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基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)

發(fā)布時間:2021-08-31 來源:Alex Jiang 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時代,更多的連接性意味著更多的戶外設(shè)備由電池供電并持續(xù)通信。而且,越來越多的戶外設(shè)備現(xiàn)在通過太陽能板來供電。在帶有太陽能板的戶外設(shè)計中,充電器需要實現(xiàn)最大功率點追蹤(MPPT)功能。本文介紹了帶鋰離子電池的太陽能板充電器設(shè)計技巧,這種充電器適用于室外太陽能監(jiān)控攝像頭或室外照明設(shè)備(見圖1)等應(yīng)用。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖1: 室外監(jiān)控攝像頭和室外照明系統(tǒng)中的太陽能板應(yīng)用
 
系統(tǒng)綜述
 
本參考設(shè)計基于MPS的MP2731 IC并配合MC96F1206控制器(低成本8051 MCU)開發(fā),適用于中小型太陽能充電解決方案。與傳統(tǒng)MPPT系統(tǒng)不同,該系統(tǒng)集成了VIN連接開關(guān)、ADC和電壓/電流采樣電路,因而顯著降低了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)設(shè)計采用擾動觀察(P&O)最大功率點追蹤算法,可以實現(xiàn)98%或更高的追蹤精度。
 
圖2顯示了該參考設(shè)計的系統(tǒng)功能框圖。其主要模塊包括MP2731 、MC96F1206 MCU、電池和系統(tǒng)負(fù)載。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖2: MPPT系統(tǒng)功能框圖
 
MP2731的功能特性包括:在9V輸入的5W系統(tǒng)中效率高達93%;MPPT精度達到98%;核心電路面積小至25mmx25mm;具有內(nèi)置強大充電保護功能(包括JEITA和可調(diào)安全定時器)的全集成電源開關(guān);具有I2C 接口,用于靈活的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)報告(請參見圖3)。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖3: MPPT控制系統(tǒng)PCB
 
系統(tǒng)設(shè)計
 
MPPT原理
 
太陽能板的輸出功率取決于幾個因素:輻照度、太陽能板的工作電壓和電流、負(fù)載。通常,系統(tǒng)都存在一個最大功率點,在這一點上太陽能板向系統(tǒng)輸出最佳功率(請參見圖4)。使用最大功率點追蹤技術(shù)(例如P&O或增量電導(dǎo)法)可在變化的輻照條件下主動保持太陽能板在MPPT模式下運行。
 
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖4: 太陽能板的P-V 和I-V曲線
 
在基于功率的P&O MPPT算法中,PV面板的功率-電壓導(dǎo)數(shù)(dP / dV)被用作追蹤參數(shù)。通過公式(1)可以計算何時達到最大功率點:
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
 
硬件實現(xiàn)
 
DC / DC變換器通常被用來確保系統(tǒng)內(nèi)部的MPP優(yōu)化。高度集成的開關(guān)充電器(在此參考設(shè)計中為MPS的MP2731)連接在PV面板和電池負(fù)載之間。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖5: MP2731功能模塊
 
當(dāng)面板處于低輻照度時,反向阻斷FET Q1用于阻斷從電池負(fù)載到PV面板的路徑。IC的輸入電壓/電流和輸出電壓/電流通過一個8位ADC采樣。IC支持I2C通信,能夠?qū)?shù)字化的電流和電壓信息輕松傳遞給外部MCU。
 
軟件實現(xiàn)
 
P&O MPPT算法通過ABOV半導(dǎo)體公司的20引腳8位MC96F1206 MCU實現(xiàn)。需激活MCU的I2C外設(shè),以實現(xiàn)與MP2731之間的通信。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖6: 系統(tǒng)級軟件流程圖
 
注意:在更新 IOFFSET, 之前,請關(guān)閉連接在MP2731 SYS引腳上的其他設(shè)備,以確保IOFFSET的正確校準(zhǔn)。 圖6顯示了系統(tǒng)級軟件流程圖。當(dāng)VIN降至欠壓保護閾值之下時,MCU進入睡眠模式;當(dāng)VIN恢復(fù)時,將發(fā)送中斷(INT)信號以喚醒MCU。然后,MCU讀取MP2731
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
表1: 操作寄存器
 
將輸入電流限制設(shè)置為最大值,面板電壓將僅由輸入電壓限制環(huán)路控制。調(diào)整輸入電壓限制環(huán)路參考電壓,就可以調(diào)整PV面板電壓。MP2731初始化完成后,會讀取ADC初始值,然后啟用充電功能。
 
檢查VIN_STAT是否等于1。如果不等于1,則將VIN_REG增加一個單位,然后返回到VIN_STAT的先前值。如果VIN_REG達到最大限制,VIN_STAT仍不等于1,則充電電流逐漸減小,并返回到VIN_STAT設(shè)置的先前值。
 
當(dāng)VIN_REG設(shè)置達到限值時,ICC設(shè)置為最小值。如果VIN_STAT仍不等于1,則MCU進入睡眠模式,MP2731的充電功能被禁用,直到INT中斷功能將MCU喚醒為止。
 
部分遮蔽時追蹤本地MPP
 
如果PV面板被部分遮蔽,而且可以使用常規(guī)P&O MPPT算法追蹤本地MPP,則每次輸入電壓標(biāo)志發(fā)生變化時,MCU都會啟動一次掃描。MCU在面板開路電壓(VOC)的50%到80%之間,以100mV的步長調(diào)節(jié)MP2731的輸入穩(wěn)壓參考電壓,以找到最佳功率點。
 
初始掃描之后,PV面板被設(shè)置為在最大功率點運行。為了在變化的負(fù)載和輻照條件下繼續(xù)追蹤最佳功率點,P&O算法每256ms在MCU上運行一次(請參見圖7)。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖7: P&O MPPT算法
 
實驗結(jié)果
 
圖8顯示了具有(8V,500mA)MPP的PV面板的MPPT過程。t0之前為空載,PV面板在開路電壓下輸出12V。MP2731 IC和MCU上電之后,PV面板將以MCU預(yù)設(shè)的6V輸入電壓運行。從t0到t2,MCU掃描最大功率點。
 
在t1處找到最大功率點,但掃描算法繼續(xù)掃描輸入電壓,直到功率降至t2處記錄的峰值功率的85%。 t2之后,MCU將面板電壓設(shè)置為掃描出的峰值電源電壓,然后激活實時P&O算法。
 
圖9顯示了鋰離子電池的完整充電行為。從t0到t1,系統(tǒng)加電并掃描MPP。從t1到t2,隨著電池充電電流從恒定電流變?yōu)檩^低值,電池經(jīng)歷了恒流(CC)和恒壓(CV)階段。當(dāng)電池接近滿電時,PV面板的電壓將再次開始上升到面板的開路電壓。存在輕載條件是因為充滿電后電池消耗的負(fù)載電流較低。 
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖8:PV面板從上電到穩(wěn)態(tài)的MPPT過程
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖9: 充電周期內(nèi)的MPPT行為
 
基于MP2731的MPPT系統(tǒng)具有低電阻和集成MOSFET,可在各種條件下實現(xiàn)高效率(見圖10)。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
圖10: PV面板效率數(shù)據(jù)(5V, 9V, 12V)
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
(PV面板電壓約為5V) 
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
(PV面板電壓約為8V)
圖11: 部分遮蔽時的追蹤性能
 
圖11顯示了部分遮蔽時PV面板的追蹤性能。當(dāng)t0發(fā)生部分遮蔽時,PV面板的電壓和電流會降低。在t1部分遮蔽消失,MPPT會將PV面板電壓調(diào)整回MPP級別。
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
(PV面板電壓約為5V)
 
基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統(tǒng)
(PV面板電壓約為8V)
圖12: 自然光環(huán)境下的追蹤性能
 
圖12顯示了室外自然光下PV面板的追蹤性能。太陽輻照度的上下波動會影響PV面板的輸出電流。但是,MPP面板電壓通常不受輻照度(在此示例中約為8V)的影響。圖12顯示出有效的MPPT算法能夠在不斷變化的輻照條件下將MPP保持在8V。
 
結(jié)論
 
通過消除BOM中的分立式電壓和電流采樣電路,MP2731鋰離子電池充電器IC有效降低了室外物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本。其高度集成的低導(dǎo)通電阻可以實現(xiàn)具有緊湊PCB面積的高效系統(tǒng)。未來的產(chǎn)品開發(fā)計劃將需要適應(yīng)更高功率、更高電壓的應(yīng)用,需要進一步降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗并為多面板系統(tǒng)開發(fā)解決方案。
 
來源:MPS
 
 
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