MCU/SoC提高太阳能板效率

2011-12-14 14:41:11来源: 互联网
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

  

  

 

  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:

  

MPPT算法的流程图

 

  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。

  

  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

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关键字:MCU  SoC  太阳能板

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1214/article_13494.html
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