使用MCU或片上系統(tǒng) (SOC)可以簡(jiǎn)便地提高太陽(yáng)能板的效率

        今天，人們比以往任何時(shí)候都更關(guān)心礦石燃料排放和傳統(tǒng)發(fā)電和可再生能源所導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題。在可再生資源中，主要是太陽(yáng)能板和風(fēng)力發(fā)電。他們的優(yōu)勢(shì)是可保持并且無(wú)污染，但他們的安裝成本較高，并且在大多數(shù)應(yīng)用中，他們的負(fù)載接口需要電源調(diào)節(jié)器(dc/dc 或dc/ac轉(zhuǎn)換)。光電模塊(PV模塊)還有相對(duì)較低的轉(zhuǎn)換效率。

        使用高效率電源調(diào)節(jié)可以減少整體系統(tǒng)成本，旨在從PV模塊提取最大限度的能量（使用最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)--MPPT）?，F(xiàn)有的面板系統(tǒng)也存在缺點(diǎn)，一整天只能導(dǎo)向一個(gè)方向，不能總是直接面對(duì)太陽(yáng)光。

        在這篇文章中，我們將討論的技術(shù)是，如何在系統(tǒng)級(jí)提高太陽(yáng)能面板效率，包括太陽(yáng)能電池板最大受光定位，最大限度地從太陽(yáng)能板提取現(xiàn)有電力，以及智能電池壽命管理。

框圖

圖1.框圖

        我們從框圖中可以看到，該系統(tǒng)的主要部件是一個(gè)MCU或一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)。系統(tǒng)的全部智能都來(lái)源于這顆芯片，它是可重構(gòu)和可升級(jí)的。在太陽(yáng)能面板中，兩個(gè)光電二極體保持與面板平面垂直，其輸出反饋到MCU(MCU)。這些二極管和直流電機(jī)確定面板方位。根據(jù)二極管輸入，MCU控制直流馬達(dá)使太陽(yáng)能電池板定位到可以收到最大光的方向。這兩個(gè)用于陽(yáng)光跟蹤的光電二極體是反向偏壓的，這意味著通過(guò)這些二極管的反向電流隨入射光而變化。在白天，反向電流在10uA和 75uA之間變化。逆向暗電流(當(dāng)沒有光線入射光電二極體)只有幾nA。

        跨阻放大器(TIA)用于將反向電流轉(zhuǎn)換成等效電壓。放大器的增益使用反饋電阻設(shè)置。光電二極體經(jīng)常有大量輸出電容。這需要在TIA并聯(lián)反饋電容，從而保證穩(wěn)定性并提供帶寬限制減少寬帶噪聲。TIA的輸出電壓Vout，由下列公式?jīng)Q定:

                                                 Vout = Vref - Iin * Rfb

這里Rfb是電阻反饋，Iin是二極管電流，Vref是連接到運(yùn)算放大器正極的參考電壓。

        輸出電壓是使用一個(gè)片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的。由于反向電流很小(數(shù)十uA)，ADC必須能夠分辨較小的電壓，所以需要精確的參考電壓。每一個(gè)傳感器的輸出要經(jīng)過(guò)固件IIR濾波器濾波，清除任何光強(qiáng)度的突然變化。系統(tǒng)中使用一個(gè)ADC可測(cè)量到多個(gè)電壓。兩個(gè)二極管對(duì)應(yīng)的數(shù)字化值不斷地比較。如果兩個(gè)值之間的差異在一個(gè)預(yù)定的門限內(nèi)，面板位置保持不動(dòng)。如果差超過(guò)門限，面板朝強(qiáng)度高的方向傾斜，直到差進(jìn)入門限范圍內(nèi)。這樣我們就可以定位面板朝最大光強(qiáng)度的方向。

        直流電機(jī)使用MCU產(chǎn)生的PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。PWM占空比決定電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。保持占空比較低，這是為了有緩慢而精確的運(yùn)動(dòng)。隨著面板定位好自身方向接受最強(qiáng)光，PWM占空比逐漸降低。一個(gè)可行的案例是一個(gè)65535 step的16位PWM。采用這樣小的step，就可以從黎明到黃昏都能準(zhǔn)確地追蹤陽(yáng)光。

        電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)電流是幾十mA。MCU的GPIO不能提供足夠的源電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。要有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)增大。驅(qū)動(dòng)有H橋結(jié)構(gòu)，其允許電機(jī)電流方向的數(shù)字控制，因此電機(jī)方向也可控制。驅(qū)動(dòng)可以提供1A的電流。還要注意，跟蹤機(jī)制是這樣的，電機(jī)是定期的(每隔幾分鐘)間歇脈沖。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均電流相當(dāng)小。

        有兩個(gè)開關(guān)連接到MCU。這些開關(guān)當(dāng)面板旋轉(zhuǎn)到極限位置(東和西)時(shí)觸發(fā)，他們決定面板的最大旋轉(zhuǎn)限度。在MCU上有一個(gè)輔助實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其保持時(shí)間跟蹤，所以一旦太陽(yáng)下山，光強(qiáng)明顯變?nèi)醯臅r(shí)候，面板重新回到初始位置，面向東方。第二天，面板接著追蹤太陽(yáng)并處理。

最大功率點(diǎn)跟蹤
 
        圖2顯示了光電模塊的等效電路。太陽(yáng)能電池可以看作電流源，其和一個(gè)二極管并聯(lián)。在沒有光時(shí)，沒有電流產(chǎn)生，它表現(xiàn)為一個(gè)二極管。當(dāng)有光線入射到太陽(yáng)能電池時(shí)，電流產(chǎn)生。

        正常操作下，太陽(yáng)能電池的效率會(huì)由于其內(nèi)阻損失功耗而降低。寄生電阻由并聯(lián)分流電阻 (Rsh)和串聯(lián)電阻(Rs)構(gòu)成。理想情況下，Rsh應(yīng)該是無(wú)窮大，因此不會(huì)有路徑讓電流分流， Rs應(yīng)該零，這樣不會(huì)在到達(dá)負(fù)載之前有電壓降。

        研究發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電阻Rs的值隨溫度升高而增大。為了使用效果比較好，就需要有一個(gè)較低的串聯(lián)電阻Rs。因此，在較高的環(huán)境溫度下，面板效率會(huì)降低，如沙漠。而在寒冷的國(guó)家，串聯(lián)電阻的值比較小，效率會(huì)更高。

        在該系統(tǒng)中，用于充電的電池是負(fù)載RL。它可能使太陽(yáng)能面板誤認(rèn)為電池有匹配的阻抗，從而給電池轉(zhuǎn)移最多電荷。這也可以能通過(guò)改變太陽(yáng)能面板的運(yùn)行點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，解釋見下文。

 
圖2  PV模塊等效電路

         PV模塊的典型V-I輸出特性見圖3。研究表明，溫度變化是影響PV輸出電壓變化的主要因素，而輻射主要影響PV輸出電流。隨著照明增加，電流增大，此特征更明顯。負(fù)載線和PV模塊V-I曲線（指定溫度和輻照下）的交匯點(diǎn)決定運(yùn)行點(diǎn)。產(chǎn)生的最大功率基于不同大氣條件下負(fù)載線的調(diào)整。

 圖3.太陽(yáng)能電池的V-I特點(diǎn)

         圖4說(shuō)明了太陽(yáng)能電池功率和電壓的對(duì)比圖。可以看出，對(duì)于短路電流(Isc，功率圖最左面點(diǎn))，和開路電壓 (Voc，功率圖最右面點(diǎn))，面板輸出功率都為零。在某一個(gè)點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)，輸送到面板的功率是最大的。MPPT算法的目標(biāo)是使太陽(yáng)能面板工作在這一點(diǎn)上，輸出最大功率。

 

圖4 功率與電壓對(duì)比圖

         面板輸出連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器單元，其將面板電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)適合電池充電的可用電壓。DC-DC單元包括由MOSFET、電感、濾波器。操作DC-DC轉(zhuǎn)換器必要的開關(guān)脈沖(PWM)由MCU產(chǎn)生。緊接著DC-DC單元的是一個(gè)MOSFET開關(guān)，用于通過(guò)面板改變負(fù)載。正如之前的解釋，對(duì)于給定的溫度和日照，面板輸出功率隨連接的負(fù)載變化而變化，對(duì)于某個(gè)特定負(fù)載，功率傳輸最大。可變負(fù)載也可稱為可變操作點(diǎn)。我們的目標(biāo)是跟蹤這個(gè)變化的最大功率點(diǎn)。

用于來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)機(jī)制的流程圖如圖5所示:

 

圖5  MPPT算法的流程圖

        這個(gè)MPPT設(shè)計(jì)方法是基于PV陣列輸出電壓或電流規(guī)則的，或者基于相應(yīng)的參考電壓或電流信號(hào)，要么是常數(shù)或來(lái)自PV光伏陣列輸出特性(例如，功率和功率變化)。該方法的一個(gè)變化是直接使用dc/dc轉(zhuǎn)換器占空比作為控制參數(shù)，強(qiáng)制導(dǎo)數(shù)dP / dD為零，這里P是PV陣列輸出功率，D是占空比。因此只需要一個(gè)控制環(huán)路。

        最常用的擾動(dòng)觀察法是最MPPT算法。在該方法中，連接MOSFET（隔開面板和電池）的PWM的占空比變化量很少，只有幾dW。如果這少量變化增加了。面板電壓和電流會(huì)測(cè)量到，相應(yīng)的功率變化dP也會(huì)觀察到。如果變化是正的，那么擾動(dòng)是正確的方向，我們繼續(xù)在相同的方向擾動(dòng)(例如，增加占空比)。如果功率改變是負(fù)的，那么就要翻轉(zhuǎn)顛倒擾亂方向(例如，減少占空比責(zé)任周期)然后繼續(xù)工作。這種算法的主要目的是總是提升功率曲線，以達(dá)到從太陽(yáng)能電池輸出最大功率。通過(guò)這種方式，我們可以使太陽(yáng)能電池板總是工作在提供最大功率的點(diǎn)上。

        如果還沒有實(shí)現(xiàn)MPPT系統(tǒng)，連接到面板的負(fù)載總是一成不變的，它不可能工作在最大功率點(diǎn)。因此，它將不再?gòu)拿姘宀东@最大功率。

電池健康管理:

        因?yàn)樘?yáng)能板暴露在太陽(yáng)下的時(shí)間大約為半天，這個(gè)期間它可以用來(lái)給電池充電。對(duì)于大多數(shù)市面上能買得到的鉛酸電池，充電需要10 - 12小時(shí)，這和有陽(yáng)光的時(shí)間大約是相同的。然而，為了提高電池的使用壽命，可以采用下面的方法。通常，電池充電要經(jīng)歷三個(gè)階段，如圖7所示：:

• 恒流充電或大量充電階段
• 頂部充電階段
• 浮充電階段

        讓我們以一個(gè)12V鉛酸電池充電為例。電池電平通過(guò)MCU內(nèi)置的ADC模塊連續(xù)監(jiān)測(cè)。如果電池電壓小于標(biāo)稱值，那么稱為“接受電壓Accept Voltage”的適當(dāng)充電電壓應(yīng)用于電池，隨溫度而變化，。應(yīng)用于電池的接受電壓電壓使用PWM驅(qū)動(dòng)的大功率晶體管切換，從DC-DC電源轉(zhuǎn)換器輸出。在這期間，充電電流不變。在鉛酸電池情況下，我們可以稱之為大量充電階段。一旦電池電壓達(dá)到標(biāo)稱值，電池就已經(jīng)充了70%?，F(xiàn)在還要繼續(xù)充電，直到電流降到大約電池額定電流的3%。這可通過(guò)前面介紹的持續(xù)PWM充電方式實(shí)現(xiàn)。這個(gè)充電階段稱為頂部充電階段。當(dāng)充電電流降到額定電流的3%，電池完全充滿。頂部充電階段用來(lái)保持電池健康。如果沒有頂部充電階段，電池會(huì)逐漸失去完全充電的能力。

        充電完成后，為了維持充電電平，電池采用PWM波形形式的合適電壓（稱為浮充電壓）。浮充電壓通常用于自放電補(bǔ)償（通過(guò)鉛和其他寄生效應(yīng)）。電池的浮充電壓和接受電壓隨溫度變化而變化。MCU連續(xù)讀取溫度傳感器的輸出，然后確定接受電壓和浮充電壓。他們的值由MCU產(chǎn)生的PWM波形控制。

        還要確保電池不要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行頂部充電。電池必須要有相反地浮充電，因?yàn)殡姵乜赡軣o(wú)法容忍過(guò)渡充電。在片內(nèi)RTC的幫助下，這很容易實(shí)施。脈沖充電電池充電的優(yōu)勢(shì)是，我們避免了很多化學(xué)效應(yīng)，例如硫酸鹽化作用，有毒氣體等等。還要以避免電池在50攝氏度以上充電。溫度傳感器就是用于此用途。

 

圖6電池充電

        可以使用一顆片上系統(tǒng)(SoC)實(shí)現(xiàn)我們談到的整個(gè)系統(tǒng)，比如賽普拉斯的混合信號(hào)芯片PSoC，其具備可編程模擬和可編程數(shù)字邏輯。所需的外部組件僅僅是一個(gè)二極管和DC-DC轉(zhuǎn)換器的電感，以及用來(lái)平衡電池和PV模塊電壓的電阻。

 
圖7:PSoC實(shí)現(xiàn)示意圖

        PSoC包含的跨阻放大器(TIA)組件可以提供基于放大器的和對(duì)數(shù)電流-電壓轉(zhuǎn)換增益，并具有阻抗增益，用戶可以選擇帶寬。放大器的增益可以使用反饋電阻器設(shè)置，可以通過(guò)固件選擇20?K、30?K、40 ?K，80?K，150?K， 250?K，500?K和1 M?。光電二極體通常輸出體現(xiàn)為電容，并聯(lián)一個(gè)反饋電容可以保證其穩(wěn)定性。TIA有滿足這個(gè)要求的可編程反饋電容。二極管的特性可能會(huì)隨環(huán)境條件而變化?？梢酝ㄟ^(guò)PSoC編程來(lái)適應(yīng)這些變化的條件。

        輸出電壓是使用20-bit Delta Sigma ADC數(shù)字化的。通過(guò)為ADC選擇合適的片上參考，就有可能測(cè)量到2 uV的電壓。ADC參考采用是精度很高的源，只有不到1%的錯(cuò)誤。在這個(gè)系統(tǒng)中，可以使用一個(gè)ADC測(cè)量多個(gè)電壓。這些電壓可以通過(guò)PSoC內(nèi)部的模擬多路復(fù)用器來(lái)順序采樣和數(shù)字化。多路復(fù)用器可以通過(guò)固件在輸入通道之間切換。PWM模塊是驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和MOSFET（其為電池充電）脈沖必需的。還可以使用PWM硬件通過(guò)一點(diǎn)編程產(chǎn)生這些PWM波形。內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)跟蹤時(shí)間，因此一旦太陽(yáng)下山，光強(qiáng)度顯著下降時(shí)，面板會(huì)回到初始位置面向?qū)|方。第二天面板繼續(xù)追蹤太陽(yáng)。RTC還用來(lái)防止過(guò)充電。

         通過(guò)本文提到的實(shí)施三個(gè)子系統(tǒng)可以提高光電系統(tǒng)效率。過(guò)高的安裝費(fèi)用和PV模塊的低轉(zhuǎn)換效率是阻止人們采用太陽(yáng)能發(fā)電的原因。使用智能方法，就可以提高效率，就有可能鼓勵(lì)人們使用PV模塊。任何現(xiàn)有的太陽(yáng)能板只需要做很少的努力就都可以升級(jí)到有這三個(gè)實(shí)現(xiàn)。升級(jí)的成本相比PV模塊本身來(lái)說(shuō)很少。讓我們開始利用太陽(yáng)能，減少環(huán)境污染，建立綠色星球。