MCU/SoC提高太阳能板效率

今太阳能板和风力发电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。

　　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。

　　图2 PV模块等效电路

　　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。