光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)
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3．2 最大功率跟蹤模塊
光伏發(fā)電系統(tǒng)中的太陽能電池板在一定的條件下具有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)太陽能電池板工作在該點(diǎn)時(shí)能輸出當(dāng)前條件下的最大功率。但由于太陽能電池板的輸出特性受負(fù)載、光強(qiáng)、溫度等因素的影響，其輸出電壓和電流均在發(fā)生變化，從而使輸出功率不穩(wěn)定，即最大功率點(diǎn)時(shí)刻在變化，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)效率降低。
因此，跟蹤太陽能電池板輸出的最大功率點(diǎn)是提高光伏系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。當(dāng)太陽電池工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨太陽電池端電壓上升而增加；工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨太陽電池端電壓上升而減少。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過程，即通過控制太陽電池端電壓，使電池能在各種不同外部環(huán)境下智能地輸出最大功率，不斷獲得最大功率輸出。
DC-DC變換器是一種通過控制電壓將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅淖儞Q電路。對(duì)于線性電路來說，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，電源有最大功率輸出。雖然太陽電池和DC-DC變換電路都是非線性的，但在極短的時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它始終等于太陽能電池板的內(nèi)阻，就可實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，也就實(shí)現(xiàn)了太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。當(dāng)負(fù)載電阻等于太陽能電池板內(nèi)阻時(shí)，負(fù)載兩端的電壓恰好等于輸出電壓的一半，因此在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。光伏發(fā)電系統(tǒng)中將DC-DC變換器接入太陽能電池板的輸出回路，并通過嵌入式系統(tǒng)中的單片機(jī)對(duì)DC-DC變換器的輸入、輸出電壓進(jìn)行采樣計(jì)算，同時(shí)產(chǎn)生控制脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部開關(guān)管占空比來改變其負(fù)載大小，使得負(fù)載電壓為太陽能電池板輸出電壓的1／2來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。由于采用升降壓式(Buck-Boost)DC-DC轉(zhuǎn)換電路，這種最大功率功率跟蹤電路又稱為Buck-Boost電路，如圖4所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/150084.htm
為使晶體管T工作在開關(guān)狀態(tài)，通過單片機(jī)在其基極與發(fā)射極之間施加周期一定、高電平存在時(shí)間可調(diào)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。在一個(gè)周期中晶體管導(dǎo)通時(shí)間與周期之比稱為占空比，當(dāng)太陽能輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)Buck-Boost電路的占空比就可保證太陽能電池板輸入鉛酸電池的電壓穩(wěn)定。
3．3 雙電源切換模塊
太陽能綠色環(huán)保，取之不盡用之不竭，但卻受到環(huán)境因素的制約。長(zhǎng)時(shí)間的陰雨天氣，光照時(shí)間不足勢(shì)必造成鉛酸電池電能耗盡無法補(bǔ)充，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)癱瘓，甚至?xí)?duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)照成無法逆轉(zhuǎn)的破壞。對(duì)于安置在惡劣環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)，它的電源供給需要應(yīng)對(duì)各種極端情況。雙電源切換功能的引入極大地增強(qiáng)了供電的穩(wěn)定性。
雙電源切換電路包括充電電路和放電電路，如圖5所示。充電控制電路利用光耦控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，當(dāng)ChargeUpControl端口的控制電平為低時(shí)，光耦TLP521-1導(dǎo)通，柵極電平為低，MOS管IRLML6402導(dǎo)通；反之MOS管斷開，從而達(dá)到控制太陽能電池板電壓輸出的充電電壓對(duì)電池充電的效果。放電控制電路同樣利用光耦控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，當(dāng)Diseharge端口的控制電平為低時(shí)，光耦導(dǎo)通，柵極電平為低，MOS管導(dǎo)通；反之MOS管斷開，從而達(dá)到控制電池輸出電壓的效果。
需要注意的是在放電電路中接入了一個(gè)220μF的旁路電容，在光耦未導(dǎo)通之前，電池通過R2電路對(duì)C1進(jìn)行充電，這個(gè)過程大概需要10 min，使得MOS管的柵極保持高電平，讓充電通路保持?jǐn)嗦罚瑥亩鸬皆诜庋b前保護(hù)電池和充電回路的作用；而在光耦導(dǎo)通時(shí)，由于柵極沿著光耦接地低電平，使得MOS管導(dǎo)通，此時(shí)，充電電路正常工作，而電容C1則不發(fā)揮作用。
ChargeUpControl和Discharge控制電平均由單片機(jī)根據(jù)電池電壓檢測(cè)結(jié)果而提供。設(shè)定好一定的監(jiān)測(cè)電壓值，當(dāng)電池電壓下降到某個(gè)值時(shí)控制開啟充電回路關(guān)閉放電回路，當(dāng)電池電壓上升到某個(gè)值時(shí)控制開啟放電回路關(guān)閉充電回路。當(dāng)安置兩路這種充放電電路時(shí)，通過控制電平的調(diào)配，即可實(shí)現(xiàn)兩塊電池輪流充電供電。
雙電源切換模塊的引入極大地提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。
結(jié)語
本文以光伏發(fā)電為基礎(chǔ)，配合集成電路搭建了一種嵌入式系統(tǒng)電源。在傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上加入了智能充電控制芯片、最大功率跟蹤、雙電源切換功能，最大限度地延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，極大地提高了電源供電的效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)于工作在野外極端環(huán)境、惡劣條件下的嵌入式系統(tǒng)具有較高的使用和推廣價(jià)值。
評(píng)論