背景介紹

隨著社會(huì)的發(fā)展，可再生能源的應(yīng)用越來(lái)越受青睞。其中太陽(yáng)能作為一種清潔、安全、綠色的可再生能源，被認(rèn)為是世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。傳統(tǒng)的路燈采用高壓市電供電，必須鋪設(shè)大量的電纜，并挖掘大量的電纜溝。這勢(shì)必增加整個(gè)系統(tǒng)的安裝成本與維護(hù)成本。而太陽(yáng)能路燈不用鋪設(shè)復(fù)雜的線路，只需要一個(gè)安裝基座即可，節(jié)省了安裝成本，并且太陽(yáng)能路燈以免費(fèi)的太陽(yáng)能作為能源，綠色環(huán)保，無(wú)需支付電費(fèi)。因此太陽(yáng)能路燈在城市道路、工業(yè)園區(qū)、綠化帶、廣場(chǎng)等場(chǎng)所的照明中將帶來(lái)明顯的可利用優(yōu)勢(shì)。

由于太陽(yáng)能光伏(Photovoltaic，簡(jiǎn)稱PV)面板轉(zhuǎn)換效率較低，一般為18%左右，因此太陽(yáng)能是一種寶貴的資源。為了充分利用太陽(yáng)能，需要使用一種高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能控制器來(lái)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行跟蹤，以最大限度地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。利用控制方法實(shí)現(xiàn)光伏面板的最大功率輸出運(yùn)行的技術(shù)被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)。目前使用的太陽(yáng)能路燈控制器大多采用串聯(lián)式PWM脈寬調(diào)制方式，對(duì)太陽(yáng)能的利用率為60%左右，大大浪費(fèi)了寶貴的太陽(yáng)能。而采用MPPT技術(shù)能夠顯著提高太陽(yáng)能的利用率，因此采用MPPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能路燈控制器具有廣泛的市場(chǎng)前景。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MPT612是NXP推出的首個(gè)針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的應(yīng)用提供最大功率點(diǎn)跟蹤的低功耗集成電路。基于MPT612的太陽(yáng)能路燈控制器轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%以上，大幅度提高了太陽(yáng)能的利用率。它具有光伏應(yīng)用中PV面板所需的硬件功能，包括電壓和電流測(cè)量與面板參數(shù)配置，這大大簡(jiǎn)化了軟硬件設(shè)計(jì)和提高了開(kāi)發(fā)速度。

太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如（圖1）所示。從圖中可以看出，路燈控制器是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。控制器的優(yōu)劣決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

基于MPT612的太陽(yáng)能路燈控制器系統(tǒng)框圖如（圖2）所示。控制器采用Buck與Buck-Boost兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)輸入輸出電壓的關(guān)系以及效率來(lái)確定。當(dāng)PV板的電壓大于電池電壓時(shí)，采用高效率的Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%；當(dāng)PV板的電壓小于電池電壓時(shí)，采用能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓的Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但此時(shí)電路的效率會(huì)稍微下降，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%。MPT612通過(guò)控制PWM開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)PV輸入電壓的擾動(dòng)，然后檢測(cè)PV的電壓與電流來(lái)確定下一步擾動(dòng)方向，從而使PV電壓保持在最大功率點(diǎn)附近，實(shí)現(xiàn)有效的最大功率點(diǎn)跟蹤。在實(shí)現(xiàn)MPPT的同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電池的電壓與電流實(shí)現(xiàn)科學(xué)的電池充電管理。另外，它還可以通過(guò)負(fù)載控制電路對(duì)負(fù)載進(jìn)行有效管理。

MPPT介紹

MPPT控制的意義

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的成本是比較昂貴的，1W光伏面板的成本為12元左右，因此PV面板轉(zhuǎn)換出來(lái)的電能是寶貴的。采用傳統(tǒng)方式對(duì)其利用率不高，浪費(fèi)了大量的能量。采用MPPT算法實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能控制器能夠?qū)⑻?yáng)能利用率顯著提高，而其增加的硬件成本卻遠(yuǎn)低于浪費(fèi)的PV面板成本，因此MPPT控制的意義是很明顯的。

MPPT控制的概念



（圖3）72串280W PV面板I-V特性與P-V特性曲線

上圖3為72串280W PV面板的I-V特性與P-V特性曲線。從圖中可以看出，它具有強(qiáng)烈的非線性，既非恒壓源也非恒流源。同時(shí)從其P-V特性曲線可以看出，在日照強(qiáng)度一定的前提下，其輸出功率近似于一個(gè)開(kāi)口向下的拋物線。該拋物線頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率即為該日照強(qiáng)度下的PV面板的最大功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電壓稱為最大功率點(diǎn)電壓。為了提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，就必須使系統(tǒng)保持運(yùn)行在PV面板最大功率點(diǎn)附近。

最大功率點(diǎn)的跟蹤控制本質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，即通過(guò)測(cè)量電流、電壓和功率，判定出當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，并調(diào)節(jié)工作點(diǎn)電壓（或電流），使其向峰值功率點(diǎn)靠攏，從而使光伏系統(tǒng)運(yùn)作在峰值功率點(diǎn)附近。

MPT612算法實(shí)現(xiàn)原理

常用的MPPT算法有恒壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等。它們的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。

由于恒壓法精度低，而電導(dǎo)增量法硬件要求高，因此MPT612采用了擾動(dòng)觀察法。傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法容易產(chǎn)生振蕩與誤判，MPT612在傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法上加入了一些改進(jìn)機(jī)制，從而有效改善了誤判與振蕩的發(fā)生。其在兩個(gè)MPPT采樣周期中間加入了一個(gè)新的采樣點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)新采樣點(diǎn)判斷當(dāng)前工作點(diǎn)是否處于最大功率點(diǎn)，從而防止最大功率點(diǎn)附近的振蕩，提高了能量利用率。另外，通過(guò)該新加入的采樣點(diǎn)，可以判斷出其I-V變化趨勢(shì)，從而避免外界環(huán)境變化（如太陽(yáng)輻照度、溫度變化）而產(chǎn)生的誤判現(xiàn)象。當(dāng)PV面板部分陰影時(shí)，其P-U曲線將出現(xiàn)多個(gè)局部最大功率點(diǎn)。MPT612加入了局部最大功率點(diǎn)處理機(jī)制，防止了局部最大功率點(diǎn)引起的誤判。

方案優(yōu)勢(shì)

l傳統(tǒng)的太陽(yáng)能路燈控制器采用串聯(lián)式PWM脈寬調(diào)制方式。該方式的原理是通過(guò)調(diào)整電路中MOS管的占空比來(lái)調(diào)節(jié)充電電流的大小。該方式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本低，但是它存在一些無(wú)法克服的缺點(diǎn)：

PV面板電壓必須大于電池電壓才能對(duì)電池進(jìn)行充電；

PV面板電壓必須接近電池電壓，否則太陽(yáng)能利用率將會(huì)顯著降低；

由于采用串聯(lián)PWM控制方式，PV面板通過(guò)雙MOS管直接連接到電池，因此充電紋波電流很大，電池壽命受到影響；

當(dāng)太陽(yáng)輻照變化劇烈時(shí)，太陽(yáng)能利用率很低。

NXP的MPT612 是首個(gè)針對(duì)使用太陽(yáng)能光伏(Photovoltaic，簡(jiǎn)稱 PV)電池應(yīng)用提供最大功率點(diǎn)跟蹤的低功耗集成電路。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)和最大限度提升系統(tǒng)的執(zhí)行效率，MPT612提供了NXP正在申請(qǐng)專利的MPPT算法、易于使用的API 接口函數(shù)和針對(duì)特定應(yīng)用的軟件庫(kù)。采用MPT612芯片構(gòu)成的太陽(yáng)能控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)98%以上，對(duì)太陽(yáng)能的利用率大幅度提升。基于MPT612的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為： l

PV面板輸入電壓范圍廣，既可以大于電池電壓也可以小于電池電壓；

太陽(yáng)能的利用率大幅度提高，最大轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%以上；

功能添加靈活，MPT612基于ARM7TDMI-S內(nèi)核，MPPT算法采用軟件庫(kù)的形式發(fā)布，用戶可以根據(jù)自己的需要添加新的功能；

科學(xué)的電池管理方式，充電曲線中可包含：Boost快速充電、Absorption補(bǔ)充充電、Float恒壓浮充、Equalization均衡充電；

外設(shè)豐富，便于擴(kuò)展功能，具有UART、I2C、SPI、RTC、定時(shí)器、ADC等外設(shè)；

開(kāi)發(fā)容易，通過(guò)API函數(shù)即可調(diào)用軟件庫(kù)中的MPPT算法，用戶無(wú)需關(guān)心算法的實(shí)現(xiàn)。

功能特點(diǎn)

轉(zhuǎn)換效率高，最高可達(dá)98%；

支持所有類型的PV面板，如單晶硅、多晶硅、非晶硅等；

PV面板輸入電壓范圍廣：9~25V或18~50V；

支持所有類型的蓄電池，如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池等；

支持各種電壓型號(hào)的電池，如12V、24V、36V、48V等；

科學(xué)的電池充電管理方式，可配置為兩階段充電法、三階段充電法、四階段充電法；

豐富的負(fù)載工作模式：如時(shí)控、純光控、光控+時(shí)控、手動(dòng)、調(diào)試模式、長(zhǎng)開(kāi)模式；

良好的電路保護(hù)功能，包括PV反接保護(hù)、PV過(guò)流保護(hù)、電池反接保護(hù)、電池過(guò)壓保護(hù)、電池過(guò)放保護(hù)、負(fù)載過(guò)流保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)等；

支持市電互補(bǔ)切換功能；

支持串行通信功能。

市場(chǎng)應(yīng)用

面對(duì)能源日益緊張的問(wèn)題，可再生能源的開(kāi)發(fā)和使用將成為一種必然。隨著太陽(yáng)能應(yīng)用的快速發(fā)展，太陽(yáng)能路燈的使用將會(huì)越來(lái)越廣，市場(chǎng)越來(lái)越大。基于MPT612的太陽(yáng)能路燈控制器可以應(yīng)用于太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能草坪燈、太陽(yáng)能交通燈、太陽(yáng)能充電機(jī)等場(chǎng)合。控制器的轉(zhuǎn)換效率、可靠性與穩(wěn)定性是衡量其性能的重要指標(biāo)。高達(dá)98%的轉(zhuǎn)換效率、單芯片、高可靠性使MPT612成為太陽(yáng)能路燈控制器的理想選擇。