1 引言
隨著固態(tài)光源的發(fā)展，LED 的應(yīng)用已不再僅僅局限于指示燈領(lǐng)域，它憑借壽命長(zhǎng)，光效高等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代照明體系中日益凸現(xiàn)優(yōu)越性。伴隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，大功率高亮度LED 更以其高效、節(jié)能而進(jìn)一步引起了社會(huì)各界對(duì)該光源的廣泛關(guān)注。但目前，LED 太陽(yáng)能路燈還存在因燈驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)致LED 光衰現(xiàn)象及太陽(yáng)能利用率不高等不足。業(yè)界普遍認(rèn)為L(zhǎng)ED的恒流驅(qū)動(dòng)對(duì)抑制光衰效果顯著。
傳統(tǒng)的太陽(yáng)能路燈充電系統(tǒng)中，通常經(jīng)過(guò)防電流倒灌二極管將太陽(yáng)能板與蓄電池直接相連，這將導(dǎo)致太陽(yáng)能板的工作點(diǎn)偏移最大功率點(diǎn)（MaximPower Point,簡(jiǎn)稱MPP），而未有效利用太陽(yáng)能板的可輸出功率；同時(shí)容易使蓄電池因供能不足而長(zhǎng)期處于欠充滿狀態(tài)，造成壽命縮減。本文在研究太陽(yáng)電池電路模型的基礎(chǔ)上，分析了恒壓追蹤[1]、擾動(dòng)觀察[2,3]等最大功率追蹤（MPP Tracking,即MPPT）法，提出了一種數(shù)模混合的MPPT 策略，它可使太陽(yáng)電池的輸出穩(wěn)定在MPP 附近，從而有效利用了太陽(yáng)能板可輸出的最大功率。
2 太陽(yáng)電池的電路模型
圖1 示出太陽(yáng)電池的電路模型。通常，材料內(nèi)部的等效并聯(lián)電阻Rsh 值大，而材料內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻Rs 值很小。
圖1 太陽(yáng)電池的電路模型
圖中Is---由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的電流
輸出負(fù)載RL 上的電壓電流關(guān)系為：
式中q,k---電子電荷量及波耳茲曼常數(shù)
A---太陽(yáng)能板的理想因素，A=1~5
T---太陽(yáng)能板的溫度
Ios---太陽(yáng)能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)
由上述關(guān)于太陽(yáng)能板電路模型的分析可見(jiàn)，太陽(yáng)電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2示出太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 時(shí)的典型輸出特性。
圖2 太陽(yáng)能板的典型輸出特性曲線
太陽(yáng)能板的輸出開(kāi)路電壓uoc 和輸出短路電流isc的值由生產(chǎn)廠給出。
3 電路工作原理
目前，市場(chǎng)上絕大部分太陽(yáng)能路燈都是通過(guò)防電流倒灌二極管將蓄電池與太陽(yáng)能板直接相連以充電的。圖3 示出傳統(tǒng)的充電電路。
圖3 傳統(tǒng)的充電電路
這種做法的弊端是它將使太陽(yáng)能板的輸出電壓Uarr 被蓄電池箝位在其電動(dòng)勢(shì)12V 左右，也即其工作點(diǎn)被限制在圖2 的Q 點(diǎn)，這將使太陽(yáng)能板的輸出功率Parr 大幅度降低。
在太陽(yáng)能板與蓄電池組中加入DC/DC電路，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)Uarr,從而使其穩(wěn)定在圖2 的P 點(diǎn)，以便能有效利用太陽(yáng)能板的可輸出功率。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，太陽(yáng)電池的最佳工作電壓與其開(kāi)路電壓之間存在一個(gè)特定的比例關(guān)系，基于該思想產(chǎn)生了恒壓跟蹤MPPT策略，但在非標(biāo)準(zhǔn)條件下，其實(shí)用性較差。利用擾動(dòng)開(kāi)關(guān)管的工作占空比D,直至輸出功率Parr 達(dá)到最大的擾動(dòng)觀察法，在尋找MPP 上更具通用性。
對(duì)于Buck 電路，存在UarrD=Ubat 關(guān)系，所以：
式中Ubat ---蓄電池電壓
式（1）代入得：
由圖2 可知，在MPP 時(shí)，dParr /dUarr=0,（d2Parr /dUarr2）<0,因此可由式（3）和式（4）化簡(jiǎn)為：
因此，輸出功率和D 的關(guān)系與圖2 中的P 和U關(guān)系相似。從而可通過(guò)擾動(dòng)D,實(shí)現(xiàn)輸出功率的變化，并尋找出MPP.由于輸出電壓即蓄電池的充電電壓短期內(nèi)變化不大，在進(jìn)行D 擾動(dòng)尋找MPP 期間可近似認(rèn)為恒定，因此輸出功率的大小直接反應(yīng)在輸出電流即蓄電池的充電電流上，通過(guò)采樣該充電電流值，從而判斷出輸出功率隨D 擾動(dòng)的變化情況，以便進(jìn)行MPPT.為了提高控制精度和驅(qū)動(dòng)能力，單片機(jī)與開(kāi)關(guān)管間加入了D/A 轉(zhuǎn)換和PWM芯片，圖4 示出其主電路拓?fù)洹?/p>
4 最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）
電路尋找MPP 的工作原理可簡(jiǎn)述為：通過(guò)不斷改變開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的D,直至蓄電池的充電電流達(dá)到最大，此刻即可認(rèn)為太陽(yáng)電池的輸出功率達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)追蹤。在尋找MPP 過(guò)程中，根據(jù)D 的擾動(dòng)情況，輸出功率有3 類模式，對(duì)應(yīng)9 種大小關(guān)系。
圖5 示出輸出功率隨D 擾動(dòng)的變化情況
根據(jù)上述模式變化，擾動(dòng)開(kāi)關(guān)管的D,當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前輸出功率與D 的大小關(guān)系為模式2 時(shí)，即可認(rèn)為已搜尋到MPP,同時(shí)將以該D 進(jìn)行工作。
考慮到溫度及光照條件的改變，太陽(yáng)電池的輸出參數(shù)不斷變化，同時(shí)導(dǎo)致MPP 的漂移，單片機(jī)在經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間后，將再一次做D的擾動(dòng)，搜尋新的MPP,以保證太陽(yáng)電池的最大功率輸出，從而有效利用太陽(yáng)能。
根據(jù)上述分析，編制了相關(guān)程序。圖6 示出其設(shè)計(jì)流程。
圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖
通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在晴日里不同時(shí)刻的MPP 處，電路工作的D 均變化不大。因此，為了避免搜尋過(guò)程中造成尋找時(shí)間太久及帶來(lái)的能量浪費(fèi)，下一時(shí)刻進(jìn)行MPP 追蹤的搜尋起點(diǎn)設(shè)定為上一次MPP 時(shí)的D 值。
5 MPPT 策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果
主電路的工作頻率為100kHz,當(dāng)搜尋到輸出電流達(dá)到最大時(shí)，即認(rèn)為該點(diǎn)為電路工作的MPP,圖7 示出此刻的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ugs 實(shí)驗(yàn)波形。可見(jiàn)，此時(shí)開(kāi)關(guān)管的D≈0.65,這與理論分析結(jié)果很吻合。表1 給出由上述分析得到的傳統(tǒng)電路與MPPT 電路的對(duì)比性試驗(yàn)結(jié)果。
圖7 輸出最大功率時(shí)的ugs 波形
表1 傳統(tǒng)充電電路與MPPT 充電電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由表1 可見(jiàn)，傳統(tǒng)太陽(yáng)能充電電路中，15W的Parr 最大值出現(xiàn)在早上溫度不高、光照比較強(qiáng)的時(shí)刻，但此時(shí)的利用率僅僅約為68.4%;而采用帶有MPPT 功能的DC 變換電路后，輸出功率明顯上升。
6 結(jié)論
LED 燈的恒流驅(qū)動(dòng)，對(duì)抑止光衰現(xiàn)象起到了很有效的作用；通過(guò)數(shù)模混和的方法，避免了單純數(shù)字控制所帶來(lái)的控制精度不高等問(wèn)題，且單片機(jī)的智能控制，使得能夠較快的尋找到最大功率點(diǎn)，提高了太陽(yáng)能板的利用率及整個(gè)路燈照明系統(tǒng)的性能價(jià)格比。<