使用MCU或SoC簡便地提高太陽能板效率

今天，人們比以往任何時候都更關心礦石燃料排放和傳統(tǒng)發(fā)電和可再生能源所導致的環(huán)境問題。在可再生資源中，主要是太陽能板和風力發(fā)電。他們的優(yōu)勢是可保持并且無污染，但他們的安裝成本較高，并且在大多數應用中，他們的負載接口需要電源調節(jié)器(dc/dc 或dc/ac轉換)。光電模塊(PV模塊)還有相對較低的轉換效率。

使用高效率電源調節(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（使用最大功率點追蹤技術--MPPT）。現有的面板系統(tǒng)也存在缺點，一整天只能導向一個方向，不能總是直接面對太陽光。

在這篇文章中，我們將討論的技術是，如何在系統(tǒng)級提高太陽能面板效率，包括太陽能電池板最大受光定位，最大限度地從太陽能板提取現有電力，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MCU或一個片上系統(tǒng)(SoC)。系統(tǒng)的全部智能都來源于這顆芯片，它是可重構和可升級的。在太陽能面板中，兩個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確定面板方位。根據二極管輸入，MCU控制直流馬達使太陽能電池板定位到可以收到最大光的方向。這兩個用于陽光跟蹤的光電二極體是反向偏壓的，這意味著通過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)用于將反向電流轉換成等效電壓。放大器的增益使用反饋電阻設置。光電二極體經常有大量輸出電容。這需要在TIA并聯反饋電容，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，由下列公式決定:

Vout = Vref - Iin * Rfb

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

輸出電壓是使用一個片上模數轉換器數字化的。由于反向電流很小(數十uA)，ADC必須能夠分辨較小的電壓，所以需要精確的參考電壓。每一個傳感器的輸出要經過固件IIR濾波器濾波，清除任何光強度的突然變化。系統(tǒng)中使用一個ADC可測量到多個電壓。兩個二極管對應的數字化值不斷地比較。如果兩個值之間的差異在一個預定的門限內，面板位置保持不動。如果差超過門限，面板朝強度高的方向傾斜，直到差進入門限范圍內。這樣我們就可以定位面板朝最大光強度的方向。

直流電機使用MCU產生的PWM信號來驅動。PWM占空比決定電機旋轉速度。保持占空比較低，這是為了有緩慢而精確的運動。隨著面板定位好自身方向接受最強光，PWM占空比逐漸降低。一個可行的案例是一個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確地追蹤陽光。

電機運動時電流是幾十mA。MCU的GPIO不能提供足夠的源電流來驅動電機。要有一個電機驅動芯片來增大。驅動有H橋結構，其允許電機電流方向的數字控制，因此電機方向也可控制。驅動可以提供1A的電流。還要注意，跟蹤機制是這樣的，電機是定期的(每隔幾分鐘)間歇脈沖。因此，驅動電機的平均電流相當小。

有兩個開關連接到MCU。這些開關當面板旋轉到極限位置(東和西)時觸發(fā)，他們決定面板的最大旋轉限度。在MCU上有一個輔助實時時鐘，其保持時間跟蹤，所以一旦太陽下山，光強明顯變弱的時候，面板重新回到初始位置，面向東方。第二天，面板接著追蹤太陽并處理。

最大功率點跟蹤

圖2顯示了光電模塊的等效電路。太陽能電池可以看作電流源，其和一個二極管并聯。在沒有光時，沒有電流產生，它表現為一個二極管。當有光線入射到太陽能電池時，電流產生。

圖2 PV模塊等效電路

正常操作下，太陽能電池的效率會由于其內阻損失功耗而降低。寄生電阻由并聯分流電阻 (Rsh)和串聯電阻(Rs)構成。理想情況下，Rsh應該是無窮大，因此不會有路徑讓電流分流，Rs應該零，這樣不會在到達負載之前有電壓降。

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

在該系統(tǒng)中，用于充電的電池是負載RL。它可能使太陽能面板誤認為電池有匹配的阻抗，從而給電池轉移最多電荷。這也可以能通過改變太陽能面板的運行點實現，解釋見下文。

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。負載線和PV模塊V-I曲線（指定溫度和輻照下）的交匯點決定運行點。產生的最大功率基于不同大氣條件下負載線的調整。

圖3.太陽能電池的V-I特點

圖4說明了太陽能電池功率和電壓的對比圖?？梢钥闯觯瑢τ诙搪冯娏?Isc，功率圖最左面點)，和開路電壓(Voc，功率圖最右面點)，面板輸出功率都為零。在某一個點，稱為最大功率點，輸送到面板的功率是最大的。MPPT算法的目標是使太陽能面板工作在這一點上，輸出最大功率。

圖4 功率與電壓對比圖

面板輸出連接到DC-DC轉換器單元，其將面板電壓轉換成一個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轉換器必要的開關脈沖(PWM)由MCU產生。緊接著DC-DC單元的是一個MOSFET開關，用于通過面板改變負載。正如之前的解釋，對于給定的溫度和日照，面板輸出功率隨連接的負載變化而變化，對于某個特定負載，功率傳輸最大。可變負載也可稱為可變操作點。我們的目標是跟蹤這個變化的最大功率點。

用于來跟蹤最大功率點機制的流程圖如圖5所示:

圖5 MPPT算法的流程圖

這個MPPT設計方法是基于PV陣列輸出電壓或電流規(guī)則的，或者基于相應的參考電壓或電流信號，要么是常數或來自PV光伏陣列輸出特性(例如，功率和功率變化)。該方法的一個變化是直接使用dc/dc轉換器占空比作為控制參數，強制導數dP/dD為零，這里P是PV陣列輸出功率，D是占空比。因此只需要一個控制環(huán)路。

最常用的擾動觀察法是最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。面板電壓和電流會測量到，相應的功率變化dP也會觀察到。如果變化是正的，那么擾動是正確的方向，我們繼續(xù)在相同的方向擾動(例如，增加占空比)。如果功率改變是負的，那么就要翻轉顛倒擾亂方向(例如，減少占空比責任周期)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，以達到從太陽能電池輸出最大功率。通過這種方式，我們可以使太陽能電池板總是工作在提供最大功率的點上。

如果還沒有實現MPPT系統(tǒng)，連接到面板的負載總是一成不變的，它不可能工作在最大功率點。因此，它將不再從面板捕獲最大功率。

電池健康管理：

因為太陽能板暴露在太陽下的時間大約為半天，這個期間它可以用來給電池充電。對于大多數市面上能買得到的鉛酸電池，充電需要10-12小時，這和有陽光的時間大約是相同的。然而，為了提高電池的使用壽命，可以采用下面的方法。通常，電池充電要經歷三個階段，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12V鉛酸電池充電為例。電池電平通過MCU內置的ADC模塊連續(xù)監(jiān)測。如果電池電壓小于標稱值，那么稱為“接受電壓Accept Voltage”的適當充電電壓應用于電池，隨溫度而變化。應用于電池的接受電壓電壓使用PWM驅動的大功率晶體管切換，從DC-DC電源轉換器輸出。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。一旦電池電壓達到標稱值，電池就已經充了70%?，F在還要繼續(xù)充電，直到電流降到大約電池額定電流的3%。這可通過前面介紹的持續(xù)PWM充電方式實現。這個充電階段稱為頂部充電階段。當充電電流降到額定電流的3%，電池完全充滿。頂部充電階段用來保持電池健康。如果沒有頂部充電階段，電池會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償（通過鉛和其他寄生效應）。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產生的PWM波形控制。

還要確保電池不要長時間進行頂部充電。電池必須要有相反地浮充電，因為電池可能無法容忍過渡充電。在片內RTC的幫助下，這很容易實施。脈沖充電電池充電的優(yōu)勢是，我們避免了很多化學效應，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)實現我們談到的整個系統(tǒng)，比如賽普拉斯的混合信號芯片PSoC，其具備可編程模擬和可編程數字邏輯。所需的外部組件僅僅是一個二極管和DC-DC轉換器的電感，以及用來平衡電池和PV模塊電壓的電阻。

圖7 PSoC實現示意圖

PSoC包含的跨阻放大器(TIA)組件可以提供基于放大器的和對數電流-電壓轉換增益，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置，可以通過固件選擇20ΩK、30ΩK、40ΩK、80ΩK、150ΩK、250ΩK、500ΩK和1MΩ。光電二極體通常輸出體現為電容，并聯一個反饋電容可以保證其穩(wěn)定性。TIA有滿足這個要求的可編程反饋電容。二極管的特性可能會隨環(huán)境條件而變化?？梢酝ㄟ^PSoC編程來適應這些變化的條件。

輸出電壓是使用20-bit Delta Sigma ADC數字化的。通過為ADC選擇合適的片上參考，就有可能測量到2uV的電壓。ADC參考采用是精度很高的源，只有不到1%的錯誤。在這個系統(tǒng)中，可以使用一個ADC測量多個電壓。這些電壓可以通過PSoC內部的模擬多路復用器來順序采樣和數字化。多路復用器可以通過固件在輸入通道之間切換。PWM模塊是驅動直流電機和MOSFET（其為電池充電）脈沖必需的。還可以使用PWM硬件通過一點編程產生這些PWM波形。內部實時時鐘(RTC)跟蹤時間，因此一旦太陽下山，光強度顯著下降時，面板會回到初始位置面向對東方。第二天面板繼續(xù)追蹤太陽。RTC還用來防止過充電。

通過本文提到的實施三個子系統(tǒng)可以提高光電系統(tǒng)效率。過高的安裝費用和PV模塊的低轉換效率是阻止人們采用太陽能發(fā)電的原因。使用智能方法，就可以提高效率，就有可能鼓勵人們使用PV模塊。任何現有的太陽能板只需要做很少的努力就都可以升級到有這三個實現。升級的成本相比PV模塊本身來說很少。讓我們開始利用太陽能，減少環(huán)境污染，建立綠色星球。