儲能設備獲最大功率的改進型光伏充電系統(tǒng)設計

圖4所示是擾動觀察法的控制流程圖。從圖4中可以看出，如果儲能設備得到的功率增加，則按原方向擾動光伏電池工作點，否則，要向相反的方向擾動。當W1-W2W0時，認為當前W1和W2的功率相當，其中W0為較小的功率閾值。通過擾動使儲能設備最終獲得最大功率，而此時光伏電池的輸出功率可能不在最大功率點處，但是，在這種情況下，當前光伏電池的輸出功率與BUCK轉換器的效率乘積最大，即儲能設備獲得的功率最大，因此光伏功率與效率的比值最優(yōu)，從而使儲能設備得到的功率最大。

4 儲能設備的選取與充電管理
隨著鋰離子化學電池在各種電子產品設計中的使用越來越普遍，鋰電池充電的創(chuàng)新解決方案也越來越多。為了獲得最大程度的系統(tǒng)靈活度，我們可以使用旨在提高充電速率和電池壽命的獨特充電算法，利用微處理器來控制電池充電過程，此方法還能在更高電壓的電池組中實施。
這里的儲能設備選擇鋰電池，是由于其良好的充放電特性，且被廣泛應用于各類電子產品。鋰電池有靈活的充電方式，但是鋰電池充電過程中連續(xù)最大充電電流不能超過lC(C是電池標稱容量對照電流的一種表示方法)，否則會造成對鋰電池的損壞。其充電截止電壓為4．2 V(有的鋰電為4．1 V，主要是由于電極材料的不同導致的截止電壓不同)，充電狀態(tài)由MSP430進行嚴格的控制，可保證充電安全和電池的使用壽命。由于過度充電和過度放電都會導致鋰電池壽命的大大縮短，因此，對電池的實時監(jiān)控也是設計中必不可少的。

5 MPPT變換器效率及硬件電路設計
實現光伏電池MPPT變換器的關鍵除了高效的控制程序外，還包括MPPT變換器的效率問題。而MPPT變換器的效率主要依賴于BUCK轉換器的效率。假設MPPT變換器使光伏電池工作在最大功率點處，由于MPPT變換器的效率很低，此時儲能設備獲得的功率也并不高!因為有相當大的一部分功率浪費在了MPPT變換器及其它供電設備(比如單片機控制器等)上。

圖5所示是一種常用的MPPT變換器設計方案，經筆者測試，該類設計方案主要存在以下幾個問題：其一是在高速開關頻率下，開關管會出現振鈴效應和拖尾現象，從而使得開關管上的功耗增大，電路的效率降低；其二，此電路為非同步整流電路，在電路工作的過程中，續(xù)流二極管會消耗一定功耗，降低了電路的效率；其三，在PWM驅動方面要專門為開關管設計驅動電路，并且驅動電路要有獨立的電源，由于光伏系統(tǒng)的電源并非穩(wěn)定的電源，這樣就增加了電路設計的困難及復雜度。
該類變換器的工作原理為：通過單片機輸出PWM信號來控制驅動電路，并通過驅動電路控制功率管使光伏電池輸出最大功率。但是，由于電路自身硬件結構的限制，其效率很難達到80％以上，而且當單片機的PWM輸出占空比較低時，光伏電池的平均功率很難通過MPPT變換器向儲能設備提供，這樣就造成了光伏電池功率的嚴重浪費。當MPPT變換器的效率在80％以下時，即使光伏電池工作在最大功率點處，儲能設備得到的功率也很低，因而失去了MPPT變換器的實際利用價值。
鑒于以上問題，本文提出基于TI公司生產的TPS62050芯片來實現MPPT變換器功能的方案。該芯片內部集成了開關功率管，是一款典型的BUCK轉換器，且其同步降壓型的控制電路異常高效，其典型效率圖如圖6所示。

對于所有的BUCK轉換器來說，效率與輸入輸出電壓差成反比，而且在輕負載情況下，固定頻率PWM轉換器的效率還將顯著降低。在這種情況下，TPS62050提供了節(jié)電模式(PFM模式)以提高其效率。根據工作情況，通過單片機MSP430控制轉換器在輕負載電流條件下使用PFM模式，而在較重負載電流條件下，則使用PWM模式，這樣可使轉換器在寬泛的輸出電流下保持很高的效率。