MCU/SoC提高太陽(yáng)能板效率

今太陽(yáng)能板和風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)是可保持并且無(wú)污染，但他們的安裝成本較高，并且在大多數(shù)應(yīng)用中，他們的負(fù)載接口需要電源調(diào)節(jié)器(dc/dc 或dc/ac轉(zhuǎn)換)。光電模塊(PV模塊)還有相對(duì)較低的轉(zhuǎn)換效率。

　　使用高效率電源調(diào)節(jié)可以減少整體系統(tǒng)成本，旨在從PV模塊提取最大限度的能量(使用最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)--MPPT)。現(xiàn)有的面板系統(tǒng)也存在缺點(diǎn)，一整天只能導(dǎo)向一個(gè)方向，不能總是直接面對(duì)太陽(yáng)光。

　　在這篇文章中，我們將討論的技術(shù)是，如何在系統(tǒng)級(jí)提高太陽(yáng)能面板效率，包括太陽(yáng)能電池板最大受光定位，最大限度地從太陽(yáng)能板提取現(xiàn)有電力，以及智能電池壽命管理。

　　框圖

　　圖1.框圖

　　我們從框圖中可以看到，該系統(tǒng)的主要部件是一個(gè)MCU或一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)。系統(tǒng)的全部智能都來(lái)源于這顆芯片，它是可重構(gòu)和可升級(jí)的。在太陽(yáng)能面板中，兩個(gè)光電二極體保持與面板平面垂直，其輸出反饋到MCU(MCU)。這些二極管和直流電機(jī)確定面板方位。根據(jù)二極管輸入，MCU控制直流馬達(dá)使太陽(yáng)能電池板定位到可以收到最大光的方向。這兩個(gè)用于陽(yáng)光跟蹤的光電二極體是反向偏壓的，這意味著通過(guò)這些二極管的反向電流隨入射光而變化。在白天，反向電流在10uA和 75uA之間變化。逆向暗電流(當(dāng)沒(méi)有光線入射光電二極體)只有幾nA。

　　跨阻放大器(TIA)用于將反向電流轉(zhuǎn)換成等效電壓。放大器的增益使用反饋電阻設(shè)置。光電二極體經(jīng)常有大量輸出電容。這需要在TIA并聯(lián)反饋電容，從而保證穩(wěn)定性并提供帶寬限制減少寬帶噪聲。TIA的輸出電壓Vout，由下列公式?jīng)Q定:

　　Vout = Vref - Iin * Rfb

　　這里Rfb是電阻反饋，Iin是二極管電流，Vref是連接到運(yùn)算放大器正極的參考電壓。

　　輸出電壓是使用一個(gè)片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的。由于反向電流很小(數(shù)十uA)，ADC必須能夠分辨較小的電壓，所以需要精確的參考電壓。每一個(gè)傳感器的輸出要經(jīng)過(guò)固件IIR濾波器濾波，清除任何光強(qiáng)度的突然變化。系統(tǒng)中使用一個(gè)ADC可測(cè)量到多個(gè)電壓。兩個(gè)二極管對(duì)應(yīng)的數(shù)字化值不斷地比較。如果兩個(gè)值之間的差異在一個(gè)預(yù)定的門(mén)限內(nèi)，面板位置保持不動(dòng)。如果差超過(guò)門(mén)限，面板朝強(qiáng)度高的方向傾斜，直到差進(jìn)入門(mén)限范圍內(nèi)。這樣我們就可以定位面板朝最大光強(qiáng)度的方向。

　　直流電機(jī)使用MCU產(chǎn)生的PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。PWM占空比決定電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。保持占空比較低，這是為了有緩慢而精確的運(yùn)動(dòng)。隨著面板定位好自身方向接受最強(qiáng)光，PWM占空比逐漸降低。一個(gè)可行的案例是一個(gè)65535 step的16位PWM。采用這樣小的step，就可以從黎明到黃昏都能準(zhǔn)確地追蹤陽(yáng)光。

　　電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)電流是幾十mA。MCU的GPIO不能提供足夠的源電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。要有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)增大。驅(qū)動(dòng)有H橋結(jié)構(gòu)，其允許電機(jī)電流方向的數(shù)字控制，因此電機(jī)方向也可控制。驅(qū)動(dòng)可以提供1A的電流。還要注意，跟蹤機(jī)制是這樣的，電機(jī)是定期的(每隔幾分鐘)間歇脈沖。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平均電流相當(dāng)小。

　　有兩個(gè)開(kāi)關(guān)連接到MCU。這些開(kāi)關(guān)當(dāng)面板旋轉(zhuǎn)到極限位置(東和西)時(shí)觸發(fā)，他們決定面板的最大旋轉(zhuǎn)限度。在MCU上有一個(gè)輔助實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其保持時(shí)間跟蹤，所以一旦太陽(yáng)下山，光強(qiáng)明顯變?nèi)醯臅r(shí)候，面板重新回到初始位置，面向東方。第二天，面板接著追蹤太陽(yáng)并處理。

　　最大功率點(diǎn)跟蹤

　　圖2顯示了光電模塊的等效電路。太陽(yáng)能電池可以看作電流源，其和一個(gè)二極管并聯(lián)。在沒(méi)有光時(shí)，沒(méi)有電流產(chǎn)生，它表現(xiàn)為一個(gè)二極管。當(dāng)有光線入射到太陽(yáng)能電池時(shí)，電流產(chǎn)生。

　　正常操作下，太陽(yáng)能電池的效率會(huì)由于其內(nèi)阻損失功耗而降低。寄生電阻由并聯(lián)分流電阻 (Rsh)和串聯(lián)電阻(Rs)構(gòu)成。理想情況下，Rsh應(yīng)該是無(wú)窮大，因此不會(huì)有路徑讓電流分流，Rs應(yīng)該零，這樣不會(huì)在到達(dá)負(fù)載之前有電壓降。

　　研究發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電阻Rs的值隨溫度升高而增大。為了使用效果比較好，就需要有一個(gè)較低的串聯(lián)電阻Rs。因此，在較高的環(huán)境溫度下，面板效率會(huì)降低，如沙漠。而在寒冷的國(guó)家，串聯(lián)電阻的值比較小，效率會(huì)更高。

　　在該系統(tǒng)中，用于充電的電池是負(fù)載RL。它可能使太陽(yáng)能面板誤認(rèn)為電池有匹配的阻抗，從而給電池轉(zhuǎn)移最多電荷。這也可以能通過(guò)改變太陽(yáng)能面板的運(yùn)行點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，解釋見(jiàn)下文。

　　圖2 PV模塊等效電路

　　PV模塊的典型V-I輸出特性見(jiàn)圖3。研究表明，溫度變化是影響PV輸出電壓變化的主要因素，而輻射主要影響PV輸出電流。隨著照明增