升降壓電池充電器內(nèi)建MPPT太陽能系統(tǒng)兼顧效率與成本

太陽能是綠色能源，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，無論何時(shí)只要可能，就應(yīng)該減到最少。

顯然，太陽能供電應(yīng)用正處于成長階段。現(xiàn)在有各種不同尺寸的太陽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，給定太陽能電池板的簡單功率曲線。

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。

很多較簡單的太陽能充電系統(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光照射，而其他部分得到充足陽光照射時(shí)，太陽能電池板會(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)電池的太陽能電池板上放置了三個(gè)旁路二極管。

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。

太陽能供電可再充電電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

太陽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。

太陽能供電產(chǎn)品要有效收集太陽能，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?/p>

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。