使用MCU或SoC简便地提高太阳能板效率

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今天，人们比以往任何时候都更关心矿石燃料排放和传统发电和可再生能源所导致的环境问题。在可再生资源中，主要是太阳能板和风力发电。他们的优势是可保持并且无污染，但他们的安装成本较高，并且在大多数应用中，他们的负载接口需要电源调节器(dc/dc 或dc/ac转换)。光电模块(PV模块)还有相对较低的转换效率。
使用高效率电源调节可以减少整体系统成本，旨在从PV模块提取最大限度的能量（使用最大功率点追踪技术--MPPT）。现有的面板系统也存在缺点，一整天只能导向一个方向，不能总是直接面对太阳光。

在这篇文章中，我们将讨论的技术是，如何在系统级提高太阳能面板效率，包括太阳能电池板最大受光定位，最大限度地从太阳能板提取现有电力，以及智能电池寿命管理。

框图

图1.框图

我们从框图中可以看到，该系统的主要部件是一个MCU或一个片上系统(SoC)。系统的全部智能都来源于这颗芯片，它是可重构和可升级的。在太阳能面板中，两个光电二极体保持与面板平面垂直，其输出反馈到MCU(MCU)。这些二极管和直流电机确定面板方位。根据二极管输入，MCU控制直流马达使太阳能电池板定位到可以收到最大光的方向。这两个用于阳光跟踪的光电二极体是反向偏压的，这意味着通过这些二极管的反向电流随入射光而变化。在白天，反向电流在10uA和 75uA之间变化。逆向暗电流(当没有光线入射光电二极体)只有几nA。

跨阻放大器(TIA)用于将反向电流转换成等效电压。放大器的增益使用反馈电阻设置。光电二极体经常有大量输出电容。这需要在TIA并联反馈电容，从而保证稳定性并提供带宽限制减少宽带噪声。TIA的输出电压Vout，由下列公式决定:

Vout = Vref - Iin * Rfb

这里Rfb是电阻反馈，Iin是二极管电流，Vref是连接到运算放大器正极的参考电压。

输出电压是使用一个片上模数转换器数字化的。由于反向电流很小(数十uA)，ADC必须能够分辨较小的电压，所以需要精确的参考电压。每一个传感器的输出要经过固件IIR滤波器滤波，清除任何光强度的突然变化。系统中使用一个ADC可测量到多个电压。两个二极管对应的数字化值不断地比较。如果两个值之间的差异在一个预定的门限内，面板位置保持不动。如果差超过门限，面板朝强度高的方向倾斜，直到差进入门限范围内。这样我们就可以定位面板朝最大光强度的方向。

直流电机使用MCU产生的PWM信号来驱动。PWM占空比决定电机旋转速度。保持占空比较低，这是为了有缓慢而精确的运动。随着面板定位好自身方向接受最强光，PWM占空比逐渐降低。一个可行的案例是一个65535 step的16位PWM。采用这样小的step，就可以从黎明到黄昏都能准确地追踪阳光。

电机运动时电流是几十mA。MCU的GPIO不能提供足够的源电流来驱动电机。要有一个电机驱动芯片来增大。驱动有H桥结构，其允许电机电流方向的数字控制，因此电机方向也可控制。驱动可以提供1A的电流。还要注意，跟踪机制是这样的，电机是定期的(每隔几分钟)间歇脉冲。因此，驱动电机的平均电流相当小。

有两个开关连接到MCU。这些开关当面板旋转到极限位置(东和西)时触发，他们决定面板的最大旋转限度。在MCU上有一个辅助实时时钟，其保持时间跟踪，所以一旦太阳下山，光强明显变弱的时候，面板重新回到初始位置，面向东方。第二天，面板接着追踪太阳并处理。

最大功率点跟踪

图2显示了光电模块的等效电路。太阳能电池可以看作电流源，其和一个二极管并联。在没有光时，没有电流产生，它表现为一个二极管。当有光线入射到太阳能电池时，电流产生。


图2 PV模块等效电路

正常操作下，太阳能电池的效率会由于其内阻损失功耗而降低。寄生电阻由并联分流电阻 (Rsh)和串联电阻(Rs)构成。理想情况下，Rsh应该是无穷大，因此不会有路径让电流分流，Rs应该零，这样不会在到达负载之前有电压降。

研究发现，串联电阻Rs的值随温度升高而增大。为了使用效果比较好，就需要有一个较低的串联电阻Rs。因此，在较高的环境温度下，面板效率会降低，如沙漠。而在寒冷的国家，串联电阻的值比较小，效率会更高。

在该系统中，用于充电的电池是负载RL。它可能使太阳能面板误认为电池有匹配的阻抗，从而给电池转移最多电荷。这也可以能通过改变太阳能面板的运行点实现，解释见下文。

PV模块的典型V-I输出特性见图3。研究表明，温度变化是影响PV输出电压变化的主要因素，而辐射主要影响PV输出电流。随着照明增加，电流增大，此特征更明显。负载线和PV模块V-I曲线（指定温度和辐照下）的交汇点决定运行点。产生的最大功率基于不同大气条件下负载线的调整。

图3.太阳能电池的V-I特点

图4说明了太阳能电池功率和电压的对比图。可以看出，对于短路电流(Isc，功率图最左面点)，和开路电压(Voc，功率图最右面点)，面板输出功率都为零。在某一个点，称为最大功率点，输送到面板的功率是最大的。MPPT算法的目标是使太阳能面板工作在这一点上，输出最大功率。

图4 功率与电压对比图

面板输出连接到DC-DC转换器单元，其将面板电压转换成一个适合电池充电的可用电压。DC-DC单元包括由MOSFET、电感、滤波器。操作DC-DC转换器必要的开关脉冲(PWM)由MCU产生。紧接着DC-DC单元的是一个MOSFET开关，用于通过面板改变负载。正如之前的解释，对于给定的温度和日照，面板输出功率随连接的负载变化而变化，对于某个特定负载，功率传输最大。可变负载也可称为可变操作点。我们的目标是跟踪这个变化的最大功率点。

用于来跟踪最大功率点机制的流程图如图5所示:

图5 MPPT算法的流程图

这个MPPT设计方法是基于PV阵列输出电压或电流规则的，或者基于相应的参考电压或电流信号，要么是常数或来自PV光伏阵列输出特性(例如，功率和功率变化)。该方法的一个变化是直接使用dc/dc转换器占空比作为控制参数，强制导数dP/dD为零，这里P是PV阵列输出功率，D是占空比。因此只需要一个控制环路。

最常用的扰动观察法是最MPPT算法。在该方法中，连接MOSFET（隔开面板和电池）的PWM的占空比变化量很少，只有几dW。如果这少量变化增加了。面板电压和电流会测量到，相应的功率变化dP也会观察到。如果变化是正的，那么扰动是正确的方向，我们继续在相同的方向扰动(例如，增加占空比)。如果功率改变是负的，那么就要翻转颠倒扰乱方向(例如，减少占空比责任周期)然后继续工作。这种算法的主要目的是总是提升功率曲线，以达到从太阳能电池输出最大功率。通过这种方式，我们可以使太阳能电池板总是工作在提供最大功率的点上。

如果还没有实现MPPT系统，连接到面板的负载总是一成不变的，它不可能工作在最大功率点。因此，它将不再从面板捕获最大功率。
电池健康管理：

因为太阳能板暴露在太阳下的时间大约为半天，这个期间它可以用来给电池充电。对于大多数市面上能买得到的铅酸电池，充电需要10-12小时，这和有阳光的时间大约是相同的。然而，为了提高电池的使用寿命，可以采用下面的方法。通常，电池充电要经历三个阶段，如图7所示：

?恒流充电或大量充电阶段

?顶部充电阶段

?浮充电阶段

让我们以一个12V铅酸电池充电为例。电池电平通过MCU内置的ADC模块连续监测。如果电池电压小于标称值，那么称为“接受电压Accept Voltage”的适当充电电压应用于电池，随温度而变化。应用于电池的接受电压电压使用PWM驱动的大功率晶体管切换，从DC-DC电源转换器输出。在这期间，充电电流不变。在铅酸电池情况下，我们可以称之为大量充电阶段。一旦电池电压达到标称值，电池就已经充了70%。现在还要继续充电，直到电流降到大约电池额定电流的3%。这可通过前面介绍的持续PWM充电方式实现。这个充电阶段称为顶部充电阶段。当充电电流降到额定电流的3%，电池完全充满。顶部充电阶段用来保持电池健康。如果没有顶部充电阶段，电池会逐渐失去完全充电的能力。

充电完成后，为了维持充电电平，电池采用PWM波形形式的合适电压（称为浮充电压）。浮充电压通常用于自放电补偿（通过铅和其他寄生效应）。电池的浮充电压和接受电压随温度变化而变化。MCU连续读取温度传感器的输出，然后确定接受电压和浮充电压。他们的值由MCU产生的PWM波形控制。

还要确保电池不要长时间进行顶部充电。电池必须要有相反地浮充电，因为电池可能无法容忍过渡充电。在片内RTC的帮助下，这很容易实施。脉冲充电电池充电的优势是，我们避免了很多化学效应，例如硫酸盐化作用，有毒气体等等。还要以避免电池在50摄氏度以上充电。温度传感器就是用于此用途。

图6 电池充电

可以使用一颗片上系统(SoC)实现我们谈到的整个系统，比如赛普拉斯的混合信号芯片PSoC，其具备可编程模拟和可编程数字逻辑。所需的外部组件仅仅是一个二极管和DC-DC转换器的电感，以及用来平衡电池和PV模块电压的电阻。

图7 PSoC实现示意图

PSoC包含的跨阻放大器(TIA)组件可以提供基于放大器的和对数电流-电压转换增益，并具有阻抗增益，用户可以选择带宽。放大器的增益可以使用反馈电阻器设置，可以通过固件选择20ΩK、30ΩK、40ΩK、80ΩK、150ΩK、250ΩK、500ΩK和1MΩ。光电二极体通常输出体现为电容，并联一个反馈电容可以保证其稳定性。TIA有满足这个要求的可编程反馈电容。二极管的特性可能会随环境条件而变化。可以通过PSoC编程来适应这些变化的条件。

输出电压是使用20-bit Delta Sigma ADC数字化的。通过为ADC选择合适的片上参考，就有可能测量到2uV的电压。ADC参考采用是精度很高的源，只有不到1%的错误。在这个系统中，可以使用一个ADC测量多个电压。这些电压可以通过PSoC内部的模拟多路复用器来顺序采样和数字化。多路复用器可以通过固件在输入通道之间切换。PWM模块是驱动直流电机和MOSFET（其为电池充电）脉冲必需的。还可以使用PWM硬件通过一点编程产生这些PWM波形。内部实时时钟(RTC)跟踪时间，因此一旦太阳下山，光强度显著下降时，面板会回到初始位置面向对东方。第二天面板继续追踪太阳。RTC还用来防止过充电。

通过本文提到的实施三个子系统可以提高光电系统效率。过高的安装费用和PV模块的低转换效率是阻止人们采用太阳能发电的原因。使用智能方法，就可以提高效率，就有可能鼓励人们使用PV模块。任何现有的太阳能板只需要做很少的努力就都可以升级到有这三个实现。升级的成本相比PV模块本身来说很少。让我们开始利用太阳能，减少环境污染，建立绿色星球。