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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

                                    發布時間:2021-08-31 來源:Alex Jiang 責任編輯:wenwei

                                    【導讀】物聯網(IoT)時代,更多的連接性意味著更多的戶外設備由電池供電并持續通信。而且,越來越多的戶外設備現在通過太陽能板來供電。在帶有太陽能板的戶外設計中,充電器需要實現最大功率點追蹤(MPPT)功能。本文介紹了帶鋰離子電池的太陽能板充電器設計技巧,這種充電器適用于室外太陽能監控攝像頭或室外照明設備(見圖1)等應用。
                                     
                                    基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統
                                    圖1: 室外監控攝像頭和室外照明系統中的太陽能板應用
                                     
                                    系統綜述
                                     
                                    本參考設計基于MPS的MP2731 IC并配合MC96F1206控制器(低成本8051 MCU)開發,適用于中小型太陽能充電解決方案。與傳統MPPT系統不同,該系統集成了VIN連接開關、ADC和電壓/電流采樣電路,因而顯著降低了系統成本。系統設計采用擾動觀察(P&O)最大功率點追蹤算法,可以實現98%或更高的追蹤精度。
                                     
                                    圖2顯示了該參考設計的系統功能框圖。其主要模塊包括MP2731 、MC96F1206 MCU、電池和系統負載。
                                     
                                    基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統
                                    圖2: MPPT系統功能框圖
                                     
                                    MP2731的功能特性包括:在9V輸入的5W系統中效率高達93%;MPPT精度達到98%;核心電路面積小至25mmx25mm;具有內置強大充電保護功能(包括JEITA和可調安全定時器)的全集成電源開關;具有I2C 接口,用于靈活的系統參數設置和狀態報告(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
                                    圖3: MPPT控制系統PCB
                                     
                                    系統設計
                                     
                                    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、負載。通常,系統都存在一個最大功率點,在這一點上太陽能板向系統輸出最佳功率(請參見圖4)。使用最大功率點追蹤技術(例如P&O或增量電導法)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
                                    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-電壓導數(dP / dV)被用作追蹤參數。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
                                     
                                    硬件實現
                                     
                                    DC / DC變換器通常被用來確保系統內部的MPP優化。高度集成的開關充電器(在此參考設計中為MPS的MP2731)連接在PV面板和電池負載之間。
                                     
                                    基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統
                                    圖5: MP2731功能模塊
                                     
                                    當面板處于低輻照度時,反向阻斷FET Q1用于阻斷從電池負載到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,能夠將數字化的電流和電壓信息輕松傳遞給外部MCU。
                                     
                                    軟件實現
                                     
                                    P&O MPPT算法通過ABOV半導體公司的20引腳8位MC96F1206 MCU實現。需激活MCU的I2C外設,以實現與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
                                    圖6: 系統級軟件流程圖
                                     
                                    注意:在更新 IOFFSET, 之前,請關閉連接在MP2731 SYS引腳上的其他設備,以確保IOFFSET的正確校準。 圖6顯示了系統級軟件流程圖。當VIN降至欠壓保護閾值之下時,MCU進入睡眠模式;當VIN恢復時,將發送中斷(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
                                    表1: 操作寄存器
                                     
                                    將輸入電流限制設置為最大值,面板電壓將僅由輸入電壓限制環路控制。調整輸入電壓限制環路參考電壓,就可以調整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設置的先前值。
                                     
                                    當VIN_REG設置達到限值時,ICC設置為最小值。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P&O MPPT算法追蹤本地MPP,則每次輸入電壓標志發生變化時,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的步長調節MP2731的輸入穩壓參考電壓,以找到最佳功率點。
                                     
                                    初始掃描之后,PV面板被設置為在最大功率點運行。為了在變化的負載和輻照條件下繼續追蹤最佳功率點,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
                                    圖7: P&O MPPT算法
                                     
                                    實驗結果
                                     
                                    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預設的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,系統加電并掃描MPP。從t1到t2,隨著電池充電電流從恒定電流變為較低值,電池經歷了恒流(CC)和恒壓(CV)階段。當電池接近滿電時,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
                                    圖8:PV面板從上電到穩態的MPPT過程
                                     
                                    基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統
                                    圖9: 充電周期內的MPPT行為
                                     
                                    基于MP2731的MPPT系統具有低電阻和集成MOSFET,可在各種條件下實現高效率(見圖10)。
                                     
                                    基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統
                                    圖10: PV面板效率數據(5V, 9V, 12V)
                                     
                                    基于鋰離子電池充電器IC的最大功率點追蹤系統
                                    (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
                                    (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t0發生部分遮蔽時,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
                                    (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
                                    (PV面板電壓約為8V)
                                    圖12: 自然光環境下的追蹤性能
                                     
                                    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網系統的成本。其高度集成的低導通電阻可以實現具有緊湊PCB面積的高效系統。未來的產品開發計劃將需要適應更高功率、更高電壓的應用,需要進一步降低系統靜態功耗并為多面板系統開發解決方案。
                                     
                                    來源:MPS
                                     
                                     
                                    免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請聯系小編進行處理。
                                     
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