利用MPPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效太陽能充電方案

太陽能是世界公認(rèn)的技術(shù)含量最高，最有發(fā)展前途的新能源。太陽能發(fā)電系統(tǒng)(光伏系統(tǒng))作為一種新型的能源系統(tǒng)，已經(jīng)引起許多國家的關(guān)注及研究，將在未來的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的地位，對(duì)能源消耗及環(huán)境都有重要意義。

由于光伏系統(tǒng)目前的主要問題是電池的轉(zhuǎn)換效率低且價(jià)格昂貴，因此，如何進(jìn)一步提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，如何充分利用光伏陣列所轉(zhuǎn)換的能量，一直是光伏系統(tǒng)研究的重要方向。光伏陣列輸出特性具有非線性特征，受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響。隨著光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的不同，光伏電池端電壓將發(fā)生變化，使輸出功率也產(chǎn)生很大的變化，光伏電池本身就是一種極不穩(wěn)定的電源。因此，如何能在不同光照和環(huán)境溫度下提高電源輸出功率，提高系統(tǒng)效率就成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)，這就理論和實(shí)踐上引發(fā)出光伏電池最大功率跟蹤(MPPT)問題。

提高光伏電池輸出功率

光伏電池的輸出受日照強(qiáng)度，電池結(jié)溫等因素的影響。圖1、圖2 為光伏電池的非線性函數(shù)關(guān)系在光照不同、結(jié)溫相同和光照相同、結(jié)溫不同情況下的光伏電池I-V、P-V 特性曲線。

下面具體分析不同情況下的光伏電池特性。

圖1 光照強(qiáng)度不同情況下I-V、P-V特性曲線

情況一：電池結(jié)溫不變，光照變化

從圖1 中可以得出以下結(jié)論:

①光伏電池的短路電流隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，兩者近似為比例關(guān)系;光伏電池的開路電壓在各種光照條件下變化不大;

②光伏電池的最大輸出功率隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，且在同一光照環(huán)境下有唯一的最大輸出功率點(diǎn)。在最大功率點(diǎn)左側(cè)，輸出功率隨電池端電壓上升呈近似線性上升趨勢;到達(dá)最大功率點(diǎn)后，輸出功率開始快速下降，且下降速度遠(yuǎn)大于上升速度;

③如圖1(a)所示：在虛線A 的左側(cè)，光伏電池的特性近似為電流源，右側(cè)近似為電壓源。虛線A 對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)時(shí)光伏電池的工作電流，約為電池短路電流的90%;

④如圖1(b)所示：結(jié)溫一定的情況下，光伏電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓值基本不變。該值約為開路電壓的76%。

情況二：電池結(jié)溫變化，光照不變

圖2 光伏器件結(jié)溫變化情況下I-V、P-V特性曲線

從圖2 中可以得出以下結(jié)論:

①如圖2(a)所示:光伏電池的結(jié)溫對(duì)光伏電池的短路電流影響不大，隨著溫度的上升輸出短路電流只是略有增加;光伏電池的開路電壓隨電池結(jié)溫的上升而下降，且變化范圍較大;

②如圖2(b)所示:光伏電池輸出功率總的變化趨勢與不同光照條件下的功率變化相似。但相同光照情況下其最大輸出功率隨電池溫度的上升而下降，且最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作電壓隨溫度上升而下降。

綜上所述，光伏電池的輸出功率與它所受的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。在不同外部環(huán)境情況下，光伏電池的輸出功率會(huì)有較大的變化。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)必須采用相關(guān)電路和控制方法對(duì)輸出功率加以控制使其輸出最大功率。

在光伏系統(tǒng)中，通常要求太陽電池的輸出功率始終最大，即系統(tǒng)要能跟蹤太陽電池輸出的最大功率點(diǎn)。由于負(fù)載的工作點(diǎn)并不正好落在電池提供的最大功率點(diǎn)處，這就不能充分利用在當(dāng)前多條件下電池所能提供的最大功率。因此，必須在太陽電池和負(fù)載之間加入阻抗變 換器，使得變換后的工作點(diǎn)正好和太陽能電池的最大功率點(diǎn)重合，使太陽電池以最大功率輸出，這就是所謂的太陽能電池的最大功率跟蹤。傳統(tǒng)的方法是設(shè)計(jì)正常環(huán)境下太陽能電池的最大功率點(diǎn)電壓與負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓相近，這種方法叫恒壓跟蹤法(CVT)。

CVT法忽略了溫度對(duì)太陽電池開路電壓的影響，而由于溫度變化及負(fù)載變化，通常CVT法誤差很大。以單晶硅太陽電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高1℃時(shí)，其開路電壓下降率為0.35%～0.45%。這表明太陽電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓也隨環(huán)境溫度的變化而變化。對(duì)于四季溫差或日溫差比較大的地區(qū)，CVT方式并不能在所有的溫度環(huán)境下完全地跟蹤最大功率。

CVT方式具有控制簡單，可靠性高，穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的方法比一般光伏系統(tǒng)可多獲得20%的電能，而改進(jìn)后的方法比CVT可多獲得20%的電能，較之不帶CVT的直接耦合要有利得多。英諾華推出的IV0300芯片采用改進(jìn)后的ACVT方法可以定時(shí)的檢測溫度變化，考慮到不同溫度對(duì)太陽能電池開路電壓的影響，及時(shí)調(diào)整最大功率跟蹤點(diǎn)，保持太陽能電池以最大功率輸出。

IV0300技術(shù)特點(diǎn)

IV0300是一款太陽能充電控制芯片，它具有改進(jìn)型恒壓跟蹤法最大功率跟蹤技術(shù)(ACVT-MPPT)功能和電池升壓充電保護(hù)功能，適用于給兩節(jié)至四節(jié)NiMH或NiCd電池，單節(jié)鋰電池充電，能承受1.5A的峰值輸入電流。IV0300的主要功能和技術(shù)特點(diǎn)如下：

1. 采用FPWM升壓技術(shù)，具有低EMI。PWM的工作頻率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，單個(gè)頻譜分量上的輻射能量較低，所以EMI較低。

2. 限壓式過充保護(hù)，過充電壓可用外部電阻設(shè)置。結(jié)束充電的方式可通過設(shè)置Float管腳電平選擇，當(dāng)Float接地時(shí)，芯片工作在過壓保護(hù)模式，并停止充電。當(dāng)Float接電池正極且電池電壓達(dá)到保護(hù)電壓時(shí)，系統(tǒng)工作在脈沖充電(或浮充)狀態(tài)。

3. 工作狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)指示。CHEND管腳的輸出有三種狀態(tài)，分別為充電狀態(tài)，充電結(jié)束狀態(tài)，高阻態(tài)。

4. 通過太陽能電池板輸出電壓控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟和關(guān)閉。

5. 低靜態(tài)工作電流。為了保護(hù)電池電量，在不充電狀態(tài)下，靜態(tài)工作電流不大于75μA。

6. 電池的輸入電壓為2V，電池板的輸入的最低工作電壓為電池電壓的1/8即0.25V。

7. 高達(dá)95%的能量轉(zhuǎn)換效率。

典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

IV0300 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如圖3所示，在具體設(shè)計(jì)中需注意以下問題。

圖3、基于IV0300的應(yīng)用設(shè)計(jì)電路圖

1. 兩個(gè)串聯(lián)的LED用于顯示不同的狀態(tài)，可以選用不同的顏色，但兩端電壓要高于電池電壓，否則電池將通過指示燈放電。

2. 未來提高能量轉(zhuǎn)換效率，盡量選擇電池板的工作電壓接近電池的最低電壓，比如單節(jié)鋰電池開路電壓盡量選在3.5V左右，最大功率輸出電壓在2.8V左右。這樣可以保證升壓電路的工作效率在90%以上。

3. 充電截止電壓V(Max_Battery)，設(shè)定R1、R2決定充電截止電壓，R2可由下面公式得到，R2=R1*(VOC/1.257V)/(1-(VOC/1.257V))，其中1.257V為Vref電壓，充電截止電壓為VOC=(V(Max_Battery)-0.06)/5。

4. SIN腳是用于測量輸入電壓的，所以要求此點(diǎn)電壓要對(duì)地穩(wěn)定。如果紋波較大，會(huì)影響芯片正常工作，需加大電容C的容值。

5. 通常電感電流要比電路最大電流大一倍，以保證效率。(end)