兼顧效率與成本的太陽(yáng)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)軟件也不須 要開(kāi)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(kāi)發(fā)，可跳過(guò)此設(shè)計(jì)時(shí)間。

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(kāi)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(guò)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(kāi)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)。

圖5　同步升降壓電池充電控制器MPPT的全面搜索，較高曲線為電池板電壓;中間的曲線則為電池板電流;圖中底部的曲線則是該充電器的控制信號(hào)。

高頻抖動(dòng)方法用來(lái)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。

圖6　同步升降壓電池充電控制器在兩次全面搜索之間進(jìn)行局部高頻抖動(dòng)。較高曲線為電池板電壓;圖中底部的曲線則為電池板電流;圖的中間曲線則是來(lái)自該控制器的控制信號(hào)。

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(guò)程;透過(guò)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(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 (LED)指示器燈。充電電流限制可透過(guò)改變一或兩個(gè)電阻來(lái)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(kāi)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(niǎo)糞等都可能降低電池板性能(圖7)。電源芯片 商所開(kāi)發(fā)出的新式升降壓開(kāi)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(kāi)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(guò)去非常困難的設(shè)計(jì)任務(wù)。