從單節(jié)光伏電池收集能量

為了簡化儀器、監(jiān)視和控制應(yīng)用的無線通信所需的配電系統(tǒng)，電源設(shè)計師努力尋找不依賴電網(wǎng)的器件。電池顯然是立即能想到的解決方案，讓人們產(chǎn)生了能不依賴電網(wǎng)的幻想，但是電池需要更換或再充電，這意味著最終還是要連接到電網(wǎng)上，而且需要昂貴的人工干預(yù)和維護。我們提出用能量收集的方法，使用這種方法時，能量是從緊挨著儀器的環(huán)境中收集的，無需連接到電網(wǎng)就可以使儀器永久運行，而且最大限度地減少或消除了維護需求。

可以收集各種環(huán)境能源以產(chǎn)生電能，包括機械振動、溫度差和入射光。為了解決收集環(huán)境中的少量能源時所遇到的問題，凌力爾特提供了一些電源管理解決方案，包括針對振動能源的 LTC®3588、針對熱能的 LTC3108 / LTC3109 以及針對光伏能量收集應(yīng)用的 LTC3105。光伏能量收集有廣泛的適用范圍，因為光幾乎到處都有，光伏 (PV) 電池價格相對較低，而且與其他環(huán)境能量收集解決方案相比，能產(chǎn)生相對較高的功率。因為光伏能量收集方法提供相對較高的能量輸出，所以可用來給無線傳感器節(jié)點供電，還可用來給較高功率的電池充電應(yīng)用供電，以延長電池壽命，從而在某些情況下完全無需有線充電。

串聯(lián)連接的高壓光伏電池組能提供充足的功率，但單節(jié)光伏電池解決方案卻很少見，因為單節(jié)光伏電池在有負(fù)載情況下產(chǎn)生的電壓很低，從這么低的電壓難以產(chǎn)生有用的電源軌。幾乎沒有升壓型轉(zhuǎn)換器能從電壓很低、阻抗相對較高的單節(jié)光伏電池產(chǎn)生輸出。不過，LTC3105 是專門為應(yīng)對這類挑戰(zhàn)而設(shè)計。該器件具有超低的 250mV 啟動電壓和可編程最大功率點控制，能從富有挑戰(zhàn)性的光伏電源產(chǎn)生大多數(shù)應(yīng)用所需的典型電壓軌 (1.8V 至 5V)。

了解光伏電池電源
可以用一個電流源與一個二極管并聯(lián)來建立光伏電源的電模型，如圖 1 所示。更復(fù)雜的模型可顯示一些次要影響，但是就我們的目的而言，這個模型足夠充分了。

圖 1：簡單的光伏電池模型

反映光伏電池特性的兩個常見參數(shù)是開路電壓和短路電流。光伏電池的典型電流和電壓曲線如圖 2 所示。請注意，短路電流是該模型電流發(fā)生器的輸出，而開路電壓是該模型二極管的正向電壓。隨著光照射量的增加，該發(fā)生器產(chǎn)生的電流也增加，同時 IV 曲線向上移動。

圖 2：典型的光伏電池 I - V 曲線

為了從光伏電池抽取最大功率，電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須與電池的輸出阻抗匹配，從而使系統(tǒng)能在最大功率點上工作。圖 3 顯示了一個典型的單節(jié)光伏電池的功率曲線。為了確保抽取最大功率，光伏電池的輸出電壓應(yīng)該與功率曲線的峰值點相對應(yīng)。LTC3105 調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的輸出電流，以保持光伏電池的電壓等于最大功率點控制引腳設(shè)定的電壓。因此可用單個電阻器設(shè)定最大功率點，并確保從光伏電池抽取最大功率和峰值輸出充電電流。

圖 3：典型光伏電池的功率曲線

可提供多少功率?
用光伏電池可產(chǎn)生多少功率取決于多種因素。電池的輸出功率與投射到電池上的光強度、電池的總面積以及電池的效率成正比。大多數(shù)光伏電池都規(guī)定在完全直射的太陽光 (1000W/m2) 下使用，但是在大多數(shù)應(yīng)用中，不可能有這么理想的條件。就依靠太陽光工作的設(shè)備來說，可從電池獲得的峰值功率可能非常容易變化，由于天氣、季節(jié)、煙霧、灰塵和太陽光入射角的變化，今天與明天相比有可能相差 10 倍。在充足的太陽光照下，晶體電池視電池特性的不同而有所不同，典型輸出功率約為每平方英寸 40mW。面積為幾平方英寸的光伏電池足夠給多個遠(yuǎn)程傳感器供電以及給電池涓流充電了。

相比之下，靠室內(nèi)照明光工作的設(shè)備可用能量要少得多。常見的室內(nèi)照明光的強度約為充足太陽光的 0.25% (室內(nèi)照明光強度與太陽光強度的巨大差別難以察覺，因為人眼能適應(yīng)很寬的光照強度范圍)。室內(nèi)應(yīng)用可用的光照量低得多，因此呈現(xiàn)了一些設(shè)計上的挑戰(zhàn)。即使面積為 4 平方英寸的大型高效率晶體電池，在典型辦公室照明條件下，也僅能產(chǎn)生 860uW 功率。

選擇最大功率點控制電壓
圖 4 顯示了 LTC3105 使用的最大功率點控制機制的模型。圖 3 顯示了光伏電池的功率曲線。請注意，當(dāng)電池電壓上升而離開峰值功率點時，光伏電池的功率就會從峰值點急劇下降。因此，一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制電壓，因為功率曲線在高壓端下降得更快。

圖 4：最大功率點控制機制

當(dāng)選擇 MPPC 跟蹤電壓時，各種不同的工作條件都必須考慮。一般情況下，最大功率點不會隨著照明條件的變化而顯著移動。因此，有可能做到的是，選擇一個跟蹤電壓，以在很寬的照明強度范圍內(nèi)，保持靠近最大功率點工作。即使在極端照明情況下，工作點可能不是準(zhǔn)確地位于最大功率點上，輸出功率相比理性情況的降低通常也僅為 5% 至 10%。

就圖 5 所示功率曲線而言，0.4V 的 MPPC 電壓在兩種極端照明條件下都產(chǎn)生接近最大功率點的性能。在這兩種情況下，與最大功率點之間的電壓差約為 20mV，從而產(chǎn)生了不到 3% 的功率損失。

圖 5：當(dāng)選擇最大功率點電壓時，選擇較低的電壓以避免電壓陡降

作為一個經(jīng)驗法則，最大功率點控制電壓應(yīng)該約為光伏電池開路電壓的 75% 至 80%。讓電池跟蹤這樣的電壓，所產(chǎn)生的電池輸出電流為短路電流的 75% 至 80%。

在室外照明情況下給鋰離子電池充電
使用光伏電源的應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一是，在黑暗和光照量較低的情況下，輸入功率不足。就大多數(shù)應(yīng)用而言，這種挑戰(zhàn)使得有必要使用能量存儲組件，例如足夠大的超級電容器或可再充電電池，以在最長預(yù)期黑暗時間內(nèi)也能正常供電。

利用圖 6 所示的 LTC3105 電路和一個 2 英寸x 1 英寸的多晶光伏電池給鋰離子電池充電，所測得的充電電流曲線如圖 7 所示。圖 7 中上面的曲線顯示，在天氣晴朗、陽光充足的典型情況下的充電電流；下面的曲線則顯示，在陰云密布時觀察到的充電電流。即使在這類光照量很低的情況下，在整個白天也能保持 250uA 或更大一些的充電電流，這相當(dāng)于給電池提供了總共 6mAh 的充電。

圖 6：鋰離子電池充電電路

圖 7：兩平方英寸光伏電池的充電曲線

選擇合適的能量存儲器件
就儲存收集的能量而言，有很多可選方案，包括種類繁多的可再充電電池技術(shù)和高能量密度電容器。沒有一種技術(shù)能適用于所有應(yīng)用。為應(yīng)用選擇存儲組件時，要考慮很多因素，包括自放電速率、最大充電和放電電流、電壓靈敏度和周期壽命。

在光伏應(yīng)用中，自放電速率尤其重要。在大多數(shù)光伏電源應(yīng)用中，可用充電電流都很有限，高的自放電速率可能消耗大部分來自光伏電源的可用能量。有些能量存儲組件 (例如大型超級電容器) 自放電電流也許超過 100uA，這又可能顯著減少白天充電周期積累的凈電荷。

另一個關(guān)鍵考慮因素是能量存儲器件的充電速率。例如，最大充電電流為 300uA 的鋰離子幣形電池需要在電池和 LTC3105 輸出之間有一個大的電阻器，以防止過流情況。這可能限制能收集的能量，從而減少可用于應(yīng)用的能量。

在很多情況下，充電速率與另一個重要因素 “周期壽命” 成正比。存儲組件的周期壽命決定該組件不用維護可以在現(xiàn)場工作多長時間。一般而言，更快的充電和放電會縮短組件的工作壽命。超級電容器擁有非常長的周期壽命，而用相對較高的電流 (電荷 >1C) 給電池充電會縮短壽命。除了充電和放電速率，每個充電 / 放電周期的深度也可能影響電池壽命，周期越深，壽命越短。

某些類型的電池，尤其是鋰離子電池和薄膜電池，最高和最低電壓都必須仔細(xì)控制。在 LTC3105 應(yīng)用中，最高充電電壓得到了良好控制，因為當(dāng)輸出進入穩(wěn)定狀態(tài)后，轉(zhuǎn)換器終止充電。為了防止過充電，LTC3105 可與 LTC4071 并聯(lián)電池充電器一起使用，如圖 8 所示。

圖 8：用單節(jié)光伏電池工作的鋰離子涓流充電器

圖 9：單節(jié)光伏電池鎳氫金屬電池涓流充電器

圖 10：單節(jié)電池供電的遠(yuǎn)程無線傳感器

結(jié)論
LTC3105 是一款完整的單芯片解決方案，適用于從低成本、單節(jié)光伏電池收集能量。其集成的最大功率點控制和低壓啟動功能允許直接用單節(jié)光伏電池工作，并確保最佳能量抽取。LTC3105 可用來直接給電路供電，或給能量存儲器件充電，以允許在黑暗或光照很少時工作。LTC3105 使其有可能實現(xiàn)自主遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、以及其他要求不依賴電網(wǎng)和最低限度維護的應(yīng)用。