基于MPPT 方法的微能源光伏系統(tǒng)設(shè)計

周濤，尹亞江

（1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192；2.清華大學(xué)精密儀器系，北京 100084）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由散布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有傳感、處理和通信功能。這些無線傳感器節(jié)點能部署在野外惡劣、危險或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，目前已被廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)監(jiān)控、安全監(jiān)控、智能交通、環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。對無線傳感器實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)（ⅠoT）的未來預(yù)測顯示，2018—2023 年間，無線傳感器的需求將增加2 倍，這導(dǎo)致大約500 億無線傳感器對電源的需求顯著增加[2]。所以，能源供給成為限制無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。

一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由4 個部分組成：供能模塊、傳感模塊、處理模塊、無線通信模塊[3]。供能模塊是傳感器節(jié)點非常重要的部分，需給其他3 個部分供電，保證其正常運作。然而，無線傳感節(jié)點往往處在人難以接觸的環(huán)境中，當(dāng)電池能量耗盡時，無法更換電池。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成單元中，通信單元的耗能遠(yuǎn)高于感知和計算單元[4]。其在休眠期時，節(jié)點功耗是微瓦級，但是在數(shù)據(jù)收發(fā)時功率可達(dá)幾十毫瓦。由于收集到的能量很小，能量收集器不能直接為負(fù)載供電，因此，能量收集與存儲是研究自供電系統(tǒng)的關(guān)鍵所在[5-6]。

能量收集主要分為兩方面，一方面是能量收集技術(shù)，另一方面是能量管理。針對能量收集技術(shù)，國內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)研究。馬航[7]選擇變步長電流觀測法作為最大功率點跟蹤算法，提高了太陽能利用率。韓蕾等[8]基于開路電壓法提出一種可以根據(jù)光照強(qiáng)度變化而自適應(yīng)調(diào)整工作性能的跟蹤器，從而進(jìn)一步提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)移效率。KⅠM 等[9]基于具有快速跟蹤時間的爬山算法，設(shè)計了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的800 μW 光伏電池高效光伏能量采集器。ALⅠPPⅠ等[10]提出了一種基于太陽能的專為無線傳感器節(jié)點設(shè)計的自適應(yīng)數(shù)字控制MPPT 電路。BRUNELLⅠ等[11]基于分?jǐn)?shù)開路電壓法提出了一種適用于低功耗和環(huán)保嵌入式系統(tǒng)的光伏收獲機(jī)，不需要任何數(shù)字控制器，降低了成本，縮小了組件尺寸。CHEN 等[12]通過脈沖頻率調(diào)制調(diào)節(jié)器開關(guān)模塊，通過約束控制電路實現(xiàn)最大功率點跟蹤，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)換率，最大化地減少系統(tǒng)的休眠時間。KⅠM 等[13]在MPPT 電路中利用逐次逼近并進(jìn)行反饋的方法，來平衡解決1 mW 級低功耗光伏供電電路中的瞬間響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)震蕩的問題。

盡管國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，但系統(tǒng)尺寸、收集效率和MPPT 電路性能之間的矛盾仍然存在。本文重點研究了用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自供電式太陽能收集電路，具體從微型光伏電源系統(tǒng)的4 個部分講述，分別為MPPT 控制模塊、輸入模塊、儲能模塊、輸出穩(wěn)壓模塊，最后進(jìn)行結(jié)果測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

微型光伏電源系統(tǒng)主要包括4 個部分，即MPPT控制電路、輸入模塊、儲能模塊、輸出穩(wěn)壓模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 微型光伏電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 MPPT 的工作原理

基于matlab/simulink搭建了光伏電池的數(shù)學(xué)模型，仿真得到單晶硅光伏電池在變化光照強(qiáng)度和變化溫度下輸出特性曲線。輸出特性曲線如圖2—圖5 所示。

圖2 變化光照條件下U-I 特性曲線

圖4 變化溫度條件下U-I 特性曲線

圖5 變化溫度條件下U-P 特性曲線

對單晶硅光伏電池來說，存在最大功率點，對應(yīng)特定的Vmpp和Impp，最大功率點受光照強(qiáng)度變化而變化。常用的MPPT 算法包括固定電壓法[14]、電導(dǎo)增量法[15]、擾動觀察法[16]、爬山法[17]及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[18]等。這些算法基本上與跟蹤最大功率點的算法相同，在此期間執(zhí)行迭代擾動和觀察，直到實現(xiàn)最大功率點。另一種成熟的方法稱為增量電導(dǎo)法，基于光伏電池功率曲線的斜率在最大功率點處為0。在這些方法中，需要進(jìn)行電壓測量和電流測量。與上述幾種方法相比，分?jǐn)?shù)開路電壓（VOC）方法是一種簡單的方法，其既不需要復(fù)雜的電流測量，也不需要功耗大的MCU 進(jìn)行控制，因此MPPT 電路本身消耗的功率較低。這種方法主要采用光伏電池板的VMPP和VOC之間的線性關(guān)系，如下式所示。

式中：kFOC為從測試數(shù)據(jù)中提取出的，近似為一個常數(shù)值。

1.2 MPPT 控制電路設(shè)計

因為收集的光伏能量是毫瓦級，要實現(xiàn)低功耗，必須保證MPPT 控制電路功耗較低，所以選擇了LTV3691 毫微功耗比較器。由于最大功率點的電壓與光伏電池的開路電壓近似線性關(guān)系，為了更加精確地跟蹤最大功率點，選用了2 塊尺寸大小為30 mm×40 mm、材質(zhì)都是單晶硅的光伏電池片。其中一塊作為參考電池片，提供參考電壓。根據(jù)如下公式可以設(shè)置遲滯窗口大小。

MPPT 控制電路圖如圖6 所示。

圖6 MPPT 控制電路圖

1.3 輸入模塊設(shè)計

作為系統(tǒng)輸入模塊，應(yīng)該盡量保證收集更多的能量，通過MPPT 控制電路對LTC3632 進(jìn)行控制，從而保證輸入電壓穩(wěn)定在最大功率點時電壓值，實現(xiàn)最大功率收集。輸入模塊電路圖如圖7 所示。

圖7 輸入模塊電路圖

1.4 儲能模塊設(shè)計

收集到的光伏能量為幾十毫瓦，對于無線傳感節(jié)點而言，在發(fā)射數(shù)據(jù)時，峰值功率會達(dá)到100 mW 以上。因此，需要儲能模塊在能量不足時儲存能量，以供負(fù)載正常運行。儲能模塊包括鋰電池、升壓芯片LTC3401、超級電容。首先，光照充足時，收集的能量給鋰電池和超級電容共同充電。當(dāng)光照不足時，超級電容立刻釋放電量，然后鋰電池通過升壓芯片LTC3401 給超級電容充電。當(dāng)超級電容和鋰電池兩端電壓相等時，鋰電池不再進(jìn)行放電。這樣可以防止鋰電池過度放電，有利于延長鋰電池的壽命。儲能模塊電路圖如圖8 所示。

圖8 儲能模塊電路圖

1.5 輸出穩(wěn)壓模塊設(shè)計

為了保證負(fù)載能夠穩(wěn)定正常地工作，需要輸出模塊進(jìn)行穩(wěn)壓處理，保證輸出的電壓為3.3 V。選用了LTC3388 毫微功耗升降壓芯片，具有多種輸出電壓取值，這里選擇3.3 V 輸出。輸出穩(wěn)壓電路圖如圖9 所示。

圖9 輸出穩(wěn)壓電路圖

2 實驗結(jié)果

對太陽能收集電路效率進(jìn)行測試，測試方案如圖10 所示。用直流穩(wěn)壓電源代替太陽能電池，用電位器作為負(fù)載。直流電源的電壓設(shè)為4.8 V，設(shè)定最大輸入電流在1～20 mA 之間變化，調(diào)節(jié)電位器的阻值使得輸出電壓正好略低于能量收集電路的設(shè)計輸出電壓。測量能量收集電路的輸入電流和輸入電壓，從而可以得出輸入功率Pin=Vin×Iin。測量電位器兩端的電壓，從而得出輸出功率Pout=Vout2/R。最終可以計算出在不同輸出功率下能量收集電路的效率。測試結(jié)果如圖11 所示。在輸出功率為4.8～100.0 mW 的范圍內(nèi)，太陽能收集電路的效率都可以達(dá)到88%以上。在一般光照條件下，本研究中太陽能電池的輸出功率水平都在此范圍內(nèi)，因而可以實現(xiàn)較高的收集效率。

圖10 太陽能收集電路效率測試方案

圖11 太陽能收集電路的效率

搭建模擬光源，選用飛利浦LED 投光燈QVF135，負(fù)載為溫濕度傳感節(jié)點，使用臺灣泰仕TES-1333 太陽能功率表輻照儀光強(qiáng)度檢測儀光功率計。在光照強(qiáng)度為1 000 W/m2以及溫度為25 ℃的條件下，測得光伏電池輸出電壓VF，如圖12 所示。超級電容和穩(wěn)壓輸出電壓分別為Vcap和Vout，如圖13、圖14 所示。可以看出在光照強(qiáng)度充足條件下，光伏電池輸入電壓穩(wěn)定在4.75 V 左右，也就是穩(wěn)定在最大功率點時的電壓，保證收集最大功率。超級電容可以被充至4.2 V，確保能夠?qū)⒊夒娙莩錆M。輸出穩(wěn)壓在3.3 V，滿足負(fù)載正常工作時的電壓。

圖12 光伏電池輸出電壓

圖13 超級電容兩端電壓

圖14 穩(wěn)壓輸出電壓

3 結(jié)束語

基于matlab/simulink 仿真，得出光伏電池片最大功率點電壓與開路電壓的關(guān)系，從而得出比例系數(shù)。采用開路電壓法設(shè)計了MPPT 控制電路，可以根據(jù)光照強(qiáng)弱，保證光伏電池輸出電壓穩(wěn)定在最大功率點電壓附近。通過測試，基于MPPT 控制的光伏電源系統(tǒng)收集效率在88%以上。選用毫微功耗芯片，實現(xiàn)了低功耗，進(jìn)一步提高能量收集效率。整個系統(tǒng)的尺寸為5.4 cm×3.3 cm，實現(xiàn)了能量收集設(shè)備朝著小型化方向發(fā)展。儲能模塊電路可以有效保護(hù)鋰電池過度放電，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一種簡單、高效的能量收集方法。同時，可以有效應(yīng)用在國防安全、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)4.0、智能家居等領(lǐng)域。