| 背景信息
太陽(yáng)能是綠色能源，而且是“免費(fèi)”的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板的最佳功率提供點(diǎn)偏移，此外設(shè)備老化、局部光照被遮擋、日落、落上動(dòng)物糞便等，都可能妨礙太陽(yáng)能電池板的性能。由于這些可靠性和可變性問(wèn)題，幾乎所有太陽(yáng)能供電設(shè)備都采用可再充電電池以提供備份電源。過(guò)去一度僅使用鉛酸電池，現(xiàn)在所用電池種類(lèi)已經(jīng)擴(kuò)大到包括鋰電池了。太陽(yáng)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(yáng)能，以迅速給電池充電以及保持電池的電荷狀態(tài)。此外，當(dāng)太陽(yáng)能電池板得到的光照很少或沒(méi)有光照時(shí)，電池漏電很重要，無(wú)論何時(shí)只要可能，就應(yīng)該減到最少。
顯然，太陽(yáng)能供電應(yīng)用正處于上升階段。現(xiàn)在，有各種不同尺寸的太陽(yáng)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(biāo)志燈、垃圾壓實(shí)機(jī)、海上浮標(biāo)燈等。有些太陽(yáng)能供電應(yīng)用采用的電池是深度循環(huán)類(lèi)電池，能承受很多個(gè)反復(fù)充電周期以及深度放電。這類(lèi)電池常見(jiàn)于“離網(wǎng)”(即與電力公司電網(wǎng)斷開(kāi)) 可再生能源系統(tǒng)，例如太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。就離網(wǎng)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間非常重要，因?yàn)檫@類(lèi)系統(tǒng)很難靠近。
太陽(yáng)能電池板基礎(chǔ)知識(shí)
就一定量的光能和工作條件而言，太陽(yáng)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(yáng)能電池板在電池板溫度為 60ºC 時(shí)的特性。虛線 (藍(lán)色線) 代表電池板的 I-V 曲線，X 軸表示電池板電壓。實(shí)線 (紅色線) 表示當(dāng)電池板電壓從 0V 變化到電池板開(kāi)路電壓時(shí)電池板產(chǎn)生的輸出功率，電池電壓變化是用簡(jiǎn)單的負(fù)載箱實(shí)現(xiàn)的。就此處所述這一特定情況而言，最大功率點(diǎn)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(shí)情況中這當(dāng)然是允許的，那么最大功率點(diǎn)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(gè)給定太陽(yáng)能電池板的較簡(jiǎn)單功率曲線
很多較簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能充電系統(tǒng)將電池板電壓工作點(diǎn)設(shè)定為固定值。在上述特定電池板情況下，這類(lèi)較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)會(huì)將電池板工作點(diǎn)設(shè)定到 32V，以在給定溫度時(shí)抽取最大功率，而這例子的溫度為 60ºC。不過(guò)，當(dāng)電池板溫度變化時(shí)，會(huì)浪費(fèi)大量功率，因?yàn)殡姵匕宀辉僭谡嬲淖畲蠊β庶c(diǎn)上工作了。在這類(lèi)情況下，可能浪費(fèi) 20% 至 30% 以上的可用功率。
使情況變得更糟的是，按照已實(shí)行的安全標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)電池板必須在太陽(yáng)能電池陣列中裝上旁路二極管。這么做的原因是，當(dāng)部分電池板被遮住而得不到太陽(yáng)光照射，而其他部分得到充足陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)能電池板有一些特定表現(xiàn)。這時(shí)，被遮住的太陽(yáng)能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過(guò)，因?yàn)槠渌玫匠渥愎庹盏碾姵卣谔峁╇娏�。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(fēng)險(xiǎn)，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(yáng)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(yáng)能電池板上放置了 3 個(gè)旁路二極管
由于電池板中存在旁路二極管，當(dāng)部分電池板被遮擋時(shí)，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(gè)局部最大功率點(diǎn)，一個(gè)在 21V 電壓處，另一個(gè)在 37V 電壓處。如果采用前述簡(jiǎn)單的 32V 功率點(diǎn)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(diǎn) 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(diǎn)并在其上工作的系統(tǒng)會(huì)有卓越功率表現(xiàn)。
圖 3：當(dāng)太陽(yáng)能電池板被部分遮擋時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較復(fù)雜的功率曲線
太陽(yáng)能供電可再充電電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
太陽(yáng)能電池板的典型效率約在 5% 至 15% 之間�？紤]到較大型 (即更強(qiáng)大) 的電池板成本更高，所以太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)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(yáng)能供電產(chǎn)品要有效收集太陽(yáng)能，其設(shè)計(jì)必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時(shí)還能夠使太陽(yáng)能電池板在最大功率點(diǎn)或其附近工作。此外，該設(shè)計(jì)必須能夠安全地給該產(chǎn)品選擇使用的化學(xué)組成電池充電。
在太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中，還會(huì)遇到其他設(shè)計(jì)問(wèn)題。就任意給定太陽(yáng)能供電系統(tǒng)而言，固件開(kāi)發(fā)和調(diào)試可能需要大量時(shí)間。如果太陽(yáng)能電池板的最佳功率提供點(diǎn)可以低于、等于或高于電池電壓 (這是非常常見(jiàn)的情況)，那么會(huì)需要更加復(fù)雜的降壓-升壓型拓?fù)�。降�?升壓型拓?fù)湓试S真正的雙向隔離 (與降壓型拓?fù)湎啾�，如果電池板沒(méi)得到光照，那么它可能通過(guò) NMOS 的體二極管和電感器耗盡電池電量)。 為保護(hù)電池，需要恰當(dāng)?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(fù)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(diǎn)跟蹤 (MPPT)，為什么需要 MPPT?
最大功率點(diǎn)跟蹤這種方法有助于在所有工作條件下從太陽(yáng)能電池板抽取最多能量。以下列舉了某些這類(lèi)非理想工作條件：
- 電池板部分被遮擋 (樹(shù)葉、鳥(niǎo)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(yáng)能電池板系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)故障代價(jià)高昂�？蛻�(hù)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(zhǎng)兩次太陽(yáng)能供電系統(tǒng)維護(hù)之間的正常運(yùn)行時(shí)間。
真正的有源 MPPT 會(huì)找出所有條件下的最佳工作點(diǎn)。這會(huì)降低系統(tǒng)總體成本，因?yàn)榭梢允褂米钚〉碾姵匕寤蜃钚〉碾姵兀瑥亩鴾p少過(guò)度設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求。真正的 MPPT 會(huì)發(fā)現(xiàn)最佳峰值功率點(diǎn)，并剔除假的局部最大功率點(diǎn)，這種局部最大功率點(diǎn)在部分被遮擋的電池板中很常見(jiàn) (注：電池板部分被遮擋時(shí)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(jiǎn)單的 IC 解決方案
解決上述問(wèn)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(kāi)發(fā)時(shí)間
- 靈活的降壓 / 升壓型拓?fù)?/font>
- 有源 MPPT 算法
- 簡(jiǎn)單、自主運(yùn)行 (無(wú)需微處理器)
- 面向各種不同電池化學(xué)組成的終止算法
- 原地充電 ─ 向負(fù)載供電的同時(shí)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(duì)多個(gè)電池組
- 高輸出 / 充電電流
- 小型、扁平解決方案
- 先進(jìn)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(yáng)能電池充電系統(tǒng)由一個(gè) DC-DC 開(kāi)關(guān)電池充電器、一個(gè)微處理器和幾個(gè) IC、以及分立式組件組成，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)控制 / 跟蹤功能。另一種可能的解決方案是太陽(yáng)能模塊。不過(guò)這些解決方案費(fèi)用高昂、復(fù)雜而不易設(shè)計(jì) (需要軟件、固件等)，而且往往鎖定到假的太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)上，因此無(wú)法以盡可能高的效率運(yùn)行。幸運(yùn)的是，由于凌力爾特推出了 LT8490 降壓-升壓型太陽(yáng)能供電電池充電控制器，所以有了一種簡(jiǎn)單易用的解決方案。
一種高效率太陽(yáng)能供電解決方案
凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單、創(chuàng)新的高壓降壓-升壓型充電控制器 IC，該 IC 專(zhuān)門(mén)針對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用，既不需要開(kāi)發(fā)軟件也不需要開(kāi)發(fā)固件，因此極大地縮短了產(chǎn)品上市的進(jìn)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(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤和溫度補(bǔ)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(xué)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(wú)需軟件或固件開(kāi)發(fā)，因此節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)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(kāi)關(guān)同步整流和單個(gè)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(dá) 10A 的充電電流。LT8490 的 MPPT 電路能夠在太陽(yáng)能電池板的整個(gè)工作范圍內(nèi)工作，即使電池板部分被遮擋而導(dǎo)致存在局部最大功率點(diǎn)，它也能找出真正的最大功率點(diǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)真正的最大功率點(diǎn)，LT8490 就在該點(diǎn)上工作，同時(shí)運(yùn)用高頻抖動(dòng)方法快速地跟蹤局部最大功率點(diǎn)的變化。通過(guò)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(yáng)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(dá)到開(kāi)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(cè)量該電流，然而在內(nèi)部計(jì)算功率。一旦全面掃描完成，電池板電壓就返回到所測(cè)得的最大功率點(diǎn)。
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(lái)自LT8490 的控制信號(hào)
高頻抖動(dòng)方法用來(lái)跟蹤兩次全面搜索之間最大功率點(diǎn)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(diǎn)變化，以模仿由于天空中云的移動(dòng)而改變電池板光照量的情況。這時(shí)，LT8490 先在高于、然后在低于目前 MPPT 點(diǎn)的范圍，以小幅度連續(xù)移動(dòng)電池板電壓，以檢查是否存在一個(gè)更好的工作點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)有，就跟蹤到新的點(diǎn)上，并重復(fù)上述過(guò)程。通過(guò)這種方式，LT8490 不必太頻繁地進(jìn)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(jìn)行局部高頻抖動(dòng) ── 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(lái)自 LT8490 的控制信號(hào)
LT8490 通過(guò)檢測(cè)電池上的外部熱敏電阻器，進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償。STATUS 和 FAULT 引腳可用來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 指示器燈。充電電流限制可通過(guò)改變 1 或兩個(gè)電阻器來(lái)調(diào)節(jié)，用合適的電阻器分壓器可選擇充電時(shí)間長(zhǎng)度。該器件的其他特點(diǎn)包括：輸入和充電電流限制引腳、一個(gè) 3.3V 穩(wěn)定 LDO 輸出、狀態(tài)引腳和可同步固定開(kāi)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(diǎn)：
- VIN 范圍：6V 至 80V
- VBAT 范圍：1.3V 至 80V
- 單個(gè)電感器允許 VIN 高于、低于或等于 VBAT
- 自動(dòng)搜索以尋找真正的 MPPT 點(diǎn)
- 支持很多類(lèi)型的鉛酸和鋰電池
- LED 驅(qū)動(dòng)器用于狀態(tài)指示
- 內(nèi)置電池充電算法
- 自動(dòng)浮置電壓溫度補(bǔ)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(yáng)能既環(huán)保又隨時(shí)可用，但是可能不那么可靠。溫度變化導(dǎo)致 MPPT 點(diǎn)移動(dòng)、老化、電池板部分被遮擋、太陽(yáng)落山、鳥(niǎo)糞等都可能降低電池板性能。凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)出降壓-升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電池充電器 LT8490，可實(shí)現(xiàn)適合大多數(shù)電池類(lèi)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(yáng)能供電應(yīng)用提供自動(dòng)和高效的真正最大功率點(diǎn)跟蹤。因?yàn)闊o(wú)需軟件或固件開(kāi)發(fā)，所以極大地縮短了系統(tǒng)上市時(shí)間。與大型和復(fù)雜的同類(lèi)充電系統(tǒng)相比，LT8490 也是一款具成本效益和更加簡(jiǎn)單的解決方案。該器件極大地簡(jiǎn)化了過(guò)去非常困難的設(shè)計(jì)任務(wù)。 |
