用电子技术最大化太阳能电池板输出功率

太阳能离普通消费者的距离越来越近了，除了太阳能热水器，现在太阳能景观灯、太阳能屋顶、太阳能手机、太阳能路灯等应用也一个个走进我们的视野。但因太阳能电池低转换能效引起的高成本问题仍困扰著这一产业的发展。那么，除了材料技术以外，还有什么技术可用来提高太阳能电池板的转换能效呢？答案是有的。本文就将告诉你如何用充电稳压器来实现这一目标。
最初，TI 的线性充电稳压器bqTINY-III 系列只是设计用于通过一个 AC 适配器或 USB 端口为单体锂离子电池充电，然而，这些 IC 也非常适用于由太阳能板供电的应用。
太阳能电池通常是由 p-n 结组成的，p-n 结中入射光线能量（光子）通过导致电子和空穴的重新组合来产生电流。由于 p-n 结的特性类似于二极管的特性，因此我们通常以如图 1 中所示的电路作为太阳能电池特性的一个简化模型。

图1：太阳能电池简化电路模型

电流源 IPH 会产生一个和太阳能电池上的光量度成正比的电流。在没有负载连接的情况下，几乎所有产生的电流均流经二极管D1，其正向电压决定了太阳能电池的开路电压(VOC)。该电压会因不同类型太阳能电池的特性不同而有所差异，但是，对于大多数硅电池而言，这一电压都在 0.5V～0.6V 之间（这也是p-n 结二极管的标准正向电压）。在实际太阳能电池应用中，并联电阻 RP 的漏电流很小。随着负载电流的增加，IPH产生的大部分电流从二极管中流出来并进入负载。
对于大多数负载电流而言，这个过程对于输出电压仅有很小的影响。由于二极管的I-V 特性会有轻微的变化，并且由于串联电阻 RS 的原因（其具有连接损耗）电压会稍有下降，但输出电压却保持大体恒定。然而，有时流经 D1的电流太小，从而导致二极管偏置不够，并且二极管两端的电压会随着负载电流的增加而急剧下降。最后，如果所有产生的电流均只流经负载（而不流经二极管），则输出电压就会变为零。这个电流被称为太阳能电池的短路电流 (ISC)。ISC 和 VOC 都是定义太阳能电池工作性能的主要参数之一（请参见图2）。

图2：典型的太阳能电池I-V 特性

在大多数应用中，人们都期望太阳能电池能提供尽可能多的电能。由于输出功率是输出电压和电流的乘积，因此就必须确定电池工作区域中的哪一部分所产生的 VI 值最大。这一点被称为最大功率点 (MPP)。当输出电压为其最大数值 (VOC)时，输出电流为零，这是一个极端情况；而当输出电流达到最大值 (ISC),但输出电压为零时，则是另一种极端情况。在这两种情况下 VI的乘积均为零，因此，这两种极端情况肯定都不是 MMP 点。我们可以很容易证明（或通过实验进行观察），在任何应用中，MPP一般会出现在太阳能电池输出特性（请参见图 3）下半部分的某个位置。但问题是太阳能电池 MPP的确切位置会因入射光线和环境温度不同而变化。所以，设计旨在动态地调节太阳能电池的输出电流，以达到太阳能电量生成系统的最大化，以便在实际应用中其能够在 MPP 点或者其临近点工作。

图3：太阳能电池输出特性。

实现这一方案（最大功率点跟踪器）的方法有很多，但都非常复杂，尤其是在卫星等任务关键型系统中。然而，在很多小型应用中，并不需要极其精确的 MPP 跟踪方案，只需要一个能利用率约 90%-95% 可用电能的简单低成本解决方案即可。TI 线性充电控制器 bqTINY-III 系列的动态电源路径管理 (DPPM) 功能就可用于诸如简化 MPP 跟踪器的实现。
DPPM功能的主要原理如图 4 所示。暂时忽略 USB 输入，电路的工作原理如下：Q1 对 OUT 引脚的电压进行调节，Q2 根据一个典型的CC-CV 锂离子充电曲线对充电电流进行调节。如果连接至 AC 引脚的电源电流不足而无法为系统供电并为电池充电，则 VOUT 开始下降。如果VOUT 达到了预定义的阈值 VDPPM，bqTINY-III 则会自动将充电电流降至一个可保持 VDPPM 时 VOUT 的水平。

图4：bqTINY-III 线性充电器的 DPPM 工作原理。

该特性可用于图 5 所示的应用。其中，一个太阳能板被用于为一个单体锂离子电池再充电。该太阳能板由若干电池串组成，每个电池串包括 11 个串联硅电池。它的作用类似于电流限制电压源，其中电流限制是由太阳能板的大小以及照射在上面的光量来确定的。

图5：使用太阳能板对电池进行充电。

从该太阳能板上获得的最大输出电压 (VOC) 通常介于 5.5V～6V 之间。因为该电压低于 bq24030 预定义的 6V 输出调节电压，Q1 被完全开启 (turned hard-on)。RSET 定义了一个 1A 的最大充电电流。
如果其超过了太阳能电池的输出电流（取决于光线强弱），太阳能板的输出电压就会下降，从而降低了 bq24030 OUT 引脚的电压。RDPPM 对bq24030 进行了编程以自动将 ICHG 降至一个容许 VOUT 保持在最小 4.5V 的电平。之所以采用 VDPPM这个值，是因为它非常符合太阳能板的最大功率点 (MPP)。假设 Q1 两端的电压降为 300mV，那么每个电池的电压就将会变为436mV，这样就会最大化太阳能板的功率输出。
如果 VOUT 高于 4.5V，则 DPPM就会不起作用，太阳能板的工作状态就会偏离MPP。但是，只有所需的电能少于太阳能板所能提供的电能时，才会发生这样的情况，此时效率的降低不会有太大的影响。如图 3 所示，随着输出功率逼近MPP，输出功率曲线变得十分平稳，然后突然急剧下降。因此，把 VDPPM设置得稍高些比设置得稍低些要好。这样就可以将不恰当的工作点对输出功率的影响最小化。
如果太阳能板提供的电能不足以为系统供电，甚至当电池充电电流已经被降低至零的时候，Q2 就会被开启，VOUT 将下降到恰好低于电池电压 VBAT，而电池则能提供任何太阳能板所不能提供的电流。
bqTINY-III还允许通过USB端口对电池进行充电。在这种情况下，Q3就会被用来调节输入电流，以确保USB 规范可根据 IC 的 ISET2引脚状态满足100mA或500mA的要求。如果系统和充电电流的总和超过了所选USB的电流极限，则VOUT 就会下降且DPPM功能会降低充电电流，或像从前那样还原为电池补充模式。
bqTINY-III系列器件的另一个非常有用的特性就是如果充电器正处于 DPPM状态，则其内部安全定时器就会自动延长时间。因此在低光照或电流限制的条件下，当电池充电速度较慢时，在出现错误条件之前对电池进行再充电所允许的时长得到了适当的延长，从而避免了过早的充电终止。