太阳能系统中的高效前端接口设计方案

为了最大程度挖掘太阳能的潜力，前端接口（位于电池和能源开采电路间）必须考虑到这些电池的特性; 通过不同的算法和各种硬件/软件，即可实现挖掘太阳能的最大潜能。

太阳能看似是免费的、无限再生的能源，实际上，要想将太阳中的撞击电子转变成可利用的资源，需要严谨的设计方案，先进的电子设备，精密的电池充电/放电管理。太阳能应用广泛，主要可分为三大类：

• 为物联网收集能量，用于记录数据（功率范围是毫瓦，输出直流、低电压。）

• 为住宅或远程安装备份、补充能源。（可运输，功率在百瓦至千瓦之间，输出交流、线电压）

• 作为电网的一部分，固定在适当位置，功率达到成千上万千瓦，输出交流电上千伏。

图1中，虽然实际应用会忽视用户所面临的不便，但太阳能装置（无线电路）还是具备大量的子功能。从高层次来看，电力子系统只是设计中的一小部分，但实际上很重要：它包括一个前端，接口连接太阳能电池并从中收集能量; 通过电源管理功能将能量输入存储元件（电池或超级电容器），系统还包括电额负荷管理块，负责从存储元件中提取能量。该系统收集的能量（焦耳）可用，但他会作为功率（瓦）释放出来，以满足负载的要求。 [功率是能源的转换产物，操作负载;但首先必须作为能源被收集起来。]

图1：在这种情况下，对于物联网来说，一个完整的太阳能供电系统，由许多功能块组成; 用作备份或备用电源时，功能块（如传感器和射频链路）是没有用的。 （来源：贸泽）

事实上，我们必须了解从太阳中到底能提取多少功率。太阳辐射到达地球大气上层平均约为1千瓦/平方米，或0.1瓦/平方厘米。

即使在晴天，只有一小部分辐射能到达地面，由于大气吸收，太阳能电池的效率只有15-20％，因此乐观的估计，太阳能电池释放出的可利用能量约为10毫瓦/平方厘米。排除获取，存储和输出转换的损失，太阳能电池每平方厘米释放的可利用能源相当低，而且还不包括黑暗、多云、季节性辐射和经纬度等因素的影响。

由此可看，尤其是在中波收集器技术（MW-range harvesting applications） 中（不必担心I2R的损耗），经太阳能供电系统造成的任何微小损失，都是至关重要的。这种优化最具挑战性的是在前端，那里太阳能电池的功率输出必须被提取并采集。这是因为任何损失或低效率在这之后都不能弥补，撞击太阳能也将永远丢失。

1、效率始于电源插座

与大多数传统的电源（比如内阻，其电流或电压源具有固定参数）不同，太阳能电池具有不寻常的特性。忽略不计输出电压和电流，设计者的目标是从太阳能电池中获得最大功率，但电压和电流都将随着操作条件的变化而变化。

根据一组给定的工作条件，有一个独特的“工作点”称为最大功率点（MPP），电池提供最大功率（V×I）的输出。为提取功率，连接电路的电阻 - 必须与电池的电阻的特性相匹配。

该匹配情况与任何电源匹配到负载，以实现最大功率传输相类似，诸如功率放大器的输出阻抗和负载天线，或者从一个天线到RF前端之间。大多数这样的情况下，源和负载阻抗的参数是相对恒定的，所以形成了一个固定电路（某些应用中，特别是高性能的射频，也考虑到由于自热和环境条件，一些参数不随温度而变化）。

然而，太阳能电池的操作条件是不恒定的，并且由于照明的变化、电池的温度、电池的年龄和其它因素的变化而反复移位。其结果是，为获得最大效率，太阳能系统必须动态改变电池上的负载，称为最大功率点追踪（以下简称MPPT）。MPPT反应负载线、最大功率线和电流电压之间的关系、负载线、最大功率线和功率电压之间的关系（图2a和图2b）。

表格 1 电阻负载和光伏电源；电流电压曲线

表格 2电阻负载和光伏电源；电流电压曲线
 

图2a：表a和表b的光伏阵列很复杂。负载线（红线）和最大功率线（蓝线）的交点是效率最高的。（纽卡斯尔大学，电力电子驱动器和机械研究组）

MPPT可以通过几种方法来实现：在“扰动和观察”技术中，电路板的输出被监测时，前端电阻是“抖动”的; 如果它在这一方向上持续增加，则会在一定范围内检测出哪里的输出为最大，这是优化问题的标准方法。其它方法包括操纵电池跨导，用扫电流或电压驱动，以确定电池的内部参数。每个方法都有利弊：在寻找最大功率点时存在潜在的过度振荡或“摆动”，或者寻求最大功率点时存在的次最佳性能。

2、MPPT的选择

除了MPPT的算法，实际上可以通过硬件中的专用集成电路或通过（也叫软件，作为系统微控制器的编程的一部分）来实现最大功率点追踪。而选择固件，最大程度上微调甚至改变了最大功率点（MPPT）追踪算法，也可能成为一个系统的负担；和固定功能的集成电路相比，因此需要更高的速度，更耗电的处理器。伴随着所有的工程决策，决定一定会有利弊，与此同时，主要的成本或功率增量会越过阈值。

对于小的收集系统，通过专用集成电路实现单个最大功率点追踪，通常是成本效益和效率最高的; 尽管作为单独的电池和区具有不同的特性，但因为多单元阵列分布在更大的区域，有的甚至只有几平方米，所以有必要提供单独的MPPT对分区。在具有专用MPPT的前端集成电路，具有嵌入式MPPT的收集子系统集成电路，和基于固件的MPPT处理器中进行选择，这取决于太阳能阵列，功率电平的大小，和灵活需要。

一个嵌入MPPT的前端集成电路例子是来自意法半导体公司的SPV1020，图3.该集成电路集成了一个四相位交错直流 / 直流（ DC/ DC）升压转换器，以最大限度地提高由光电板产生的功率辐射水平。SPV1020控制脉宽调变（PWM)，是一个固定频率转换器，通过嵌入逻辑运行的扰动 - 观察算法，实现循环控制。电源的开关频率内部默认值为100千赫，生成转换器，但是外部值从50千赫至200千赫，而占空比范围可从5％变至90％（紧步骤增量值0.2％）。

图3：意法半导体的SPV1020是一个直流 /直流DC / DC升压转换器（嵌入MPPT算法），其基本操作中不需要处理器管理。
 

供应商认为，自从最大功率点计算当地化（以下简称MPP）后，系统效率比使用拓扑时要高，使用拓扑时，MPP计算通过一个集中逆变器拓扑结构来实现。由于集成电路由场效电晶体和同步整流电源组成，从而最大限度地减少外部设备的数量。至于长期的可靠性，直流/ 直流（DC / DC）转换器的四相交织拓扑无需使用电解电容，往往成为限制系统长寿命的因素。设计者可以在一个面板阵列中使用多个SPV1020s，每个面板一个装置;这些面板可以串联连接，并联，或串联/并联的组合。供应商还提供了集成电路的评估板，演示在不同的功率水平和结构中的使用。

光谱，复杂且灵活，其另一端是一个完全可编程控制器，如TMDSHVMTRPFCKIT（高电压、太阳能开发工具包、德州仪器公司出品，以下简称TMDSHVMTRPFCKIT）。这个完整的评估包，图4，是针对高功率系统的。（输入200-300直流电压和高达500W的能力）它基于C2000系列Piccolo F28035处理器，和两交错升压级（用于最大功率点跟踪，以及一个半桥谐振LLC隔离级），两者都由一个单个MCU数字控制。设计者可以通过增量电导或扰乱-观察算法选择MPPT，使他们能够检测应用程序的两个选项和有效性。

图4：对于一个完全可编程解决方案，德州仪器TMDSHVMTRPFCKIT是个高电压，拥有现有MPPT算法的隔离太阳能开发工具包，是个基于Piccolo F28035 处理器的设备;它可在500瓦范围内供应。
 

它还包括USB连接的边界扫描仿真（），从而消除了对外部硬件，和快速启动图形用户界面的需要。所有的硬件和软件都被完整的记录，并作为设计使用的“开放源码”。该评估板弥补了德州仪器公司产品 TMSHV1PHINVKIT的不足; 评估板和TMSHV1PHINVKIT提供了一个完整的从直流、到交流的太阳能供电逆变器系统。

一个中等大小的MPPT，使用像PIC16F1503单片机（美国微芯科技公司）这样的设备。这个集成电路是一系列增强型核心设备之一，其中包括外围设备，如NCO（数控振荡器），CWG（互补波发生器）或CLC（可配置逻辑单元）。微芯公司提供MPPT流程图和应用笔记中的代码模块[参考文献1（AN1467）和2（AN1521）]; 两者都可以与正抗阻变换器（PIC器件）使用，同时单独的流程图可以用作任何处理器编程工作的指南。

对于电子电路来说，从小型物联网到大型备份，甚至主电源，太阳能由于其免费、永不耗竭的优势，具有巨大的吸引力。然而，现有可供利用的太阳能只是一小部分，所以任何设计必须注重其前端效率（如MPPT问题）从而使这种方法在经济上合理，技术上可行。无论设计师选择专用前端集成电路或完全可编程集成电路，处理器的设计都必须考虑以下几个因素：太阳能电池阵列的尺寸，物理布局，所需模块化和成本。