用電子技術最大化太陽能電池板輸出功率
發布時間：2009-5-18 15:18
發布者：賈延安
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太陽能離普通消費者的距離越來越近了，除了太陽能熱水器，現在太陽能景觀燈、太陽能屋頂、太陽能手機、太陽能路燈等應用也一個個走進我們的視野。但因太陽能電池低轉換能效引起的高成本問題仍困擾著這一產業的發展。那么，除了材料技術以外，還有什么技術可用來提高太陽能電池板的轉換能效呢？答案是有的。本文就將告訴你如何用充電穩壓器來實現這一目標。 最初，TI 的線性充電穩壓器bqTINY-III 系列只是設計用于通過一個 AC 適配器或 USB 端口為單體鋰離子電池充電，然而，這些 IC 也非常適用于由太陽能板供電的應用。 太陽能電池通常是由 p-n 結組成的，p-n 結中入射光線能量（光子）通過導致電子和空穴的重新組合來產生電流。由于 p-n 結的特性類似于二極管的特性，因此我們通常以如圖 1 中所示的電路作為太陽能電池特性的一個簡化模型。 圖1：太陽能電池簡化電路模型 對于大多數負載電流而言，這個過程對于輸出電壓僅有很小的影響。由于二極管的I-V 特性會有輕微的變化，并且由于串聯電阻 RS 的原因（其具有連接損耗）電壓會稍有下降，但輸出電壓卻保持大體恒定。然而，有時流經 D1的電流太小，從而導致二極管偏置不夠，并且二極管兩端的電壓會隨著負載電流的增加而急劇下降。最后，如果所有產生的電流均只流經負載（而不流經二極管），則輸出電壓就會變為零。這個電流被稱為太陽能電池的短路電流 (ISC)。ISC 和 VOC 都是定義太陽能電池工作性能的主要參數之一（請參見圖2）。 圖2：典型的太陽能電池I-V 特性 在大多數應用中，人們都期望太陽能電池能提供盡可能多的電能。由于輸出功率是輸出電壓和電流的乘積，因此就必須確定電池工作區域中的哪一部分所產生的 VI 值最大。這一點被稱為最大功率點 (MPP)。當輸出電壓為其最大數值 (VOC)時，輸出電流為零，這是一個極端情況；而當輸出電流達到最大值 (ISC),但輸出電壓為零時，則是另一種極端情況。在這兩種情況下 VI的乘積均為零，因此，這兩種極端情況肯定都不是 MMP 點。我們可以很容易證明（或通過實驗進行觀察），在任何應用中，MPP一般會出現在太陽能電池輸出特性（請參見圖 3）下半部分的某個位置。但問題是太陽能電池 MPP的確切位置會因入射光線和環境溫度不同而變化。所以，設計旨在動態地調節太陽能電池的輸出電流，以達到太陽能電量生成系統的最大化，以便在實際應用中其能夠在 MPP 點或者其臨近點工作。 圖3：太陽能電池輸出特性。 DPPM功能的主要原理如圖 4 所示。暫時忽略 USB 輸入，電路的工作原理如下：Q1 對 OUT 引腳的電壓進行調節，Q2 根據一個典型的CC-CV 鋰離子充電曲線對充電電流進行調節。如果連接至 AC 引腳的電源電流不足而無法為系統供電并為電池充電，則 VOUT 開始下降。如果VOUT 達到了預定義的閾值 VDPPM，bqTINY-III 則會自動將充電電流降至一個可保持 VDPPM 時 VOUT 的水平。 圖4：bqTINY-III 線性充電器的 DPPM 工作原理。 圖5：使用太陽能板對電池進行充電。 從該太陽能板上獲得的最大輸出電壓 (VOC) 通常介于 5.5V～6V 之間。因為該電壓低于 bq24030 預定義的 6V 輸出調節電壓，Q1 被完全開啟 (turned hard-on)。RSET 定義了一個 1A 的最大充電電流。 如果其超過了太陽能電池的輸出電流（取決于光線強弱），太陽能板的輸出電壓就會下降，從而降低了 bq24030 OUT 引腳的電壓。RDPPM 對bq24030 進行了編程以自動將 ICHG 降至一個容許 VOUT 保持在最小 4.5V 的電平。之所以采用 VDPPM這個值，是因為它非常符合太陽能板的最大功率點 (MPP)。假設 Q1 兩端的電壓降為 300mV，那么每個電池的電壓就將會變為436mV，這樣就會最大化太陽能板的功率輸出。 如果 VOUT 高于 4.5V，則 DPPM就會不起作用，太陽能板的工作狀態就會偏離MPP。但是，只有所需的電能少于太陽能板所能提供的電能時，才會發生這樣的情況，此時效率的降低不會有太大的影響。如圖 3 所示，隨著輸出功率逼近MPP，輸出功率曲線變得十分平穩，然后突然急劇下降。因此，把 VDPPM設置得稍高些比設置得稍低些要好。這樣就可以將不恰當的工作點對輸出功率的影響最小化。 如果太陽能板提供的電能不足以為系統供電，甚至當電池充電電流已經被降低至零的時候，Q2 就會被開啟，VOUT 將下降到恰好低于電池電壓 VBAT，而電池則能提供任何太陽能板所不能提供的電流。 bqTINY-III還允許通過USB端口對電池進行充電。在這種情況下，Q3就會被用來調節輸入電流，以確保USB 規范可根據 IC 的 ISET2引腳狀態滿足100mA或500mA的要求。如果系統和充電電流的總和超過了所選USB的電流極限，則VOUT 就會下降且DPPM功能會降低充電電流，或像從前那樣還原為電池補充模式。 bqTINY-III系列器件的另一個非常有用的特性就是如果充電器正處于 DPPM狀態，則其內部安全定時器就會自動延長時間。因此在低光照或電流限制的條件下，當電池充電速度較慢時，在出現錯誤條件之前對電池進行再充電所允許的時長得到了適當的延長，從而避免了過早的充電終止。 |
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