MCU/SoC提高太阳能板效率

今太阳能板和风力发电的优势是可保持并且无污染，但他们的安装成本较高，并且在大多数应用中，他们的负载接口需要电源调节器(dc/dc 或dc/ac转换)。光电模块(PV模块)还有相对较低的转换效率。

　　使用高效率电源调节可以减少整体系统成本，旨在从PV模块提取最大限度的能量(使用最大功率点追踪技术--MPPT)。现有的面板系统也存在缺点，一整天只能导向一个方向，不能总是直接面对太阳光。

　　在这篇文章中，我们将讨论的技术是，如何在系统级提高太阳能面板效率，包括太阳能电池板最大受光定位，最大限度地从太阳能板提取现有电力，以及智能电池寿命管理。

　　框图

　　图1.框图

　　我们从框图中可以看到，该系统的主要部件是一个MCU或一个片上系统(SoC)。系统的全部智能都来源于这颗芯片，它是可重构和可升级的。在太阳能面板中，两个光电二极体保持与面板平面垂直，其输出反馈到MCU(MCU)。这些二极管和直流电机确定面板方位。根据二极管输入，MCU控制直流马达使太阳能电池板定位到可以收到最大光的方向。这两个用于阳光跟踪的光电二极体是反向偏压的，这意味着通过这些二极管的反向电流随入射光而变化。在白天，反向电流在10uA和 75uA之间变化。逆向暗电流(当没有光线入射光电二极体)只有几nA。

　　跨阻放大器(TIA)用于将反向电流转换成等效电压。放大器的增益使用反馈电阻设置。光电二极体经常有大量输出电容。这需要在TIA并联反馈电容，从而保证稳定性并提供带宽限制减少宽带噪声。TIA的输出电压Vout，由下列公式决定:

　　Vout = Vref - Iin * Rfb

　　这里Rfb是电阻反馈，Iin是二极管电流，Vref是连接到运算放大器正极的参考电压。

　　输出电压是使用一个片上模数转换器数字化的。由于反向电流很小(数十uA)，ADC必须能够分辨较小的电压，所以需要精确的参考电压。每一个传感器的输出要经过固件IIR滤波器滤波，清除任何光强度的突然变化。系统中使用一个ADC可测量到多个电压。两个二极管对应的数字化值不断地比较。如果两个值之间的差异在一个预定的门限内，面板位置保持不动。如果差超过门限，面板朝强度高的方向倾斜，直到差进入门限范围内。这样我们就可以定位面板朝最大光强度的方向。

　　直流电机使用MCU产生的PWM信号来驱动。PWM占空比决定电机旋转速度。保持占空比较低，这是为了有缓慢而精确的运动。随着面板定位好自身方向接受最强光，PWM占空比逐渐降低。一个可行的案例是一个65535 step的16位PWM。采用这样小的step，就可以从黎明到黄昏都能准确地追踪阳光。

　　电机运动时电流是几十mA。MCU的GPIO不能提供足够的源电流来驱动电机。要有一个电机驱动芯片来增大。驱动有H桥结构，其允许电机电流方向的数字控制，因此电机方向也可控制。驱动可以提供1A的电流。还要注意，跟踪机制是这样的，电机是定期的(每隔几分钟)间歇脉冲。因此，驱动电机的平均电流相当小。

　　有两个开关连接到MCU。这些开关当面板旋转到极限位置(东和西)时触发，他们决定面板的最大旋转限度。在MCU上有一个辅助实时时钟，其保持时间跟踪，所以一旦太阳下山，光强明显变弱的时候，面板重新回到初始位置，面向东方。第二天，面板接着追踪太阳并处理。

　　最大功率点跟踪

　　图2显示了光电模块的等效电路。太阳能电池可以看作电流源，其和一个二极管并联。在没有光时，没有电流产生，它表现为一个二极管。当有光线入射到太阳能电池时，电流产生。

　　正常操作下，太阳能电池的效率会由于其内阻损失功耗而降低。寄生电阻由并联分流电阻 (Rsh)和串联电阻(Rs)构成。理想情况下，Rsh应该是无穷大，因此不会有路径让电流分流，Rs应该零，这样不会在到达负载之前有电压降。

　　研究发现，串联电阻Rs的值随温度升高而增大。为了使用效果比较好，就需要有一个较低的串联电阻Rs。因此，在较高的环境温度下，面板效率会降低，如沙漠。而在寒冷的国家，串联电阻的值比较小，效率会更高。

　　在该系统中，用于充电的电池是负载RL。它可能使太阳能面板误认为电池有匹配的阻抗，从而给电池转移最多电荷。这也可以能通过改变太阳能面板的运行点实现，解释见下文。

　　图2 PV模块等效电路

　　PV模块的典型V-I输出特性见图3。研究表明，温度变化是影响PV输出电压变化的主要因素，而辐射主要影响PV输出电流。随着照明增 加，电流增大，此特征更明显。负载线和PV模块V-I曲线(指定温度和辐照下)的交汇点决定运行点。产生的最大功率基于不同大气条件下负载线的调整。

　　图3.太阳能电池的V-I特点

图4说明了太阳能电池功率和电压的对比图。可以看出，对于短路电流(Isc，功率图最左面点)，和开路电