一種低輸入電壓的微型太陽能充電器

楊 煬 ，劉 青 ，王子才 ，張 華

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳 518057)

0 引言

太陽能發(fā)電，也稱光伏發(fā)電，是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，吸收太陽光中光子的能量并轉(zhuǎn)換為電能，是一種易于獲取、清潔環(huán)保的可再生能源。近年來，隨著新型太陽能電池的出現(xiàn)以及傳統(tǒng)太陽能電池生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在不斷提高[1]，且生產(chǎn)成本也在逐步降低，與之配套的電力電子設(shè)備方案日趨成熟可靠。在光伏發(fā)電補(bǔ)貼政策力度逐漸減弱的大環(huán)境下，光伏裝機(jī)容量仍在快速增加，也從側(cè)面說明光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)性能已趨近于傳統(tǒng)發(fā)電方式[2-3]。

除了用于并網(wǎng)發(fā)電，太陽能發(fā)電由于其使用限制較少且隨處可及，在個人消費(fèi)電子、戶外探險、單兵裝備場合作為戶外能源補(bǔ)充具有顯著優(yōu)勢。目前光伏發(fā)電的電源變換器研究主要集中在單臺幾千瓦到百千瓦量級，對于移動便攜式應(yīng)用中需要的幾十瓦到百瓦級的電源變換器研究較少。并網(wǎng)光伏發(fā)電中，太陽能電池安裝在固定的地點(diǎn)，其受照情況穩(wěn)定，即使附近有遮擋物，其遮擋陰影也是規(guī)律性緩慢變化的，可通過太陽能電池陣列的合理配置降低遮擋影響[4-5]，并采用最大功率點(diǎn)跟蹤方法使太陽能電池陣列持續(xù)以最大功率輸出[6-7]。在移動便攜式應(yīng)用中，存在光照情況變化頻繁、太陽能電池陣列易受隨機(jī)遮擋等特點(diǎn)。對此，已有研究團(tuán)隊研發(fā)了一些針對性的產(chǎn)品[8-9]。

本文首先分析移動便攜式光伏發(fā)電中陰影遮擋造成的影響以及減少該影響所應(yīng)采用的太陽能電池陣列配置方式，并據(jù)此設(shè)計適用的電源變換器總體方案。采用LT8490 作為控制器，設(shè)計了一款具有最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能的微型太陽能充電模塊，提出了一種拓展LT8490 輸入電壓下限的方法，最終通過實驗測試，驗證了該方法的可行性。

1 太陽能電池陣列配置和電源變換器方案

1.1 太陽能電池配置方案

在典型的光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用中，會將上百片太陽能電池片串聯(lián)起來組成模組，再將數(shù)個模組串聯(lián)起來向電源變換器提供數(shù)百伏的輸入電壓——較高的輸入電壓意味著同等功率下更低的電流和損耗。當(dāng)太陽能電池陣列中個別電池片受到遮擋時，輸出功率的損失比例并不直接等于遮擋面積的比例[10-13]。為了避免串聯(lián)電路中個別電池片受遮擋時，由于其電流下降而導(dǎo)致整個串聯(lián)電路輸出電流受到鉗制，影響輸出功率，通常會在電池片正負(fù)極反向并聯(lián)二極管，使得未受遮擋的電池片產(chǎn)生的電流可以通過該旁路二極管流過。每一片太陽能電池均配置旁路二極管會大幅增加模組生產(chǎn)的復(fù)雜度和成本，實際工程中，考慮硅電池片的反向擊穿電壓，通常每20至30 片電池片跨接一個旁路二極管[14-15]。

在移動便攜式太陽能發(fā)電應(yīng)用中，由于太陽能電池的位置、朝向、受部分遮擋情況都可能快速變化，而且這類應(yīng)用中太陽能電池串聯(lián)數(shù)并不會太多，因此，為避免受照較弱或被遮擋的太陽能電池片抑制整個串聯(lián)的電池串發(fā)電，需要使用旁路二極管，且每個旁路二極管跨接的電池片數(shù)量不能太多。圖1 給出了12 片太陽能電池片組成的陣列，按照不同的串并聯(lián)以及旁路二極管配置方式互連，當(dāng)一片電池片受到遮擋時，整個陣列的P-V特性曲線。從曲線對比中可以看出，當(dāng)串聯(lián)數(shù)較高時，單片遮擋即會導(dǎo)致輸出功率的大幅度下降，圖1(a)中，12串1 并的配置方案功率損失約為89%；旁路二極管的引入可以大幅減少部分遮擋對太陽能電池陣列總輸出功率的影響，圖1(b)采用每3 片電池片跨接1 個旁路二極管的方案，在12 串1 并的情況下，功率損失為34%。但是，在串聯(lián)數(shù)較低，即將更多的電池片并聯(lián)一起的情況下，即使不使用旁路二極管，由于受遮擋電池片只影響其所在串聯(lián)回路，不對其他回路造成影響，因此陣列總功率損失甚至比配置了旁路二極管的方案還要低。因此，在移動便攜式太陽能發(fā)電應(yīng)用中，采用低串聯(lián)數(shù)、高并聯(lián)數(shù)、無旁路二極管的配置方案，盡管電流增大導(dǎo)致后級功率變換器的轉(zhuǎn)換效率會有所降低，但仍可在復(fù)雜多變的光照條件中輸出更多的功率，同時不配置旁路二極管也降低了生產(chǎn)制造復(fù)雜度。

1.2 拓?fù)溥x擇與電源變換器方案

圖1 不同配置方式下的太陽能電池陣列P-V 曲線

多結(jié)太陽能電池的單片開路電壓雖然較高，但由于成本原因，多用于航天或聚光式光伏發(fā)電[16]。單結(jié)太陽能電池的開路電壓通常為0.5～1.1 V，在串聯(lián)數(shù)較少的情況下，電源變換器的輸入電壓也會很低，需采用具有升壓能力的功率拓?fù)?。同時，考慮到實際使用中對多種太陽能電池模組的適配性，以及單節(jié)鋰電池系統(tǒng)中的電池電壓可能低于輸入電壓，所以選擇四開關(guān)Buck-Boost(Four Switches Buck-Boost，F(xiàn)SBB)升降壓拓?fù)洌珺uck 與Boost 級聯(lián)后共用電感，具有升降壓功能。其拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 升降壓串聯(lián)調(diào)節(jié)式同步Buck-Boost 拓?fù)?/p>

根據(jù)變換器四個開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)不同，變換器有三種工作模式：降壓模式、升壓模式、升降壓模式。當(dāng)輸入電壓顯著高于輸出電壓時，變換器運(yùn)行于降壓模式。開關(guān)管Q4一直工作在導(dǎo)通狀態(tài)，Q3管一直工作在斷開狀態(tài)，僅通過Q1、Q2的開關(guān)動作實現(xiàn)端口電壓的調(diào)節(jié)。Q1、Q2驅(qū)動信號互補(bǔ)，該模式下電路完全等效于同步Buck電路，電感電流連續(xù)，輕載時電路處于強(qiáng)制連續(xù)模式。變換器輸出電壓和輸入電壓關(guān)系滿足：

式中，Vout為輸出電壓；D1為開關(guān)管Q1驅(qū)動信號占空比；Vin為輸入電壓。

當(dāng)輸出電壓顯著高于輸入電壓時，變換器運(yùn)行于升壓模式。開關(guān)管Q1一直工作在導(dǎo)通狀態(tài)，Q2管一直處于斷開狀態(tài)，僅通過Q3、Q4的開關(guān)動作實現(xiàn)端口電壓的調(diào)節(jié)。Q3、Q4驅(qū)動信號互補(bǔ)，該模式下電路完全等效于同步Boost 電路，電感電流連續(xù)。變換器輸出電壓和輸入電壓關(guān)系滿足：

式中，D3為開關(guān)管Q3驅(qū)動信號占空比。

當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，變換器進(jìn)入降壓-升壓模式。四個開關(guān)管均處于開關(guān)狀態(tài)，Q1、Q2驅(qū)動信號互補(bǔ)和Q3、Q4驅(qū)動信號互補(bǔ)的前提下，分析電感的伏秒平衡關(guān)系，變換器輸出電壓和輸入電壓關(guān)系滿足：

該拓?fù)浣Y(jié)合了同步Buck 電路和同步Boost 電路，可實現(xiàn)升降壓；僅有一個磁性器件，電路結(jié)構(gòu)簡單，功率變換效率高，且將二極管替換為MOS 管，降低了導(dǎo)通損耗；電路結(jié)構(gòu)完全對稱，可實現(xiàn)能量的雙向流動。

在搜索和跟蹤太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)的過程中，太陽能輸出功率會存在波動，需要在電源變換器輸出級配置能量緩沖池，以保證負(fù)載能獲得一個較為穩(wěn)定的電壓。一般可將充電電池連接到變換器輸出端實現(xiàn)能量緩沖的功能。系統(tǒng)總體方案如圖3 所示。

圖3 移動便攜是太陽能充電系統(tǒng)總體方案

2 電源變換器電路設(shè)計

2.1 支持MPPT 的升降壓控制器原理與設(shè)計

LT8490 是Analog Devices 公司在其LT8705 同步四開關(guān)Buck-Boost 控制器的基礎(chǔ)上，加入適用于光伏面板的MPPT 算法邏輯，利用多路ADC 轉(zhuǎn)換器對輸入輸出端口的電壓和電流進(jìn)行采樣，通過一路PWM 對輸入工作點(diǎn)電壓進(jìn)行控制的高集成小型化光伏充電控制器。

LT8490 采用擾動觀察法持續(xù)進(jìn)行MPPT，為了解決光伏面板受部分遮擋時P-V 曲線存在多個峰值的問題，控制邏輯每隔180 s 進(jìn)行一遍全輸入范圍掃描，尋找最大功率點(diǎn)，一次掃描耗時約2 s，彌補(bǔ)了擾動觀察法在多個高功率點(diǎn)時可能陷入局部極大功率點(diǎn)的弊端。

其內(nèi)部采用四個誤差放大器按“或”的關(guān)系對輸入輸出的電壓、電流進(jìn)行控制，輸出端口可以方便地實現(xiàn)恒流恒壓控制，這種方式使其適用于大部分種類電池的充電。尤其是對目前最為常用的鋰電池，可以做到電池電量低時恒流快速充電，電量升高后轉(zhuǎn)恒壓充電防止造成電池容量的不可逆損失。同時，LT8490 內(nèi)部ADC 可通過電芯上的NTC 電阻感知電芯溫度，對充電終壓進(jìn)行補(bǔ)償。

由于沒有內(nèi)置功率MOSFET 管，LT8490 在極小的QFN 封裝(7 mm×11 mm×0.75 mm)里實現(xiàn)了上述功能，為成品功率變換器的微型化以及散熱設(shè)計帶來了便利，同時也能方便地針對具體應(yīng)用對功率管進(jìn)行選型。

LT8490 的輸入電壓反饋網(wǎng)絡(luò)及片內(nèi)處理電路如圖4所示。RFB1與RFB2組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓后通過FBIN 管腳送入LT8490 與內(nèi)部1.205 V 參考電壓作比較，形成輸入電壓閉環(huán)控制回路。進(jìn)行MPPT 的時候，片內(nèi)控制邏輯通過FBIW 管腳輸出幅值為3.3 V 的PWM波，經(jīng)過RDAC1和RDAC2注入到電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，從而改變輸入電壓(即太陽能電池陣電壓)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)輸入電壓閉環(huán)控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，F(xiàn)BIN 管腳電壓約為1.205 V，忽略FBIN 和FBIR 管腳上的漏電流，根據(jù)基爾霍夫電流定律，流過RFB1、RFB2和RDAC2的電流之和為零，即：

式中，DIW為FBIW 管腳上的PWM 波占空比。

圖4 LT8490 輸入電壓反饋網(wǎng)絡(luò)及片內(nèi)處理電路

由此可得，輸入電壓Vin與占空比DIW的關(guān)系為：

LT8490 進(jìn)行最大功率點(diǎn)掃描和跟蹤時，DIW在0%至100%之間變化，根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值配置，輸入電壓也將在設(shè)定的范圍內(nèi)隨動，同時，片上邏輯通過VINR 和IIR管腳監(jiān)視拓?fù)漭斎腚妷汉碗娏?，從而確定最大功率點(diǎn)。

LT8490 的輸出電壓反饋網(wǎng)絡(luò)及片內(nèi)處理電路與輸入電壓類似，片上邏輯通過FBOW 管腳輸出PWM 波控制輸出電壓，實現(xiàn)蓄電池預(yù)充電、恒壓充電、浮充以及充電電壓溫度補(bǔ)償功能。

2.2 拓展LT8490 輸入電壓下限

LT8490 數(shù)據(jù)手冊中給出的工作時輸入電壓范圍是6～80 V，輸出電壓范圍是1.3～80 V。為適應(yīng)移動便攜式太陽能發(fā)電應(yīng)用中太陽能電池陣串聯(lián)數(shù)較少、輸入電壓低的需求，本文提出一種旁路供電的方法拓展LT8490輸入電壓下限。其原理框圖如圖5 所示。

圖5 輸入電壓下限拓展原理框圖

根據(jù)LT8490 內(nèi)部框圖，其供電管腳VIN將連接到片內(nèi)6.35 V 的線性穩(wěn)壓器，產(chǎn)生INTVcc 電壓供片內(nèi)使用，并進(jìn)一步通過兩個片內(nèi)穩(wěn)壓器產(chǎn)生更低的電壓供片內(nèi)控制邏輯電路使用。改變原來把太陽能電池陣列輸出電壓連接到VIN管腳的方案，將太陽能電池陣列輸出電壓通過一個小功率高效升壓電路，升壓至10 V 后連接到VIN為片內(nèi)的控制電路、邏輯電路等提供工作電壓，從而使得LT8490 在輸入電壓低于6 V 時仍可正常工作。根據(jù)前面分析的LT8490 工作原理，拓展輸入電壓下限后，根據(jù)以下兩式配置輸入電壓反饋控制網(wǎng)絡(luò)：

式中，VinMAX、VinMIN分別為MPPT 掃描時太陽能電池陣列電壓的最大值、最小值。

芯片的VIR 管腳用于測量輸入電壓絕對值，從而實現(xiàn)MPPT、低功率發(fā)電模式等功能。拓展輸入電壓下限后，需按比例修改VIR 管腳連接的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)比例，令芯片認(rèn)為輸入電壓大于10 V，以繞開片內(nèi)低壓保護(hù)、低功率發(fā)電模式等功能，使得LT8490 保持在正常工作狀態(tài)。

3 測試結(jié)果與分析

按照本文設(shè)計制作的移動便攜式低輸入電壓的微型太陽能充電模塊外包絡(luò)尺寸為40 mm×40 mm×13 mm，實物如圖6 所示。

圖6 移動便攜式低輸入電壓微型太陽能充電模塊實物圖

采用Agilent E4360A 太陽能電池陣列模擬器、鋰電池搭建測試平臺對該充電模塊進(jìn)行測試，其輸入端（即太陽能電池陣列輸出端）波形如圖7 所示。圖中記錄的是一次全輸入范圍最大功率點(diǎn)掃描的過程。從波形可見，經(jīng)過輸入電壓拓展后的LT8490 充電模塊，輸入端電壓從設(shè)定的開路電壓5.5 V 逐漸變化到2.8 V，并最終穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)電壓處，在實際使用中可以減少太陽能電池陣列的串聯(lián)數(shù)，降低移動中陰影遮擋、受照不均勻造成的功率損失。

圖7 輸入電壓拓展的充電模塊輸入端電壓波形(全局掃描時)

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款采用LT8490 控制器的太陽能充電模塊，功率部分為四開關(guān)Buck-Boost 升降壓拓?fù)?，可方便?yīng)用于含有電池的便攜式光伏發(fā)電場合。通過分析內(nèi)部工作原理，提出了一種采用外部Boost 電路向片內(nèi)控制、邏輯電路供電并修改采樣電路，以拓展模塊最低輸入電壓能力的方法。實測結(jié)果表明，該方法可行有效，可滿足移動便攜應(yīng)用中對微型太陽能充電模塊的需求。