| 背景信息
太陽能是綠色能源，而且是“免費”的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會導致太陽能電池板的最佳功率提供點偏移，此外設(shè)備老化、局部光照被遮擋、日落、落上動物糞便等，都可能妨礙太陽能電池板的性能。由于這些可靠性和可變性問題，幾乎所有太陽能供電設(shè)備都采用可再充電電池以提供備份電源。過去一度僅使用鉛酸電池，現(xiàn)在所用電池種類已經(jīng)擴大到包括鋰電池了。太陽能供電應(yīng)用之所以配備再充電系統(tǒng)，是為了抽取盡可能多的太陽能，以迅速給電池充電以及保持電池的電荷狀態(tài)。此外，當太陽能電池板得到的光照很少或沒有光照時，電池漏電很重要，無論何時只要可能，就應(yīng)該減到最少。
顯然，太陽能供電應(yīng)用正處于上升階段�，F(xiàn)在，有各種不同尺寸的太陽能電池板給各種各樣的創(chuàng)新應(yīng)用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實機、海上浮標燈等。有些太陽能供電應(yīng)用采用的電池是深度循環(huán)類電池，能承受很多個反復(fù)充電周期以及深度放電。這類電池常見于“離網(wǎng)”(即與電力公司電網(wǎng)斷開) 可再生能源系統(tǒng)，例如太陽能或風能發(fā)電系統(tǒng)。就離網(wǎng)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)運行時間非常重要，因為這類系統(tǒng)很難靠近。
太陽能電池板基礎(chǔ)知識
就一定量的光能和工作條件而言，太陽能電池板在某一特定輸出電壓上產(chǎn)生峰值輸出功率。圖 1 所示為由 72 節(jié)電池組成的太陽能電池板在電池板溫度為 60ºC 時的特性。虛線 (藍色線) 代表電池板的 I-V 曲線，X 軸表示電池板電壓。實線 (紅色線) 表示當電池板電壓從 0V 變化到電池板開路電壓時電池板產(chǎn)生的輸出功率，電池電壓變化是用簡單的負載箱實現(xiàn)的。就此處所述這一特定情況而言，最大功率點在 32V，該電池板可提供 140W 功率。如果允許電池板溫度變化，在真實情況中這當然是允許的，那么最大功率點可能在大熱天的 28V 到寒冷冬天的 44V 之間變化。
圖 1：在不存在局部光照被遮擋的情況下，一個給定太陽能電池板的較簡單功率曲線
很多較簡單的太陽能充電系統(tǒng)將電池板電壓工作點設(shè)定為固定值。在上述特定電池板情況下，這類較簡單的系統(tǒng)會將電池板工作點設(shè)定到 32V，以在給定溫度時抽取最大功率，而這例子的溫度為 60ºC。不過，當電池板溫度變化時，會浪費大量功率，因為電池板不再在真正的最大功率點上工作了。在這類情況下，可能浪費 20% 至 30% 以上的可用功率。
使情況變得更糟的是，按照已實行的安全標準，大多數(shù)電池板必須在太陽能電池陣列中裝上旁路二極管。這么做的原因是，當部分電池板被遮住而得不到太陽光照射，而其他部分得到充足陽光照射時，太陽能電池板有一些特定表現(xiàn)。這時，被遮住的太陽能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過，因為其他得到充足光照的電池正在提供電流。被遮住的電池溫度可能上升，這有可能造成火災(zāi)。為了幫助降低火災(zāi)風險，制造商在電池板各處都放置了旁路二極管。圖 2 顯示，在上述 72 節(jié)電池的太陽能電池板上，旁路二極管是怎樣放置的。
圖 2：出于安全考慮，在 72 節(jié)電池的太陽能電池板上放置了 3 個旁路二極管
由于電池板中存在旁路二極管，當部分電池板被遮擋時，就可能出現(xiàn)復(fù)雜的功率電壓特性。圖 3 顯示了這種情況，其中出現(xiàn)了兩個局部最大功率點，一個在 21V 電壓處，另一個在 37V 電壓處。如果采用前述簡單的 32V 功率點設(shè)定方法，那么可獲得 79.4W 功率，而不是在真正最大功率點 21V 上可獲得的 90.1W。這表明，在這種情況下?lián)p失了 13.5% 的功率。顯然，可跟蹤真正最大功率點并在其上工作的系統(tǒng)會有卓越功率表現(xiàn)。
圖 3：當太陽能電池板被部分遮擋時，會產(chǎn)生較復(fù)雜的功率曲線
太陽能供電可再充電電池系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)
太陽能電池板的典型效率約在 5% 至 15% 之間�？紤]到較大型 (即更強大) 的電池板成本更高，所以太陽能供電設(shè)計必須最大限度提高效率，以最大限度降低系統(tǒng)總體成本。
太陽能供電產(chǎn)品要有效收集太陽能，其設(shè)計必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時還能夠使太陽能電池板在最大功率點或其附近工作。此外，該設(shè)計必須能夠安全地給該產(chǎn)品選擇使用的化學組成電池充電。
在太陽能充電系統(tǒng)中，還會遇到其他設(shè)計問題。就任意給定太陽能供電系統(tǒng)而言，固件開發(fā)和調(diào)試可能需要大量時間。如果太陽能電池板的最佳功率提供點可以低于、等于或高于電池電壓 (這是非常常見的情況)，那么會需要更加復(fù)雜的降壓-升壓型拓撲。降壓-升壓型拓撲允許真正的雙向隔離 (與降壓型拓撲相比，如果電池板沒得到光照，那么它可能通過 NMOS 的體二極管和電感器耗盡電池電量)。 為保護電池，需要恰當?shù)碾妷航K止。最后，既然電池板不是可靠的電源，那么就需要電池原地充電 (充電器給電池饋電，且負載連接到電池)，在這種情況下，電池既是電源，又作為“緩沖器”使用。
什么是最大功率點跟蹤 (MPPT)，為什么需要 MPPT?
最大功率點跟蹤這種方法有助于在所有工作條件下從太陽能電池板抽取最多能量。以下列舉了某些這類非理想工作條件：
- 電池板部分被遮擋 (樹葉、鳥糞、陰影、雪等)
- 電池板的溫度變化
- 電池板老化
例如，在離網(wǎng)太陽能電池板系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)故障代價高昂。客戶希望盡可能從電池板抽取最多能量。此外，他們希望最大限度延長兩次太陽能供電系統(tǒng)維護之間的正常運行時間。
真正的有源 MPPT 會找出所有條件下的最佳工作點。這會降低系統(tǒng)總體成本，因為可以使用最小的電池板或最小的電池，從而減少過度設(shè)計系統(tǒng)的需求。真正的 MPPT 會發(fā)現(xiàn)最佳峰值功率點，并剔除假的局部最大功率點，這種局部最大功率點在部分被遮擋的電池板中很常見 (注：電池板部分被遮擋時的供電模式由電池板內(nèi)部旁路二極管的數(shù)量和安排決定)。
一種簡單的 IC 解決方案
解決上述問題的 IC 充電解決方案需要具備以下即使不是全部、也是很多特性：
- 最短的軟件和固件開發(fā)時間
- 靈活的降壓 / 升壓型拓撲
- 有源 MPPT 算法
- 簡單、自主運行 (無需微處理器)
- 面向各種不同電池化學組成的終止算法
- 原地充電 ─ 向負載供電的同時給電池充電
- 寬輸入電壓范圍以適合各種不同的電源
- 寬輸出電壓范圍以應(yīng)對多個電池組
- 高輸出 / 充電電流
- 小型、扁平解決方案
- 先進的封裝以提高熱性能和空間占用效率
- 成本效益的解決方案
典型的復(fù)雜太陽能電池充電系統(tǒng)由一個 DC-DC 開關(guān)電池充電器、一個微處理器和幾個 IC、以及分立式組件組成，以實現(xiàn)最大功率點控制 / 跟蹤功能。另一種可能的解決方案是太陽能模塊。不過這些解決方案費用高昂、復(fù)雜而不易設(shè)計 (需要軟件、固件等)，而且往往鎖定到假的太陽能電池板最大功率點上，因此無法以盡可能高的效率運行。幸運的是，由于凌力爾特推出了 LT8490 降壓-升壓型太陽能供電電池充電控制器，所以有了一種簡單易用的解決方案。
一種高效率太陽能供電解決方案
凌力爾特已經(jīng)開發(fā)了一種簡單、創(chuàng)新的高壓降壓-升壓型充電控制器 IC，該 IC 專門針對太陽能應(yīng)用，既不需要開發(fā)軟件也不需要開發(fā)固件，因此極大地縮短了產(chǎn)品上市的進程。
圖 4 所示 LT8490 是一款面向鉛酸和鋰電池的同步降壓-升壓型電池充電控制器，具備自動最大功率點跟蹤和溫度補償功能。該器件的輸入電壓可以高于、低于或等于穩(wěn)定的電池浮置電壓。LT8490 的全功能電池充電器提供很多可選恒定電流恒定電壓 (CC-CV) 充電曲線，非常適合給各種鋰或鉛酸化學組成的電池充電，包括密封鉛酸電池、凝膠電池和富液式鉛酸電池。所有充電終止算法都內(nèi)置在芯片中，從而無需軟件或固件開發(fā)，因此節(jié)省了設(shè)計時間。
圖 4：LT8490 的典型應(yīng)用電路
LT8490 在很寬的 6V 至 80V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，采用 4 開關(guān)同步整流和單個電感器就可產(chǎn)生 1.3V 至 80V 電池浮置電壓輸出。視外部 FET 選擇的不同而不同，該器件能夠提供高達 10A 的充電電流。LT8490 的 MPPT 電路能夠在太陽能電池板的整個工作范圍內(nèi)工作，即使電池板部分被遮擋而導致存在局部最大功率點，它也能找出真正的最大功率點。一旦發(fā)現(xiàn)真正的最大功率點，LT8490 就在該點上工作，同時運用高頻抖動方法快速地跟蹤局部最大功率點的變化。通過這種方法，即使在非理想工作環(huán)境中，LT8490 也能夠充分利用太陽能電池板產(chǎn)生的功率。
MPPT的全面搜索如圖 5 所示。黃色曲線 (圖中較高位置) 顯示電池板輸出電壓。LT8490 控制電池板電壓達到開路電壓，然后再控制電池板線性斜坡下降至最低值。紅色曲線 (圖的中部位置) 顯示隨電池板電壓變化的電池板電流。LT8490 測量該電流，然而在內(nèi)部計算功率。一旦全面掃描完成，電池板電壓就返回到所測得的最大功率點。
圖 5：LT8490 MPPT 的全面搜索 ── 黃色曲線 (圖中較高位置) – 電池板電壓；紅色曲線 (圖的中部位置) – 電池板電流；綠色曲線 (圖中較低位置) – 來自LT8490 的控制信號
高頻抖動方法用來跟蹤兩次全面搜索之間最大功率點產(chǎn)生的較小變化，如圖 6 所示。大約在示波器圖形的中間部位，給電池板加上了一次功率點變化，以模仿由于天空中云的移動而改變電池板光照量的情況。這時，LT8490 先在高于、然后在低于目前 MPPT 點的范圍，以小幅度連續(xù)移動電池板電壓，以檢查是否存在一個更好的工作點。如果發(fā)現(xiàn)有，就跟蹤到新的點上，并重復(fù)上述過程。通過這種方式，LT8490 不必太頻繁地進行全面搜索就能夠跟蹤變化。
圖 6：LT8490 在兩次全面搜索之間進行局部高頻抖動 ── 黃色曲線( 圖中較高位置) – 電池板電壓；紅色曲線 (圖中較低位置) – 電池板電流；綠色曲線 (圖的中部位置) – 來自 LT8490 的控制信號
LT8490 通過檢測電池上的外部熱敏電阻器，進行自動溫度補償。STATUS 和 FAULT 引腳可用來驅(qū)動 LED 指示器燈。充電電流限制可通過改變 1 或兩個電阻器來調(diào)節(jié)，用合適的電阻器分壓器可選擇充電時間長度。該器件的其他特點包括：輸入和充電電流限制引腳、一個 3.3V 穩(wěn)定 LDO 輸出、狀態(tài)引腳和可同步固定開關(guān)頻率。
LT8490 采用扁平 (0.75mm) 64 引腳 7mm x 11mm QFN 封裝。該器件保證工作在 -40°C 至 125°C 溫度范圍。
器件主要特點：
- VIN 范圍：6V 至 80V
- VBAT 范圍：1.3V 至 80V
- 單個電感器允許 VIN 高于、低于或等于 VBAT
- 自動搜索以尋找真正的 MPPT 點
- 支持很多類型的鉛酸和鋰電池
- LED 驅(qū)動器用于狀態(tài)指示
- 內(nèi)置電池充電算法
- 自動浮置電壓溫度補償
- 輸入和輸出電流監(jiān)視器引腳
- 可同步固定頻率：100kHz 至 400kHz
- 64 引腳 7mm x 11mm x 0.75mm QFN 封裝
結(jié)論
太陽能既環(huán)保又隨時可用，但是可能不那么可靠。溫度變化導致 MPPT 點移動、老化、電池板部分被遮擋、太陽落山、鳥糞等都可能降低電池板性能。凌力爾特已經(jīng)開發(fā)出降壓-升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器電池充電器 LT8490，可實現(xiàn)適合大多數(shù)電池類型的恒定電流恒定電壓 (CC-CV) 充電曲線，例如鉛酸電池 (密封 SLA、富液式、凝膠) 和鋰電池。該器件還為太陽能供電應(yīng)用提供自動和高效的真正最大功率點跟蹤。因為無需軟件或固件開發(fā)，所以極大地縮短了系統(tǒng)上市時間。與大型和復(fù)雜的同類充電系統(tǒng)相比，LT8490 也是一款具成本效益和更加簡單的解決方案。該器件極大地簡化了過去非常困難的設(shè)計任務(wù)。 |
