储能设备获最大功率的改进型光伏充电系统设计

图4所示是扰动观察法的控制流程图。从图4中可以看出，如果储能设备得到的功率增加，则按原方向扰动光伏电池工作点，否则，要向相反的方向扰动。当W1-W2W0时，认为当前W1和W2的功率相当，其中W0为较小的功率阈值。通过扰动使储能设备最终获得最大功率，而此时光伏电池的输出功率可能不在最大功率点处，但是，在这种情况下，当前光伏电池的输出功率与BUCK转换器的效率乘积最大，即储能设备获得的功率最大，因此光伏功率与效率的比值最优，从而使储能设备得到的功率最大。

4 储能设备的选取与充电管理
随着锂离子化学电池在各种电子产品设计中的使用越来越普遍，锂电池充电的创新解决方案也越来越多。为了获得最大程度的系统灵活度，我们可以使用旨在提高充电速率和电池寿命的独特充电算法，利用微处理器来控制电池充电过程，此方法还能在更高电压的电池组中实施。
这里的储能设备选择锂电池，是由于其良好的充放电特性，且被广泛应用于各类电子产品。锂电池有灵活的充电方式，但是锂电池充电过程中连续最大充电电流不能超过lC(C是电池标称容量对照电流的一种表示方法)，否则会造成对锂电池的损坏。其充电截止电压为4．2 V(有的锂电为4．1 V，主要是由于电极材料的不同导致的截止电压不同)，充电状态由MSP430进行严格的控制，可保证充电安全和电池的使用寿命。由于过度充电和过度放电都会导致锂电池寿命的大大缩短，因此，对电池的实时监控也是设计中必不可少的。

5 MPPT变换器效率及硬件电路设计
实现光伏电池MPPT变换器的关键除了高效的控制程序外，还包括MPPT变换器的效率问题。而MPPT变换器的效率主要依赖于BUCK转换器的效率。假设MPPT变换器使光伏电池工作在最大功率点处，由于MPPT变换器的效率很低，此时储能设备获得的功率也并不高!因为有相当大的一部分功率浪费在了MPPT变换器及其它供电设备(比如单片机控制器等)上。

图5所示是一种常用的MPPT变换器设计方案，经笔者测试，该类设计方案主要存在以下几个问题：其一是在高速开关频率下，开关管会出现振铃效应和拖尾现象，从而使得开关管上的功耗增大，电路的效率降低；其二，此电路为非同步整流电路，在电路工作的过程中，续流二极管会消耗一定功耗，降低了电路的效率；其三，在PWM驱动方面要专门为开关管设计驱动电路，并且驱动电路要有独立的电源，由于光伏系统的电源并非稳定的电源，这样就增加了电路设计的困难及复杂度。
该类变换器的工作原理为：通过单片机输出PWM信号来控制驱动电路，并通过驱动电路控制功率管使光伏电池输出最大功率。但是，由于电路自身硬件结构的限制，其效率很难达到80％以上，而且当单片机的PWM输出占空比较低时，光伏电池的平均功率很难通过MPPT变换器向储能设备提供，这样就造成了光伏电池功率的严重浪费。当MPPT变换器的效率在80％以下时，即使光伏电池工作在最大功率点处，储能设备得到的功率也很低，因而失去了MPPT变换器的实际利用价值。
鉴于以上问题，本文提出基于TI公司生产的TPS62050芯片来实现MPPT变换器功能的方案。该芯片内部集成了开关功率管，是一款典型的BUCK转换器，且其同步降压型的控制电路异常高效，其典型效率图如图6所示。

对于所有的BUCK转换器来说，效率与输入输出电压差成反比，而且在轻负载情况下，固定频率PWM转换器的效率还将显著降低。在这种情况下，TPS62050提供了节电模式(PFM模式)以提高其效率。根据工作情况，通过单片机MSP430控制转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式，而在较重负载电流条件下，则使用PWM模式，这样可使转换器在宽泛的输出电流下保持很高的效率。

TPS62050的电路效率图如图7所示。从图7可以看出，该芯片在输出电流为200 mA时，其效率高达93％，而选用的光伏电池为开路电压10 V，短路电流190 mA。按照通常经验，光伏电池的最大功率点大约为其开路电压的85％，即8．5 V，而锂电池的充电电压为3．6—4．2 V。这样。由图7可以得出，在该BUCK转换器的输入电压为8 V，输出电压为3．6～4．2 V时，该芯片的效率在90％左右，而且该芯片的输入电压为2．7～10 V的宽电压输入，从而使得电路的应用范围更加广泛。但是在实现过程中，仍要控制BUCK转换器的占空比。本文通过MSP430F161l单片机控制数字电位器的阻值来控制TPS62050第5脚FB(反馈端)的分压，从而间接地改变BUCK转换器的占空比，实现光伏电池输出功率的改变与MPPT变换器的高效，两者的最优比可使储能设备获得最大功率。其系统控制电路如图8所示。

6 仿真实验数据分析
表1是在相同光照和温度下，光伏电池功率与MPPT变换器在不同效率下，储能设备所获得的功率数据。