光伏發(fā)電的嵌入式系統電源設計
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3．2 最大功率跟蹤模塊
光伏發(fā)電系統中的太陽(yáng)能電池板在一定的條件下具有唯一的最大功率點(diǎn)，當太陽(yáng)能電池板工作在該點(diǎn)時(shí)能輸出當前條件下的最大功率。但由于太陽(yáng)能電池板的輸出特性受負載、光強、溫度等因素的影響，其輸出電壓和電流均在發(fā)生變化，從而使輸出功率不穩定，即最大功率點(diǎn)時(shí)刻在變化，導致光伏系統效率降低。
因此，跟蹤太陽(yáng)能電池板輸出的最大功率點(diǎn)是提高光伏系統效率的關(guān)鍵。當太陽(yáng)電池工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨太陽(yáng)電池端電壓上升而增加；工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨太陽(yáng)電池端電壓上升而減少。實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，即通過(guò)控制太陽(yáng)電池端電壓，使電池能在各種不同外部環(huán)境下智能地輸出最大功率，不斷獲得最大功率輸出。
DC-DC變換器是一種通過(guò)控制電壓將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅淖儞Q電路。對于線(xiàn)性電路來(lái)說(shuō)，當負載電阻等于電源內阻時(shí)，電源有最大功率輸出。雖然太陽(yáng)電池和DC-DC變換電路都是非線(xiàn)性的，但在極短的時(shí)間內可認為是線(xiàn)性電路。因此，只要調節DC-DC轉換電路的等效電阻使它始終等于太陽(yáng)能電池板的內阻，就可實(shí)現太陽(yáng)電池的最大功率輸出，也就實(shí)現了太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。當負載電阻等于太陽(yáng)能電池板內阻時(shí)，負載兩端的電壓恰好等于輸出電壓的一半，因此在實(shí)際應用中，通常采用調節負載兩端的電壓來(lái)實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤。光伏發(fā)電系統中將DC-DC變換器接入太陽(yáng)能電池板的輸出回路，并通過(guò)嵌入式系統中的單片機對DC-DC變換器的輸入、輸出電壓進(jìn)行采樣計算，同時(shí)產(chǎn)生控制脈沖信號調節DC-DC轉換器內部開(kāi)關(guān)管占空比來(lái)改變其負載大小，使得負載電壓為太陽(yáng)能電池板輸出電壓的1／2來(lái)實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤。由于采用升降壓式(Buck-Boost)DC-DC轉換電路，這種最大功率功率跟蹤電路又稱(chēng)為Buck-Boost電路，如圖4所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/150084.htm
為使晶體管T工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)單片機在其基極與發(fā)射極之間施加周期一定、高電平存在時(shí)間可調的驅動(dòng)控制信號。在一個(gè)周期中晶體管導通時(shí)間與周期之比稱(chēng)為占空比，當太陽(yáng)能輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，只要適當調節Buck-Boost電路的占空比就可保證太陽(yáng)能電池板輸入鉛酸電池的電壓穩定。
3．3 雙電源切換模塊
太陽(yáng)能綠色環(huán)保，取之不盡用之不竭，但卻受到環(huán)境因素的制約。長(cháng)時(shí)間的陰雨天氣，光照時(shí)間不足勢必造成鉛酸電池電能耗盡無(wú)法補充，導致光伏發(fā)電系統癱瘓，甚至會(huì )對系統硬件結構照成無(wú)法逆轉的破壞。對于安置在惡劣環(huán)境下的嵌入式系統，它的電源供給需要應對各種極端情況。雙電源切換功能的引入極大地增強了供電的穩定性。
雙電源切換電路包括充電電路和放電電路，如圖5所示。充電控制電路利用光耦控制場(chǎng)效應管的柵極電壓，當ChargeUpControl端口的控制電平為低時(shí)，光耦TLP521-1導通，柵極電平為低，MOS管IRLML6402導通；反之MOS管斷開(kāi)，從而達到控制太陽(yáng)能電池板電壓輸出的充電電壓對電池充電的效果。放電控制電路同樣利用光耦控制場(chǎng)效應管的柵極電壓，當Diseharge端口的控制電平為低時(shí)，光耦導通，柵極電平為低，MOS管導通；反之MOS管斷開(kāi)，從而達到控制電池輸出電壓的效果。
需要注意的是在放電電路中接入了一個(gè)220μF的旁路電容，在光耦未導通之前，電池通過(guò)R2電路對C1進(jìn)行充電，這個(gè)過(guò)程大概需要10 min，使得MOS管的柵極保持高電平，讓充電通路保持斷路，從而起到在封裝前保護電池和充電回路的作用；而在光耦導通時(shí)，由于柵極沿著(zhù)光耦接地低電平，使得MOS管導通，此時(shí)，充電電路正常工作，而電容C1則不發(fā)揮作用。
ChargeUpControl和Discharge控制電平均由單片機根據電池電壓檢測結果而提供。設定好一定的監測電壓值，當電池電壓下降到某個(gè)值時(shí)控制開(kāi)啟充電回路關(guān)閉放電回路，當電池電壓上升到某個(gè)值時(shí)控制開(kāi)啟放電回路關(guān)閉充電回路。當安置兩路這種充放電電路時(shí)，通過(guò)控制電平的調配，即可實(shí)現兩塊電池輪流充電供電。
雙電源切換模塊的引入極大地提高了光伏發(fā)電系統在惡劣環(huán)境下的穩定性。
結語(yǔ)
本文以光伏發(fā)電為基礎，配合集成電路搭建了一種嵌入式系統電源。在傳統光伏發(fā)電系統節能環(huán)保的基礎上加入了智能充電控制芯片、最大功率跟蹤、雙電源切換功能，最大限度地延長(cháng)了蓄電池的使用壽命，極大地提高了電源供電的效率，增強了系統的穩定性，對于工作在野外極端環(huán)境、惡劣條件下的嵌入式系統具有較高的使用和推廣價(jià)值。
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