從單節(jié)光伏電池收集能量

為了簡(jiǎn)化儀器、監(jiān)視和控制應(yīng)用的無(wú)線通信所需的配電系統(tǒng)，電源設(shè)計(jì)師努力尋找不依賴電網(wǎng)的器件。電池顯然是立即能想到的解決方案，讓人們產(chǎn)生了能不依賴電網(wǎng)的幻想，但是電池需要更換或再充電，這意味著最終還是要連接到電網(wǎng)上，而且需要昂貴的人工干預(yù)和維護(hù)。我們提出用能量收集的方法，使用這種方法時(shí)，能量是從緊挨著儀器的環(huán)境中收集的，無(wú)需連接到電網(wǎng)就可以使儀器永久運(yùn)行，而且最大限度地減少或消除了維護(hù)需求。

可以收集各種環(huán)境能源以產(chǎn)生電能，包括機(jī)械振動(dòng)、溫度差和入射光。其中，光伏能量收集有廣泛的適用范圍，因?yàn)楣鈳缀醯教幎加?，光?PV)電池價(jià)格相對(duì)較低，而且與其他環(huán)境能量收集解決方案相比，能產(chǎn)生相對(duì)較高的功率。因?yàn)楣夥芰渴占椒ㄌ峁┫鄬?duì)較高的能量輸出，所以可用來(lái)給無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，還可用來(lái)給較高功率的電池充電應(yīng)用供電，以延長(zhǎng)電池壽命，從而在某些情況下完全無(wú)需有線充電。

串聯(lián)連接的高壓光伏電池組能提供充足的功率，但單節(jié)光伏電池解決方案卻很少見(jiàn)，因?yàn)閱喂?jié)光伏電池在有負(fù)載情況下產(chǎn)生的電壓很低，從這么低的電壓難以產(chǎn)生有用的電源軌。幾乎沒(méi)有升壓型轉(zhuǎn)換器能從電壓很低、阻抗相對(duì)較高的單節(jié)光伏電池產(chǎn)生輸出。不過(guò)，LTC3105是專門為應(yīng)對(duì)這類挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。該器件具有超低的250mV啟動(dòng)電壓和可編程最大功率點(diǎn)控制，能從富有挑戰(zhàn)性的光伏電源產(chǎn)生大多數(shù)應(yīng)用所需的典型電壓軌(1.8～5V)。

了解光伏電池電源

可以用一個(gè)電流源與一個(gè)二極管并聯(lián)來(lái)建立光伏電源的電模型，如圖1所示。更復(fù)雜的模型可顯示一些次要影響，但是就我們的目的而言，這個(gè)模型足夠充分了。

圖1 簡(jiǎn)單的光伏電池模型

反映光伏電池特性的兩個(gè)常見(jiàn)參數(shù)是開(kāi)路電壓和短路電流。光伏電池的典型電流和電壓曲線如圖2所示。請(qǐng)注意，短路電流是該模型電流發(fā)生器的輸出，而開(kāi)路電壓是該模型二極管的正向電壓。隨著光照射量的增加，該發(fā)生器產(chǎn)生的電流也增加，同時(shí) IV 曲線向上移動(dòng)。

圖2 典型的光伏電池I-V曲線

為了從光伏電池抽取最大功率，電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須與電池的輸出阻抗匹配，從而使系統(tǒng)能在最大功率點(diǎn)上工作。圖3顯示了一個(gè)典型的單節(jié)光伏電池的功率曲線。為了確保抽取最大功率，光伏電池的輸出電壓應(yīng)該與功率曲線的峰值點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。LTC3105 調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的輸出電流，以保持光伏電池的電壓等于最大功率點(diǎn)控制引腳設(shè)定的電壓。因此可用單個(gè)電阻器設(shè)定最大功率點(diǎn)，并確保從光伏電池抽取最大功率和峰值輸出充電電流。

圖3 典型光伏電池的功率曲線

可提供多少功率?

用光伏電池可產(chǎn)生多少功率取決于多種因素。電池的輸出功率與投射到電池上的光強(qiáng)度、電池的總面積以及電池的效率成正比。大多數(shù)光伏電池都規(guī)定在完全直射的太陽(yáng)光 (1000W/m2) 下使用，但是在大多數(shù)應(yīng)用中，不可能有這么理想的條件。就依靠太陽(yáng)光工作的設(shè)備來(lái)說(shuō)，可從電池獲得的峰值功率可能非常容易變化，由于天氣、季節(jié)、煙霧、灰塵和太陽(yáng)光入射角的變化，今天與明天相比有可能相差10倍。在充足的太陽(yáng)光照下，晶體電池視電池特性的不同而有所不同，典型輸出功率約為每平方英寸40mW。面積為幾平方英寸的光伏電池足夠給多個(gè)遠(yuǎn)程傳感器供電以及給電池涓流充電了。

相比之下，靠室內(nèi)照明光工作的設(shè)備可用能量要少得多。常見(jiàn)的室內(nèi)照明光的強(qiáng)度約為充足太陽(yáng)光的0.25%(室內(nèi)照明光強(qiáng)度與太陽(yáng)光強(qiáng)度的巨大差別難以察覺(jué)，因?yàn)槿搜勰苓m應(yīng)很寬的光照強(qiáng)度范圍)。室內(nèi)應(yīng)用可用的光照量低得多，因此呈現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。即使面積為4平方英寸的大型高效率晶體電池，在典型辦公室照明條件下，也僅能產(chǎn)生860μW功率。

選擇最大功率點(diǎn)控制電壓

圖4顯示了LTC3105 使用的最大功率點(diǎn)控制機(jī)制的模型。圖3顯示了光伏電池的功率曲線。請(qǐng)注意，當(dāng)電池電壓上升而離開(kāi)峰值功率點(diǎn)時(shí)，光伏電池的功率就會(huì)從峰值點(diǎn)急劇下降。因此，一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制電壓，因?yàn)楣β是€在高壓端下降得更快。

圖4 最大功率點(diǎn)控制機(jī)制

當(dāng)選擇MPPC跟蹤電壓時(shí)，各種不同的工作條件都必須考慮。一般情況下，最大功率點(diǎn)不會(huì)隨著照明條件的變化而顯著移動(dòng)。因此，有可能做到的是，選擇一個(gè)跟蹤電壓，以在很寬的照明強(qiáng)度范圍內(nèi)，保持靠近最大功率點(diǎn)工作。即使在極端照明情況下，工作點(diǎn)可能不是準(zhǔn)確地位于最大功率點(diǎn)上，輸出功率相比理性情況的降低通常也僅為5%～10%。

就圖5所示功率曲線而言，0.4V的MPPC電壓在兩種極端照明條件下都產(chǎn)生接近最大功率點(diǎn)的性能。在這兩種情況下，與最大功率點(diǎn)之間的電壓差約為20mV，從而產(chǎn)生了不到3%的功率損失。

圖5 當(dāng)選擇最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，選擇較低的電壓以避免電壓陡降

作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，最大功率點(diǎn)控制電壓應(yīng)該約為光伏電池開(kāi)路電壓的75%～80%。讓電池跟蹤這樣的電壓，所產(chǎn)生的電池輸出電流為短路電流的75%～80%。

在室外照明情況下給鋰離子電池充電

使用光伏電源的應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一是，在黑暗和光照量較低的情況下，輸入功率不足。就大多數(shù)應(yīng)用而言，這種挑戰(zhàn)使得有必要使用能量存儲(chǔ)組件，例如足夠大的超級(jí)電容器或可再充電電池，以在最長(zhǎng)預(yù)期黑暗時(shí)間內(nèi)也能正常供電。

利用圖6所示的LTC3105電路和一個(gè)2英寸×1英寸的多晶光伏電池給鋰離子電池充電，所測(cè)得的充電電流曲線如圖7所示。圖7中上面的曲線顯示，在天氣晴朗、陽(yáng)光充足的典型情況下的充電電流；下面的曲線則顯示，在陰云密布時(shí)觀察到的充電電流。即使在這類光照量很低的情況下，在整個(gè)白天也能保持250μA或更大一些的充電電流，這相當(dāng)于給電池提供了總共 6mAh 的充電。

圖 6 鋰離子電池充電電路

圖 7 兩平方英寸光伏電池的充電曲線

選擇合適的能量存儲(chǔ)器件

就儲(chǔ)存收集的能量而言，有很多可選方案，包括種類繁多的可再充電電池技術(shù)和高能量密度電容器。沒(méi)有一種技術(shù)能適用于所有應(yīng)用。為應(yīng)用選擇存儲(chǔ)組件時(shí)，要考慮很多因素，包括自放電速率、最大充電和放電電流、電壓靈敏度和周期壽命。

在光伏應(yīng)用中，自放電速率尤其重要。在大多數(shù)光伏電源應(yīng)用中，可用充電電流都很有限，高的自放電速率可能消耗大部分來(lái)自光伏電源的可用能量。有些能量存儲(chǔ)組件 (例如大型超級(jí)電容器)自放電電流也許超過(guò)100μA，這又可能顯著減少白天充電周期積累的凈電荷。

另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是能量存儲(chǔ)器件的充電速率。例如，最大充電電流為300μA的鋰離子幣形電池需要在電池和 LTC3105輸出之間有一個(gè)大的電阻器，以防止過(guò)流情況。這可能限制能收集的能量，從而減少可用于應(yīng)用的能量。

在很多情況下，充電速率與另一個(gè)重要因素“周期壽命”成正比。存儲(chǔ)組件的周期壽命決定該組件不用維護(hù)可以在現(xiàn)場(chǎng)工作多長(zhǎng)時(shí)間。一般而言，更快的充電和放電會(huì)縮短組件的工作壽命。超級(jí)電容器擁有非常長(zhǎng)的周期壽命，而用相對(duì)較高的電流(電荷>1C)給電池充電會(huì)縮短壽命。除了充電和放電速率，每個(gè)充電/放電周期的深度也可能影響電池壽命，周期越深，壽命越短。

某些類型的電池，尤其是鋰離子電池和薄膜電池，最高和最低電壓都必須仔細(xì)控制。在LTC3105應(yīng)用中，最高充電電壓得到了良好控制，因?yàn)楫?dāng)輸出進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，轉(zhuǎn)換器終止充電。為了防止過(guò)充電，LTC3105可與LTC4071并聯(lián)電池充電器一起使用，如圖8所示。

圖8 用單節(jié)光伏電池工作的鋰離子涓流充電器

圖9 單節(jié)光伏電池鎳氫金屬電池涓流充電器

圖10 單節(jié)電池供電的遠(yuǎn)程無(wú)線傳感器

結(jié)論

LTC3105是一款完整的單芯片解決方案，適用于從低成本、單節(jié)光伏電池收集能量。其集成的最大功率點(diǎn)控制和低壓?jiǎn)?dòng)功能允許直接用單節(jié)光伏電池工作，并確保最佳能量抽取。LTC3105可用來(lái)直接給電路供電，或給能量存儲(chǔ)器件充電，以允許在黑暗或光照很少時(shí)工作。LTC3105使其有可能實(shí)現(xiàn)自主遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，以及其他要求不依賴電網(wǎng)和最低限度維護(hù)的應(yīng)用。