【導(dǎo)讀】新型能源一直都是整個(gè)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽(yáng)能是免費(fèi)的綠色能源，更是新能源的重中之重。但是想要設(shè)計(jì)出兼顧效率和成本的系統(tǒng)并非易事。本文就講述了設(shè)計(jì)兼顧成本和效率的太陽(yáng)能系統(tǒng)。
太陽(yáng)能是綠色能源，而且是免費(fèi)的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板的最佳功率提供點(diǎn)偏移，此外，設(shè)備老化、局部光照被遮擋、日落、被動(dòng)物糞便污染等，都可能妨礙太陽(yáng)能電池板的性能。基于這些可靠性和可變性問題，幾乎所有太陽(yáng)能供電設(shè)備都采用可再充電電池，以提供備分電源；過去一度僅使用鉛酸電池，現(xiàn)在所用電池種類已經(jīng)擴(kuò)大到包括鋰電池了。
太陽(yáng)能供電應(yīng)用之所以配備再充電系統(tǒng)，是為了盡可能汲取更多的太陽(yáng)能，以迅速為電池充電并保持電池的電荷狀態(tài)。此外，當(dāng)太陽(yáng)能電池板得到的光照很少或沒有光照時(shí)，電池漏電大小就至關(guān)重要，無(wú)論何時(shí)只要可能，就應(yīng)該減到最少。
顯然，太陽(yáng)能供電應(yīng)用正處于成長(zhǎng)階段。現(xiàn)在有各種不同尺寸的太陽(yáng)能電池板可為各種各樣的創(chuàng)新應(yīng)用供電，例如人行橫道標(biāo)志燈、垃圾壓實(shí)機(jī)、海上浮標(biāo)燈等；有些太陽(yáng)能供電應(yīng)用采用的電池是深度循環(huán)類電池，能承受很多個(gè)反復(fù)充電周期以及深度放電，這類電池常見于"離網(wǎng)"(即與電力公司電網(wǎng)斷開)可再生能源系統(tǒng)，例如太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。就離網(wǎng)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間非常重要，因?yàn)檫@類系統(tǒng)并不易靠近。
太陽(yáng)能電池板基礎(chǔ)知識(shí)
就一定量的光能和工作條件而言，太陽(yáng)能電池板在某一特定輸出電壓上產(chǎn)生峰值輸出功率。圖1所示為由七十二節(jié)電池組成的太陽(yáng)能電池板，在電池板溫度為60°C時(shí)的特性。虛線代表電池板的I-V曲線，X軸表示電池板電壓。實(shí)線表示當(dāng)電池板電壓從0V變化到電池板開路電壓時(shí)電池板產(chǎn)生的輸出功率；電池電壓變化是用簡(jiǎn)單的負(fù)載箱實(shí)現(xiàn)的。
圖1 在不存在局部光照被遮擋的情況下，給定太陽(yáng)能電池板的簡(jiǎn)單功率曲線。
就此處所述這一特定情況而言，最大功率點(diǎn)在32V，該電池板可提供140W功率。如果允許電池板溫度變化，在真實(shí)情況中這當(dāng)然是允許的，那么最大功率點(diǎn)可能在大熱天的28V到寒冷冬天的44V之間變化。
很多較簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能充電系統(tǒng)會(huì)將電池板電壓工作點(diǎn)設(shè)定為固定值；在上述特定電池板情況下，這類較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)會(huì)將電池板工作點(diǎn)設(shè)定到32V，以在給定溫度時(shí)汲取最大功率，而這個(gè)例子的溫度為60°C。不過，當(dāng)電池板溫度變化時(shí)，會(huì)浪費(fèi)大量功率，因?yàn)殡姵匕宀辉谡嬲淖畲蠊β庶c(diǎn)上工作了。在這類情況下，可能會(huì)浪費(fèi)20-30%以上的可用功率。
使情況變得更糟的是，按照已實(shí)行的安全標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)電池板必須在太陽(yáng)能電池?cái)?shù)組中裝上旁路二極管；這么做的原因，是當(dāng)部分電池板被遮住而得不到太陽(yáng)光照射，而其他部分得到充足陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)能電池板會(huì)有一些特殊情況發(fā)生。
這時(shí)，被遮住的太陽(yáng)能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過，因?yàn)槠渌玫匠渥愎庹盏碾姵卣谔峁╇娏鳎徽谧〉碾姵販囟瓤赡苌仙@有可能造成火災(zāi)。為了幫助降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，制造商在電池板各處都放置了旁路二極管。圖2顯示在上述七十二節(jié)電池的太陽(yáng)能電池板上，旁路二極管是怎樣放置的。
圖2 出于安全考慮，七十二節(jié)電池的太陽(yáng)能電池板上放置了三個(gè)旁路二極管。
[page] 由于電池板中存在旁路二極管，當(dāng)部分電池板被遮擋時(shí)，就可能出現(xiàn)復(fù)雜的功率電壓特性。圖3顯示了這種情況，其中出現(xiàn)了兩個(gè)局部最大功率點(diǎn)，一個(gè)在21V電壓處，另一個(gè)在37V電壓處。如果采用前述簡(jiǎn)單的32V功率點(diǎn)設(shè)定方法，那么可獲得79.4W功率，而不是在真正最大功率點(diǎn)21V上可獲得的90.1W；這表明在這種情況下?lián)p失了13.5%的功率。顯然可跟蹤真正最大功率點(diǎn)并在其上工作的系統(tǒng)會(huì)有卓越功率表現(xiàn)。
圖3 當(dāng)太陽(yáng)能電池板被部分遮擋時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較復(fù)雜的功率曲線。
太陽(yáng)能供電可再充電電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
太陽(yáng)能電池板的典型效率約在5-15%之間。考慮到較大型(即更強(qiáng)大)的電池板成本更高，所以太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)必須最大限度提高效率，以最大限度降低系統(tǒng)總體成本。
太陽(yáng)能供電產(chǎn)品要有效收集太陽(yáng)能，其設(shè)計(jì)必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時(shí)還能夠使太陽(yáng)能電池板在最大功率點(diǎn)或其附近工作。并且，該設(shè)計(jì)必須能夠?yàn)樵摦a(chǎn)品選擇安全的化學(xué)組成電池充電。
在太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中，還會(huì)遇到其他設(shè)計(jì)問題嗎？就任意給定太陽(yáng)能供電系統(tǒng)而言，固件開發(fā)和調(diào)試可能需要大量時(shí)間，如果太陽(yáng)能電池板的最佳功率提供點(diǎn)可以低于、等于或高于電池電壓(這是非常常見的情況)，那么會(huì)需要更加復(fù)雜的升降壓拓?fù)洹?br />
升降壓拓?fù)湓试S真正的雙向隔離(相較于降壓型拓?fù)洌绻姵匕鍥]得到光照，那么它可能透過NMOS的體二極管和電感器耗盡電池電量)。為保護(hù)電池，須要恰當(dāng)?shù)碾妷航K止。最后，既然電池板不是可靠的電源，那么就需要電池原地充電(充電器給電池饋電，且負(fù)載連接到電池)，在這種情況下，電池既是電源，又做為緩沖器使用。
最大功率點(diǎn)追蹤提升太陽(yáng)能系統(tǒng)發(fā)電量
太陽(yáng)能電池板可能在某些非理想環(huán)境條件下工作，如電池板部分被遮擋(樹葉、鳥糞、陰影、雪等)、電池板的溫度變化、電池板老化等；最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)這種方法有助于在所有工作條件下，從太陽(yáng)能電池板汲取最多能量。
在離網(wǎng)太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)故障代價(jià)高昂，客戶希望盡可能從電池板汲取最多能量。此外，他們希望最大限度延長(zhǎng)兩次太陽(yáng)能供電系統(tǒng)維護(hù)之間的正常運(yùn)行時(shí)間。
真正的主動(dòng)最大功率點(diǎn)追蹤會(huì)找出所有條件下的最佳工作點(diǎn)，這會(huì)降低系統(tǒng)總體成本，因?yàn)榭梢允褂米钚〉碾姵匕寤蜃钚〉碾姵兀瑥亩鴾p少過度設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求。真正的MPPT會(huì)發(fā)現(xiàn)最佳峰值功率點(diǎn)，并剔除假的局部最大功率點(diǎn)，這種局部最大功率點(diǎn)在部分被遮擋的電池板中很常見(電池板部分被遮擋時(shí)的供電模式由電池板內(nèi)部旁路二極管的數(shù)量和安排決定)。
解決上述問題的IC充電解決方案，須要具備以下特性，即使不是全部、也必須囊括許多特性：
● 最短的軟件和固件開發(fā)時(shí)間
● 彈性的升降壓拓?fù)?br />
● 主動(dòng)MPPT算法
● 簡(jiǎn)單、自主運(yùn)行(無(wú)需微處理器)
● 因應(yīng)各種不同電池化學(xué)組成的終止算法
● 原地充電--向負(fù)載供電的同時(shí)給電池充電
● 寬輸入電壓范圍以適合各種不同的電源
● 寬輸出電壓范圍以應(yīng)對(duì)多個(gè)電池組
● 高輸出/充電電流
● 小型、扁平解決方案
● 先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間占用效率
● 成本效益的解決方案
典型的復(fù)雜太陽(yáng)能電池充電系統(tǒng)由一個(gè)直流對(duì)直流(DC-DC)開關(guān)電池充電器、一個(gè)微處理器和幾個(gè)IC，以及分立式組件組成，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)控制/追蹤功能；另一種可能的解決方案是太陽(yáng)能模塊。不過這些解決方案費(fèi)用高昂、復(fù)雜而不易設(shè)計(jì)(需要軟件、固件等)，而且往往鎖定到假的太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)上，因此無(wú)法以盡可能高的效率運(yùn)行。
有鑒于此，電源芯片商推出一種簡(jiǎn)單、創(chuàng)新的高壓升降壓充電控制器IC，該IC專門針對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用，既不須要開發(fā)軟件也不須要開發(fā)固件，因此可大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)程。
圖4所示是一款因應(yīng)鉛酸和鋰電池的同步升降壓電池充電控制器，其具備自動(dòng)最大功率點(diǎn)追蹤和溫度補(bǔ)償功能。該組件的輸入電壓可以高于、低于或等于穩(wěn)定的電池浮動(dòng)電壓。
圖4 同步升降壓電池充電控制器的典型應(yīng)用電路
上述全功能電池充電器提供很多可選定電流定電壓(CC-CV)充電曲線，非常適合為各種鋰或鉛酸化學(xué)組成的電池充電，包括密封鉛酸電池、凝膠電池和富液式鉛酸電池，并且該芯片內(nèi)建所有充電終止算法，因此無(wú)需軟件或固件開發(fā)，可跳過此設(shè)計(jì)時(shí)間。
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該電池充電控制器可操作于寬廣的6-80V輸入電壓范圍內(nèi)，采用四開關(guān)同步整流和單個(gè)電感就可產(chǎn)生1.3-80V電池浮動(dòng)電壓輸出。視外部FET選擇的不同而異，該組件能夠提供高達(dá)10A的充電電流，其MPPT電路能夠在太陽(yáng)能電池板的整個(gè)工作范圍內(nèi)工作，即使電池板部分被遮擋而導(dǎo)致存在局部最大功率點(diǎn)，它也能找出真正的最大功率點(diǎn)。
一旦發(fā)現(xiàn)真正的最大功率點(diǎn)，這款電池充電控制器就會(huì)在該點(diǎn)上工作，同時(shí)運(yùn)用高頻抖動(dòng)方法快速追蹤局部最大功率點(diǎn)的變化。透過這種方法，即使在非理想工作環(huán)境中，該方案也能夠充分利用太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的功率。
MPPT的全面搜索如圖5所示，圖5中較高的曲線顯示電池板輸出電壓；前述的升降壓太陽(yáng)能電池充電控制器會(huì)控制電池板電壓達(dá)到開路電壓后，又再控制電池板線性斜坡下降至最低值。圖5中間的曲線則顯示隨電池板電壓變化的電池板電流；充電控制器測(cè)量該電流，然后在內(nèi)部計(jì)算功率，一旦全面掃描完成，電池板電壓就返回到所測(cè)得的最大功率點(diǎn)。
高頻抖動(dòng)方法用來追蹤兩次全面搜索之間最大功率點(diǎn)產(chǎn)生的較小變化，如圖6所示。大約在示波器圖形的中間部位，為電池板加上了一次功率點(diǎn)變化，以模仿由于天空中云的移動(dòng)而改變電池板光照量的情況。
這時(shí)，前述充電控制器先在高于、后在低于目前MPPT點(diǎn)的范圍，以小幅度連續(xù)移動(dòng)電池板電壓，以檢查是否存在一個(gè)更好的工作點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)有，就追蹤到新的點(diǎn)上，并重復(fù)上述過程；透過這種方式，控制器不必太頻繁地進(jìn)行全面搜索就能夠追蹤變化。
前文介紹的新款升降壓太陽(yáng)能電池充電控制器透過檢測(cè)電池上的外部熱敏電阻器，進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償。STATUS和FAULT接腳可用來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)指示器燈。充電電流限制可透過改變一或兩個(gè)電阻來調(diào)節(jié)，用合適的電阻分壓器可選擇充電時(shí)間長(zhǎng)度。該組件的其他特點(diǎn)包括輸入和充電電流限制接腳、一個(gè)3.3V穩(wěn)定低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)輸出、狀態(tài)接腳和可同步固定開關(guān)頻率。
新電池充電器突破MPPT設(shè)計(jì)瓶頸
太陽(yáng)能既環(huán)保又隨時(shí)可用，但是可能不那么可靠。溫度變化導(dǎo)致MPPT點(diǎn)移動(dòng)、老化、電池板部分被遮擋、日落、鳥糞等都可能降低電池板性能(圖7)。電源芯片商所開發(fā)出的新式升降壓開關(guān)穩(wěn)壓器電池充電器，可實(shí)現(xiàn)適合大多數(shù)電池類型的定電流定電壓充電曲線，例如鉛酸電池(密封SLA、富液式、凝膠)和鋰電池。
圖7 太陽(yáng)能雖環(huán)保又便利，但容易因外在環(huán)境因素影響電池板性能。
該組件還為太陽(yáng)能供電應(yīng)用提供自動(dòng)和高效的真正最大功率點(diǎn)追蹤，由于無(wú)需軟件或固件開發(fā)，所以可大幅縮短系統(tǒng)上市時(shí)間。相較于大型和復(fù)雜的同類充電系統(tǒng)，這種具成本效益和更簡(jiǎn)單的解決方案，大幅簡(jiǎn)化了過去非常困難的設(shè)計(jì)任務(wù)。
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