CN104765404A - 一种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路，输入输出正极A、B分别与稳压芯片7805的输入端相连，电路启动时，输入电压为太阳能电池模块开路电压；当稳压芯片启动后，电容C1端电压被升压为Vin/(1-D)，高于输入电压，通过导通二极管Db给稳压芯片输入端供电，此时二极管Da截止；在t＝[0～dTs的区间，电感压降等于输入电压压降；在t＝[dTs～Ts]的区间，电感压降等于负的输出电压。本发明有益的效果是：实现了输入输出电流同时为连续状态，有效克服了传统Buck-Boost电路输入冲击电流对大输入电容的要求。从而可以将输入电容替换为使用寿命较长，但电容值相对较低的薄膜电容，大大提高了系统使用寿命，降低了维护成本，同时提高了最大功率跟踪精度。

Description

一种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路

技术领域

本发明涉及一种升降压电路，涉及一种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路。

背景技术

在新能源研究领域，宽范围的太阳能最大功率跟踪器能够有效地在各种光照和温度范围变化情况下，始终保持对太阳能电池板的最大功率跟踪(MPPT)。

比如太阳能电动车，由于车体表面不平直，引起了大部分太阳能电池模块处于不同的光照条件，需要独立的小功率太阳能跟踪电路对不同的电池模块进行独立的能量提取，以实现最大限度地利用有限的车体表面，充分转换吸收的太阳能。于此同时，一天当中太阳光强弱变化的明显差异，以及一年四季的温度差异，会引起太阳能电池模块最大功率工作点电压的大范围变化。通常的做法是利用一个Boost升压电路，将其输入与太阳能电池模块相连，输出与蓄电池相连，通过调节Boost电路的电压增益来控制输入端口电压，实现最大功率跟踪。Boost电路的优点是，由于输入与电感直接相连，可以实现连续的输入电流，对输入滤波电容要求低，输入电压纹波小，从而容易实现精度高的太阳能最大功率跟踪。然而，由于其功能只能升压，并且在高占空比的情况下，二极管的反向恢复问题容易引起电路效率下降，因此其增益调节范围极为有限，在宽范围最大功率跟踪领域引用受到限制。在电感电流连续模式(CCM)下，Boost的电压增益如下：

$\frac{V_o}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{1}{1-D}---\left(0.1\right)$

其中D为Boost电路占空比。

另一种可替代Boost电路是Buck-Boost升降压电路，该电路解决了电压调节范围，不仅可以升压，而且可以降压，电压增益如下：

$\frac{V_o}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{D}{1-D}---\left(0.2\right)$

其中D为Buck-Boost电路占空比。

然而，传统的Buck-Boost电路在输入端与输出端都直接与半导体开关器件相连，如图1所示。因此，即使工作在电感电流连续状态下，也无法实现输入输出电流连续。也就是说，当开关管S断开期间，输入电流瞬间下降为0，而开关管开通瞬间，输出二极管D截止，输出电流瞬间下降为0.因此输入输出电流同为断续状态，需要较大的电解电容分别作为输入和输出缓冲，以保持输入电压稳定，实现稳定的最大功率跟踪。由于电解电容使用寿命低，限制了最大功率跟踪系统的使用年限，提高了维护成本，同时增加了体积。

发明内容

本发明专利受到传统Buck-Boost电路的启发，提供了一种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路，具体是一种改进后具备抑制输入电压纹波，降低电容成本，提高最大功率跟踪精度的太阳能最大功率跟踪电路。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路，输入输出正极A、B分别通过二极管Da、Db与稳压芯片7805的输入端相连，电路启动时，输入电压为太阳能电池模块开路电压，给稳压芯片提供足够的电压启动芯片；当稳压芯片启动后，输入电压被控制到最大功率电压，电容C1端电压被升压为Vin/(1-D)，高于输入电压，通过导通二极管Db给稳压芯片输入端供电，此时二极管Da截止；在t＝[0～dTs的区间，开关管S1开通，开关管S2关闭，输入电压Vin加在电感L两端，电感电流上升，同时，电容Cin与电容C1串联形成输出电容，给输出-负载供电，电感压降等于输入电压压降；在t＝[dTs～Ts]的区间，开关管S1关闭，开关管S2开通，电容Cin与电容C1依然串联形成输出电容，给-负载供电，电感与输出-负载并联，给负载提供电流，同时完成输出电容充电的功能，此时电感压降等于负的输出电压。

更进一步的，输出电阻R负载和电压源负载，输出电流均与输出功率成单调递增关系，将输出电流的变化，等效于太阳能电池板输出功率的变化。

本发明有益的效果是：在不增加电感和不改变电压增益公式的情况下，实现了输入输出电流同时为连续状态，有效克服了传统Buck-Boost电路输入冲击电流对大输入电容的要求。从而可以将输入电容替换为使用寿命较长，但电容值相对较低的薄膜电容，大大提高了系统使用寿命，降低了维护成本，同时提高了最大功率跟踪精度。于此同时，本发明还完成了从系统自供电到基于单传感器的最大功率跟踪软件设计。该系统可以在输出端为电阻或电压源的情况下均实现最大功率跟踪。在没有增加器件和成本的前提下，改进后的Buck-Boost拓扑实现了最大功率点电压的宽范围跟踪,同时降低了输入电压的纹波。

附图说明

图1为传统Buck-Boost电路。

图2为-本发明的改进型升降压电路

图3为系统关键参数波形示意图。

图4为单传感器MPPT流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图2所示，这种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路，输入输出正极A、B分别通过二极管Da、Db与稳压芯片7805的输入端相连，电路启动时，输入电压为太阳能电池模块开路电压，给稳压芯片提供足够的电压启动芯片；当稳压芯片启动后，输入电压被控制到最大功率电压(可能不足以给控制器供电)，电容C1端电压被升压为Vin/(1-D)，高于输入电压，通过导通二极管Db给稳压芯片输入端供电，此时二极管Da截止；可见，该自供电系统能解决大范围输入电压变化的情况下控制电路的供电问题，方便系统的独立运行。

在t＝[0～dT]s的区间，开关管S1开通，开关管S2关闭，输入电压Vin加在电感L两端，电感电流上升，同时，电容Cin与电容C1串联形成输出电容，给输出电阻供电，电感压降等于输入电压压降；在t＝[dTs～Ts]的区间，开关管S1关闭，开关管S2开通，电容Cin与电容C1依然串联形成输出电容，给输出电阻R供电，电感与输出电阻R并联，给负载提供电流，同时完成输出电容充电的功能，此时电感压降等于负的输出电压。

根据电感伏秒平衡，CCM状态下的增益公式如下：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{D}{1-D}---\left(0.3\right)$

电路工作波形如图3所示。由图可知，电感电流等于负载电流与输入电流之和。输入电流连续的条件如下：

$L\≥\frac{R_L{(1-D)}^2{T}_s}{2}---\left(0.4\right)$

输入电容与输入电压纹波关系如下：

$C=\frac{V_{\mathrm{in}}{\mathrm{DT}}_s^2}{16\mathrm{L\Δ}{V}_c}---\left(0.5\right)$

对于传统Buck-Boost的输入电容与输入电压纹波关系如下：

$C=\frac{V_{\mathrm{in}}{T}_s{D}^2}{2\mathrm{\Δ}{V}_c{R}_L(1-D)}---\left(0.6\right)$

可见，传统的Buck-boost电路输入电容纹波跟负载有关，而改进的电路纹波基本不受负载变化的影响。该特性有利于功率波动大的太阳能功率跟踪系统设计。必须指出，在相同输入电压纹波相同条件下，要求改进拓扑具有更小的输入电容需要满足如下工作条件：

$L>\frac{R_L{T}_s(1-D)}{8D}---\left(0.7\right)$

该条件比较容易在系统设计时实现。满足条件(1.7)为满足条件(1.4)的充分非必要条件。

如图2所示，该系统采用了单采样输出电流的最大功率跟踪设计。通过功率计算容易得出，不论是输出电阻负载还是电压源负载，采样的输出电流均与输出功率成单调递增关系。根据功率守恒，输入太阳能功率等于输出功率，因此可以将输出电流的变化，等效于太阳能电池板输出功率的变化,于是可以只采样输出电流实现最大功率跟踪。图4给出了基于单电流传感器实现MPPT的软件流程-。

以上所述，仅为本发明较好的实施方式而已，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明精神之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路，其特征在于：输入输出正极A、B分别通过二极管Da、Db与稳压芯片7805的输入端相连，电路启动时，输入电压为太阳能电池模块开路电压，给稳压芯片提供足够的电压启动芯片；当稳压芯片启动后，输入电压被控制到最大功率电压，电容C1端电压被升压为Vin/(1-D)，高于输入电压，通过导通二极管Db给稳压芯片输入端供电，此时二极管Da截止；在t＝[0～dT]s的区间，开关管S1开通，开关管S2关闭，输入电压Vin加在电感L两端，电感电流上升，同时，电容Cin与电容C1串联形成输出电容，给输出-负载供电，电感压降等于输入电压压降；在t＝[dTs～Ts]的区间，开关管S1关闭，开关管S2开通，电容Cin与电容C1依然串联形成输出电容，给输出负载供电，电感与输出负载并联，给负载提供电流，同时完成输出电容充电的功能，此时电感压降等于负的输出电压。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能汽车的宽范围低输入电压纹波最大功率跟踪电路，其特征在于：输出电阻R负载和电压源负载，输出电流均与输出功率成单调递增关系，将输出电流的变化，等效于太阳能电池板输出功率的变化。