本發明屬于消防應急燈充電技術領域，設計一種改進的擾動觀察法和電導增量法相融合的最大輸出功率跟蹤算法，利用太陽能電池板自動跟蹤技術來提高光電轉換的效率，從而實現對消防應急燈蓄電池的快速、安全和可靠的充電方法。

背景技術：

目前，國內的公共建筑里消防應急燈的供電方式大多采用由市電供電的自帶電源型。而利用太陽能供電系統對其自帶蓄電池進行供電，必須有效提高太陽能極板的轉化效率，在保證蓄電池使用壽命的前提下實現對消防應急燈蓄電池的快速充電，從而使消防應急燈應對突發情況的發生，能夠快速、穩定、持續地投入到工作狀態。

太陽能電池板作為自帶電源型消防應急燈系統供電的主要來源，其轉換效率的低下一直是阻礙其普及化道路上的巨大障礙。如何有效提高太陽能電池板的轉換效率成為急需解決的重要的問題。

蓄電池作為整個消防應急燈系統的主要儲能部件，其地位是相當顯著的。如果蓄電池出現過充或者充電不夠，都會影響到電池的放電效果，直接導致消防應急燈的放電時間不夠和電池的使用壽命，影響其正常使用。

太陽能供電系統成本高、壽命短的缺點正是由于蓄電池不能安全正確使用，從而降低其使用壽命造成的。其使用壽命的長短直接決定著整個太陽能供電系統的壽命。由于影響蓄電池壽命的因素很多，而蓄電池充放電的方法又是影響其壽命的主要因素。而常規的充電方法，要么充電效率不高，要么有大量氣體析出，進而影響蓄電池的使用壽命。

為了有效提高太陽能極板的光電轉換效率，充分利用太陽能，需要對太陽能極板的最大輸出功率進行追蹤。由于目前經典控制方法中的擾動觀察法，雖然其算法簡單，對參數檢測的精度要求不高，易于硬件實現，但是，其相應速度慢，在實際功率點附近做小幅度震蕩，使得輸出功率不穩定，造成一定的功率損失，只適合于光照強度變化比較慢的場合。而傳統的電導增量法，能夠快速地使系統工作在最大功率點，不會在最大功率點附近反復震蕩，當外界光照強度等條件劇烈變化時，也能很好地快速進行跟蹤，且系統運動效果好，但是，算法中需要反復進行微分運算，系統統計量較大，需要告訴運算控制器。其它幾種經典控制方法也或多或少存在些不足。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提供了一種面向消防應急燈的太陽能快速充電方法。

本發明方法具體是：

基于消防應急燈的太陽能供電系統電池板追蹤：

四個相同的光照傳感器分別固定在由兩個互相垂直的不透明擋板分成的四個不同區域，使它們兩個處于水平方向，另外兩個處于垂直方向，構成光照檢測裝置；假設由R1、R2、R3、R4分別代表這四個光照傳感器，由M1、M2表示控制極板方向的步進電機；其中R1和R2控制步進電機M1，步進電機M1控制水平方向，R3和R4控制步進電機M2，步進電機M2控制垂直方向；根據太陽照射在兩兩光照傳感器上面的光照強度不同，而輸出的電壓值的不同，從而使控制水平方向的步進電機M1和控制垂直方向的步進電機M2來調整電池板的方向；

蓄電池的快速充電：

當太陽能電池板將太陽能轉換為電能之后，電能需要存儲在蓄電池中供消防應急燈照明使用；然后，通過電壓檢測電路，電流檢測電路對蓄電池的充、放電電壓、電流進行檢測，利用無線傳輸模塊將檢測到的信息發送給控制器，控制器對系統狀態分析之后，通過無線傳輸模塊發送出控制信息；

最大功率跟蹤實現：

步驟一：利用測電壓電路和測電流電路測出電池板當前工作狀態下的電壓值U和電流值I；對控制器內的計數器進行初始化，使得N＝0；

步驟二：根據P＝U*I計算出此刻的輸出功率P(K)，然后與前一次存儲的功率值P(K-1)進行比較，看它們是否相等；若相等，則存儲此刻的功率值和占空比，以后保持這一占空比進行功率輸出；若不等，且判斷此刻N的值是否滿足等式N>8；

步驟三：當N值不滿足等式N>8時，則執行改進過的擾動觀察法；否則，則執行改進過的電導增量法；

所述的改進過的擾動觀察法具體是：

判斷當前的輸出功率P(k)與前一次存儲的輸出功率P(K-1)的大小關系；假設當P(K)時刻的功率小于P(K-1)時刻的功率時，說明功率的變化方向與占空比D的變化方向相同；

保持前一刻的步長大小繼續在這個方向上調整占空比；直到輸出功率P(K)大于P(K-1)時，此刻說明最大輸出功率點已經過去，此時，需要反方向調整占空比；

反方向調整步長，每執行一次，計數器加1，且步長減小為原來的一半，當P(K)仍然大于P(K-1)時，則繼續執行此過程；直到條件不滿足，此時說明最大功率點又已經過去，則回轉去判斷當前的輸出功率P(k)與前一次存儲的輸出功率P(K-1)的大小關系，此時，計數器停止計數，步長停止減半；

循環執行以上過程，直到等式N>8不滿足條件時，且每次往返過程的步長都在前一次步長的基礎上減少一半，這樣8次下來之后，系統就已經工作在最大功率點附近了，且在最大功率點附近做往返運動；

所述的改進過的電導增量法具體是：

判斷此刻的輸出功率是否與前一刻的輸出功率是否相等；如果兩時刻的功率相等，則保持前一刻的占空比，輸出此刻的輸出功率、占空比，并保存起來；如果此刻的輸出功率與前一刻的輸出功率不相等，則判斷兩時刻的大小關系；

當功率的變化方向是與占空比D的變化方向相同時，即dP/dD>0，此時為了使功率達到最大輸出調節占空比，若dD>0，則D繼續增加；若dD<0,則D應該減小；

當功率的變化方向與占空比D的變化方向相反時，即dP/dD<0,此時如果使功率達到最大輸出應該調節占空比，若dD>0,則D應該減小，若dD<0,則D應該增大；

當電池板已經工作在最大功率點附近，即dP/dD＝0；此時已達到最大功率輸出，應該保持此刻的占空比不變；

最后把此刻的輸出功率P(K)、占空比D(K)存儲起來。

本發明的有益效果：本發明提出一種擾動觀察法和電導增量法相融合的方法，對系統的最大功率點進行跟蹤。其能夠結合上述兩種算法的優點，進行優勢互補，既不會在最大功率點附近進行無休止的小幅震蕩，又能快速地進行最大功率點精準跟蹤。

附圖說明

圖1：光照強度檢測裝置；

圖2：光伏電池板追蹤太陽裝置；

圖3：太陽追蹤模塊的結構圖；

圖4：蓄電池的充電流程圖；

圖5.最大功率跟蹤算法流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步說明。

如圖1、圖2和圖3所示，基于消防應急燈的太陽能供電系統電池板追蹤技術步驟如下：

光照檢測裝置是采用先進光電轉換模塊，將太陽光照強度轉換為電壓值的光照傳感器HA2003。將四個相同的光照傳感器HA2003分別固定在由兩個互相垂直的不透明擋板分成的四個不同區域，使它們兩個處于水平方向，另外兩個處于垂直方向。假設由R1、R2、R3、R4分別代表這四個光照傳感器，由M1、M2表示控制極板方向的步進電機佑田35HB。其中R1和R2控制步進電機M1，步進電機M1控制水平方向，R3和R4控制步進電機M2，步進電機M2控制垂直方向。根據太陽照射在兩兩光照傳感器上面的光照強度不同，而輸出的電壓值的不同，從而使控制水平方向的步進電機M1和控制垂直方向的步進電機M2來調整電池板的方向。

步驟一：首先將光照檢測裝置與電池板固定在同一平面上，保證太陽光垂直照射在檢測裝置上也就保證了垂直照射在電池板上。

步驟二：然后，檢測R₁和R₂支路上的電壓

步驟三：如果R1支路上的電壓大于R2支路上的電壓，則根據兩支路上電壓差值的大小而控制步進電機M1正轉，發出適當的脈沖頻率；如果R2支路上的電壓大于R1支路上的電壓，則根據兩支路上電壓差值的大小而控制電機M1反轉，發出適當的脈沖頻率調整極板的位置。

步驟四：如果R1支路上的電壓等于R2支路上的電壓，則轉去檢測R3和R4支路的電壓。

步驟五：如果R3支路上的電壓大于R4支路上的電壓，則根據兩支路上電壓差值的大小而控制電機M2正轉，發出適當的脈沖頻率；如果R3支路上的電壓大于R4支路上的電壓，則根據兩支路上電壓差值的大小而控制電機M2反轉，發出適當的脈沖頻率調整極板的位置。

步驟六：如果R3支路上的電壓等于R4支路上的電壓，則又轉去檢測R1和R2支路的電壓。以此往復進行調整。

步驟七：重復上面幾步的過程，以使極板盡可能垂直正對光照強度，從而實時獲得較強的太陽能照射。

如圖4所示，蓄電池的快速充電步驟如下：

當太陽能電池板將太陽能轉換為電能之后，電能需要存儲在蓄電池中供消防應急燈照明使用。然后，通過電壓檢測電路，電流檢測電路對蓄電池的充、放電電壓、電流進行檢測，利用無線傳輸模塊將檢測到的信息發送給控制器，控制器對系統狀態分析之后，通過無線傳輸模塊發送出控制信息。

步驟一：首先，對蓄電池進行充電的初期進行小電流恒流充電。

步驟二：檢測電路對蓄電池兩端電壓U、電流I進行檢測，并且計算恒流充電時間。

步驟三：控制器對接收到的蓄電池狀態信息進行計算(蓄電池容量C1)、分析，然后由無線傳輸模塊發送控制信號給驅動電路，控制開關管的接通和關斷。

步驟四：當蓄電池電壓達到一定值時，為了減小蓄電池的析氣率，且提高對蓄電池的充電效率，轉為對蓄電池進行階段式恒流充電。

步驟五：當檢測到蓄電池的充電容量C1大于85％時，則接通浮充電路的開關，斷開快充電路的開關，使電池以恒定的小電流對蓄電池進行浮充充電，以維持蓄電池的自放電量。

步驟六：當檢測到蓄電池的充電容量C1小于85％時，則接通快充電路的開關，斷開浮充電路的開關，使電池進入快充階段。

步驟七：在對蓄電池進行充電時，對充電過程中電流進行檢測。

步驟八：當檢測到的電流比馬斯曲線上的電流高時，就接通電路，以階段式恒流方式進行充電；當檢測到的電流比馬斯曲線上的電流低時，就接通電路，以最大功率下的電流進行直接充電。

步驟九：在每一個電流階段之后，接通放電電路的開關，進行瞬間的放電。

如圖5所示，最大功率跟蹤算法實現：

步驟一：利用測電壓電路和測電流電路測出電池板當前工作狀態下的電壓值U和電流值I。此時，對控制器內的計數器進行初始化，使得N＝0.

步驟二：根據P＝U*I計算出此刻的輸出功率P(K)，然后與前一次存儲的功率值P(K-1)進行比較，看它們是否相等。若相等，則存儲此刻的功率值和占空比，以后保持這一占空比進行功率輸出；若不等，且判斷此刻N的值是否滿足等式N>8。

步驟三：當N值不滿足等式N>8時，則執行改進過的擾動觀察法；否則，則執行改進過的電導增量法。

步驟四：當執行擾動觀察法判斷當前的輸出功率P(k)與前一次存儲的輸出功率P(K-1)的大小關系。假設當P(K)時刻的功率小于P(K-1)時刻的功率時，說明功率的變化方向與占空比D的變化方向相同(此時的步長比較大)。

步驟五：為了使輸出功率達到最大，應該保持前一刻的步長大小繼續在這個方向上調整占空比。

步驟六：直到輸出功率P(K)大于P(K-1)時，此刻說明最大輸出功率點已經過去，此時，需要反方向調整占空比。

步驟七：反方向調整步長，每執行一次，計數器加1，且步長減小為原來的一半，當P(K)仍然大于P(K-1)時，則繼續執行此過程。

步驟八：直到條件不滿足，此時說明最大功率點又已經過去，則轉去執行步驟四，此時，計數器停止計數，步長停止減半。

步驟九：循環執行以上步驟。

步驟十：直到等式N>8不滿足條件時，且每次往返過程的步長都在前一次步長的基礎上減少一半，這樣8次下來之后，系統就已經工作在最大功率點附近了，且在最大功率點附近做往返運動。

步驟十一：當N>8時，轉到調到增量法，判斷此刻的輸出功率是否與前一刻的輸出功率是否相等。

步驟十二：如果兩時刻的功率相等，則保持前一刻的占空比，輸出此刻的輸出功率、占空比，并保存起來。

步驟十三：如果此刻的輸出功率與前一刻的輸出功率不相等，則判斷兩時刻的大小關系。

步驟十四：當功率的變化方向是與占空比D的變化方向相同時，即dP/dD>0，此時為了使功率達到最大輸出應該調節占空比，若dD>0，則D繼續增加；若dD<0,則D應該減小；

步驟十五：當功率的變化方向與占空比D的變化方向相反時，即dP/dD<0,此時如果使功率達到最大輸出應該調節占空比，若dD>0,則D應該減小，若dD<0,則D應該增大；

步驟十六：當電池板已經工作在最大功率點附近，即dP/dD＝0。此時已達到最大功率輸出，應該保持此刻的占空比不變。

步驟十七：最后把此刻的輸出功率P(K)、占空比D(K)存儲起來。