充電時，太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20 % 30 %，才能保證給蓄電池正常充電。蓄電池有鉛酸 電池、堿性鎳鎘電池、堿性鎳氫電池、鋰電池等，一般情況下，考慮成本選用鉛酸式電池。蓄 電池容量過大，如果長期不能得到良好的充電，壽命將大幅度減短，而如果蓄電池容量如果 過小，和太陽能電池的容量不匹配，會造成非常大的浪費。本實用新型使用的太陽能電池額 定參數(shù)為開路電壓17. 5V，短路電流4A，額定容量為7Ah的蓄電池。本實用新型蓄電池的充放電管理方面具有以下功能過充保護蓄電池是由每個2V左右的單體串聯(lián)構(gòu)成，12V的蓄電池由6個單體串 聯(lián)構(gòu)成，蓄電池電壓采樣和太陽能電池電壓采樣比例均為1/6，因此單片機的輸入電壓為平 均每單體的電壓，對牽引式蓄電池，當(dāng)其單格電壓高于2. 4V/cell后，應(yīng)將充電電流控制在 0. 05C以內(nèi)，并且當(dāng)單格電壓高于2. 65V/cell后，自動切斷充電過程，以防止過充電；待其 單格電壓低于2. 3V/cell后，再次重新恢復(fù)充電過程。本設(shè)計中使用了這些功能，在單格電 壓高于2. 4V/cell后的充電階段以限流方式執(zhí)行MPPT充電程序。過放保護鉛酸式蓄池在放電過程中，電壓會有下降，當(dāng)其電壓低于1. 8V/cell 后，放電過程必須停止，否則將出現(xiàn)不可恢復(fù)性過放電，本實用新型的設(shè)計中使用了該功能 作為過放保護，出現(xiàn)該條件后，發(fā)光管驅(qū)動電路將被斷開，直到測得蓄電池電壓高于2. IV/ cell后，再重新判斷是否驅(qū)動發(fā)光管。自動充電太陽光照強度減到一定時候，其輸出電壓會小于蓄電池電壓，充電過程 已經(jīng)不可能進行，考慮到線路中放反充二極管D1、D3、Ql的壓降，當(dāng)太陽能電池電壓<蓄電 池電壓+1.2V時，系統(tǒng)自動退出充電模式。直到測得陽能電池電壓>蓄電池電壓+2. 4V后， 再次啟動MPPT充電程序；這樣也可以減少部分本實用新型的自身損耗，提高效率。防反充電當(dāng)夜間沒有日照或太陽光照強度減到一定時候，光伏陣列的最大輸出 電壓會小于蓄電池電壓，根據(jù)太陽能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，蓄電池將會向太陽能電池反方 向放電，圖中的Ql內(nèi)部并聯(lián)有反向快恢復(fù)二極管，為蓄電池向太陽能電池反方向放電提供 了通路，因此在太陽能電池輸出口正向串聯(lián)了二極管Dl、D3，防止反方向放電。本實用新型未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求一種太陽能交通警示燈，其特征是它包括太陽能電池板、太陽能采樣電路、蓄電池、蓄電池采樣電路、處理器、驅(qū)動電路和多個發(fā)光管，所述的太陽能電池板作為太陽能交通警示燈的太陽能接收端接收太陽能，太陽能電池板的能量信號輸出端與太陽能采樣電路的能量信號輸入端相連，太陽能采樣電路的采樣信號端與處理器的對應(yīng)太陽能采樣信號端相連，處理器的蓄電池采樣信號端與蓄電池采樣電路的采樣信號端相連，蓄電池采樣電路的能量信號輸入端與蓄電池的能量信號輸出端相連，蓄電池采樣電路與太陽能采樣電路雙向連接，處理器的控制信號輸出端與驅(qū)動電路的控制信號輸入端相連，驅(qū)動電路的各控制信號輸出端分別與多個發(fā)光管的控制信號輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能交通警示燈，其特征是所述的太陽能電池板為多個。
專利摘要一種太陽能交通警示燈，它包括太陽能電池板、太陽能采樣電路、蓄電池、蓄電池采樣電路、處理器、驅(qū)動電路和多個發(fā)光管，太陽能電池板的能量信號輸出端與太陽能采樣電路的信號輸入端相連，太陽能采樣電路與處理器的對應(yīng)太陽能采樣信號端相連，處理器與蓄電池采樣電路的采樣信號端相連，蓄電池采樣電路的能量信號輸入端與蓄電池相連，蓄電池采樣電路與太陽能采樣電路雙向連接，處理器的控制信號輸出端與驅(qū)動電路相連，驅(qū)動電路與多個發(fā)光管的控制信號輸入端相連。本實用新型能滿足太陽能交通警示燈在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定運行。本實用新型的太陽能交通警示燈效率高、運行穩(wěn)定，蓄電池壽命可延長1～2年。
文檔編號G08G1/095GK201655037SQ201020172150
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月26日
發(fā)明者張佳華, 李錦龍, 沈標(biāo) 申請人:南京藍泰交通設(shè)施有限責(zé)任公司