如何设计兼顾效率与成本的太阳能系统

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太阳能是绿色能源,而且是免费的,但是可能常常不太可靠。温度变化会导致太阳能电池的 最佳功率提供点偏移,此外,设备老化、局部光照被遮挡、日落、被动物粪便污染等,都可能妨碍太阳能电池板的性能。基于这些可靠性和可变性问题,几乎所有太 阳能供电设备都采用可再充电电池,以提供备分电源;过去一度仅使用铅酸电池,现在所用电池种类已经扩大到包括锂电池了。

太阳能供电应用之所以配备再充电系统,是为了尽可能汲取更多的太阳能,以迅速为电池充电并保持电池的电荷状态。此外,当太阳能电池板得到的光照很少或没有光照时,电池漏电大小就至关重要,无论何时只要可能,就应该减到最少。

显 然,太阳能供电应用正处于成长阶段。现在有各种不同尺寸的太阳能电池板可为各种各样的创新应用供电,例如人行横道标志灯、垃圾压实机、海上浮标灯等;有些 太阳能供电应用采用的电池是深度循环类电池,能承受很多个反复充电周期以及深度放电,这类电池常见于"离网"(即与电力公司电网断开)可再生能源系统,例 如太阳能或风能发电系统。就离网系统而言,系统运行时间非常重要,因为这类系统并不易靠近。

太阳能电池板基础知识

就 一定量的光能和工作条件而言,太阳能电池板在某一特定输出电压上产生峰值输出功率。图1所示为由七十二节电池组成的太阳能电池板,在电池板温度为60°C 时的特性。虚线代表电池板的I-V曲线,X轴表示电池板电压。实线表示当电池板电压从0V变化到电池板开路电压时电池板产生的输出功率;电池电压变化是用 简单的负载箱实现的。

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图1 在不存在局部光照被遮挡的情况下,给定太阳能电池板的简单功率曲线。

就此处所述这一特定情况而言,最大功率点在32V,该电池板可提供140W功率。如果允许电池板温度变化,在真实情况中这当然是允许的,那么最大功率点可能在大热天的28V到寒冷冬天的44V之间变化。

很多较简单的太阳能充电系统会 将电池板电压工作点设定为固定值;在上述特定电池板情况下,这类较简单的系统会将电池板工作点设定到32V,以在给定温度时汲取最大功率,而这个例子的温 度为60°C。不过,当电池板温度变化时,会浪费大量功率,因为电池板不在真正的最大功率点上工作了。在这类情况下,可能会浪费20-30%以上的可用功 率。

使情况变得更糟的是,按照已实行的安全标准,大多数电池板必须在太阳能电池数组中装上旁路二极管;这么做的原因,是当部分电池板被遮住而得不到太阳光照射,而其他部分得到充足阳光照射时,太阳能电池板会有一些特殊情况发生。

这 时,被遮住的太阳能电池是反向偏置的,但其中仍然有很大的电流流过,因为其他得到充足光照的电池正在提供电流,被遮住的电池温度可能上升,这有可能造成火 灾。为了帮助降低火灾风险,制造商在电池板各处都放置了旁路二极管。图2显示在上述七十二节电池的太阳能电池板上,旁路二极管是怎样放置的。

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图2 出于安全考虑,七十二节电池的太阳能电池板上放置了三个旁路二极管。

由 于电池板中存在旁路二极管,当部分电池板被遮挡时,就可能出现复杂的功率电压特性。图3显示了这种情况,其中出现了两个局部最大功率点,一个在21V电压 处,另一个在37V电压处。如果采用前述简单的32V功率点设定方法,那么可获得79.4W功率,而不是在真正最大功率点21V上可获得的90.1W;这 表明在这种情况下损失了13.5%的功率。显然可跟踪真正最大功率点并在其上工作的系统会有卓越功率表现。

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图3 当太阳能电池板被部分遮挡时,会产生较复杂的功率曲线。

太阳能供电可再充电电池系统设计挑战

太阳能电池板的典型效率约在5-15%之间。考虑到较大型(即更强大)的电池板成本更高,所以太阳能供电设计必须最大限度提高效率,以最大限度降低系统总体成本。

太阳能供电产品要有效收集太阳能,其设计必须能够管理变化范围很宽的输入,同时还能够使太阳能电池板在最大功率点或其附近工作。并且,该设计必须能够为该产品选择安全的化学组成电池充电。

在太阳能充电系统中,还会遇到其他设计问题吗?就任意给定太阳能供电系统而言,固件开发和调试可能需要大量时间,如果太阳能电池板的最佳功率提供点可以低于、等于或高于电池电压(这是非常常见的情况),那么会需要更加复杂的升降压拓扑。

升 降压拓扑允许真正的双向隔离(相较于降压型拓扑,如果电池板没得到光照,那么它可能透过NMOS的体二极管和电感器耗尽电池电量)。为保护电池,须要恰当 的电压终止。最后,既然电池板不是可靠的电源,那么就需要电池原地充电(充电器给电池馈电,且负载连接到电池),在这种情况下,电池既是电源,又做为缓冲 器使用。

最大功率点追踪提升太阳能系统发电量

太阳能电池板可能在某些非理想环境条件下工作,如电池板部分被遮挡(树叶、鸟粪、阴影、雪等)、电池板的温度变化、电池板老化等;最大功率点追踪(MPPT)这种方法有助于在所有工作条件下,从太阳能电池板汲取最多能量。

在离网太阳能电池板系统中,电源系统故障代价高昂,客户希望尽可能从电池板汲取最多能量。此外,他们希望最大限度延长两次太阳能供电系统维护之间的正常运行时间。

真 正的主动最大功率点追踪会找出所有条件下的最佳工作点,这会降低系统总体成本,因为可以使用最小的电池板或最小的电池,从而减少过度设计系统的需求。真正 的MPPT会发现最佳峰值功率点,并剔除假的局部最大功率点,这种局部最大功率点在部分被遮挡的电池板中很常见(电池板部分被遮挡时的供电模式由电池板内 部旁路二极管的数量和安排决定)。

解决上述问题的IC充电解决方案,须要具备以下特性,即使不是全部、也必须囊括许多特性:

● 最短的软件和固件开发时间

● 弹性的升降压拓扑

● 主动MPPT算法

● 简单、自主运行(无需微处理器)

● 因应各种不同电池化学组成的终止算法

● 原地充电--向负载供电的同时给电池充电

● 宽输入电压范围以适合各种不同的电源

● 宽输出电压范围以应对多个电池组

● 高输出/充电电流

● 小型、扁平解决方案

● 先进的封装以提高热性能和空间占用效率

● 成本效益的解决方案

典 型的复杂太阳能电池充电系统由一个直流对直流(DC-DC)开关电池充电器、一个微处理器和几个IC,以及分立式组件组成,以实现最大功率点控制/追踪功 能;另一种可能的解决方案是太阳能模块。不过这些解决方案费用高昂、复杂而不易设计(需要软件、固件等),而且往往锁定到假的太阳能电池板最大功率点上, 因此无法以尽可能高的效率运行。有鉴于此,电源芯片商推出一种简单、创新的高压升降压充电控制器IC,该IC专门针对太阳能应用,既不须要开发软件也不须 要开发固件,因此可大幅缩短产品上市时程。

图4所示是一款因应铅酸和锂电池的同步升降压电池充电控制器,其具备自动最大功率点追踪和温度补偿功能。该组件的输入电压可以高于、低于或等于稳定的电池浮动电压。

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图4 同步升降压电池充电控制器的典型应用电路

上述全功能电池充电器提供很多可选定电流定电压(CC-CV)充电曲线,非常适合为各种锂或铅酸化学组成的电池充电,包括密封铅酸电池、凝胶电池和富液式铅酸电池,并且该芯片内建所有充电终止算法,因此无需软件或固件开发,可跳过此设计时间。

该 电池充电控制器可操作于宽广的6-80V输入电压范围内,采用四开关同步整流和单个电感就可产生1.3-80V电池浮动电压输出。视外部FET选择的不同 而异,该组件能够提供高达10A的充电电流,其MPPT电路能够在太阳能电池板的整个工作范围内工作,即使电池板部分被遮挡而导致存在局部最大功率点,它 也能找出真正的最大功率点。

一旦发现真正的最大功率点,这款电池充电控制器就会在该点上工作,同时运用高频抖动方法快速追踪局部最大功率点的变化。透过这种方法,即使在非理想工作环境中,该方案也能够充分利用太阳能电池板产生的功率。

MPPT 的全面搜索如图5所示,图5中较高的曲线显示电池板输出电压;前述的升降压太阳能电池充电控制器会控制电池板电压达到开路电压后,又再控制电池板线性斜坡 下降至最低值。图5中间的曲线则显示随电池板电压变化的电池板电流;充电控制器测量该电流,然后在内部计算功率,一旦全面扫描完成,电池板电压就返回到所 测得的最大功率点。

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图5 同步升降压电池充电控制器MPPT的全面搜索,较高曲线为电池板电压;中间的曲线则为电池板电流;图中底部的曲线则是该充电器的控制信号。

高频抖动方法用来追踪两次全面搜索之间最大功率点产生的较小变化,如图6所示。大约在示波器图形的中间部位,为电池板加上了一次功率点变化,以模仿由于天空中云的移动而改变电池板光照量的情况。

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图6 同步升降压电池充电控制器在两次全面搜索之间进行局部高频抖动。较高曲线为电池板电压;图中底部的曲线则为电池板电流;图的中间曲线则是来自该控制器的控制信号。

这时,前述充电控制器先在高于、后在低于目前MPPT点的范围,以小幅度连续移动电池板电压,以检查是否存在一个更好的工作点。如果发现有,就追踪到新的点上,并重复上述过程;透过这种方式,控制器不必太频繁地进行全面搜索就能够追踪变化。

前 文介绍的新款升降压太阳能电池充电控制器透过检测电池上的外部热敏电阻器,进行自动温度补偿。STATUS和FAULT接脚可用来驱动发光二极管 (LED)指示器灯。充电电流限制可透过改变一或两个电阻来调节,用合适的电阻分压器可选择充电时间长度。该组件的其他特点包括输入和充电电流限制接脚、 一个3.3V稳定低压差线性稳压器(LDO)输出、状态接脚和可同步固定开关频率。

新电池充电器突破MPPT设计瓶颈

太 阳能既环保又随时可用,但是可能不那么可靠。温度变化导致MPPT点移动、老化、电池板部分被遮挡、日落、鸟粪等都可能降低电池板性能(图7)。电源芯片 商所开发出的新式升降压开关稳压器电池充电器,可实现适合大多数电池类型的定电流定电压充电曲线,例如铅酸电池(密封SLA、富液式、凝胶)和锂电池。

如何设计兼顾效率与成本的太阳能系统
图7 太阳能虽环保又便利,但容易因外在环境因素影响电池板性能。

该组件还为太阳能供电应用提供自动和高效的真正最大功率点追踪,由于无需软件或固件开发,所以可大幅缩短系统上市时间。相较于大型和复杂的同类充电系统,这种具成本效益和更简单的解决方案,大幅简化了过去非常困难的设计任务。