CN110262621B - 一种太阳能最大功率收集电路及快速搜索方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能最大功率收集电路及快速搜索方法，包括MPPT搜索模块、MPPT控制模块和MCU模块；MPPT搜索模块包括电流检测单元、MOS管Q1、开关SW1、二极管D1和数字模拟转换器U1B；电流检测单元与太阳能电池板连接；二极管D1与电流检测单元连接；MOS管Q1与电流检测单元连接；数字模拟转换器U1B与MOS管Q1连接；MPPT控制模块包括比较器、数字模拟转换器U1A、电阻R6、电阻R9和升降压稳压器U3；数字模拟转换器U1A与比较器连接；比较器经电阻R6与比较器的输出端连接，电阻R6与比较器的之间的连接点经电阻R9与升降压稳压器U3连接；MCU模块分别与数字模拟转换器U1A、数字模拟转换器U1B连接。本发明能够快速搜索出太阳能电池板的最大功率点。
Description
技术领域
本发明涉及面向嵌入式系统的太阳能电池板的能量收集技术领域，具体涉及一种太阳能最大功率收集电路及快速搜索方法。
背景技术
随着半导体、无线通信等技术的飞速发展，嵌入式系统应用日益广泛。许多室外应用需要使用电池对嵌入式设备进行供电。由于设备数量众多，更换电池极为不便。为了延长设备的工作寿命，可以通过降低工作周期等方式来减少能耗。然而，要从根本上解决设备的能量供给问题，需要从环境中收集能量来补充电池电量，其中太阳能是目前最有效的方式之一。
目前，部分用于低功耗的太阳能收集电路存在的问题是，其对于最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）的速度较慢，从而造成部分功率的损失。
因此，有必要采取一种太阳能最大功率收集电路及快速搜索方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能最大功率收集电路及快速搜索方法，能快速搜索出太阳能电池板的最大功率点，以减少跟踪过程中的能力损失。
本发明所述的太阳能最大功率收集电路，包括MPPT搜索模块、MPPT控制模块和MCU模块；
所述MPPT搜索模块包括电流检测单元、MOS管Q1、开关SW1、二极管D1和数字模拟转换器U1B；
所述电流检测单元用于检测太阳能电池板的输出电流，该电流检测单元的输入端与太阳能电池板的输出端连接；
所述二极管D1用于防止电流倒灌，该二极管D1的阳极经开关SW1与电流检测单元的输出端连接；
所述MOS管Q1用于通过栅极电压的变化模拟串联在太阳能电池板上的可变负载，该MOS管Q1的漏极与电流检测单元的输出端连接；
所述数字模拟转换器U1B用于改变MOS管Q1的栅极电压，该数字模拟转换器U1B的Vout1脚与MOS管Q1的栅极连接；
所述MPPT控制模块包括比较器、数字模拟转换器U1A、电阻R6、电阻R9和升降压稳压器U3；
所述数字模拟转换器U1A用于设置比较器的电压输入信号大小，该数字模拟转换器U1A的Vout0脚与比较器的正向输入端连接；
所述比较器通过两个输入信号的关系输出相应的电平信号控制升降压稳压器U3的工作状态，该比较器的反向输入端与太阳能电池板的输出端连接，比较器的正向输入端经电阻R6与比较器的输出端连接，电阻R6与比较器的输出端之间的连接点经电阻R9与升降压稳压器U3的EN脚连接；
所述升降压稳压器U3用于为负载/储能装置4提供合适的输入电压，以及在比较器的控制下通过负反馈调节控制太阳能电池板工作在最大功率输出点，该升降压稳压器U3的VIN0脚和VIN1脚分别与二极管D1的阴极连接；
所述MCU模块用于系统控制、接收电流检测单元的输出信号、检测太阳能电池板的电压及实现太阳能电池板最大功率点跟踪的快速搜索，该MCU模块的SDA脚分别与数字模拟转换器U1A的SDA脚、数字模拟转换器U1B的SDA脚连接，MCU模块的SCL脚分别与数字模拟转换器U1A的SCL脚、数字模拟转换器U1B的SCL脚连接。
进一步，所述电流检测单元包括电流检测器U2、采样电阻R2和电容C1；所述采样电阻R2的一端与电流检测器U2的RS-脚连接，所述采样电阻R2的另一端与电流检测器U2的RS+脚连接；所述电容C1的正极与电流检测器U2的Vcc脚连接，电容C1的负极接地。
进一步，所述MPPT搜索模块还包括电阻R1，该电阻R1的一端与MOS管Q1的栅极连接，电阻R1的另一端接地。
进一步，所述 MPPT控制模块还包括电阻R3、电阻R4、滑动变阻器R5、电阻R7和电阻R8；
所述电阻R7的一端接5V, 电阻R7的另一端经电阻R8后接地；
所述电阻R3的一端与升降压稳压器U3的PS_SYNC脚连接，电阻R3的另一端接地；
所述电阻R4的一端与升降压稳压器U3的Vout和Vout1脚连接，电阻R4的另一端与升降压稳压器U3的FB脚连接；
所述滑动变阻器R5的一端接地，滑动变阻器R5的滑动端与升降压稳压器U3的FB脚连接。
本发明所述的一种太阳能最大功率快速搜索方法，采用如本发明所述的太阳能最大功率收集电路，其方法包括以下步骤：
步骤a：设置初始数值,最大功率值Pmax=0,最大功率点电压Umax=0,MCU模块（5）控制数字模拟转换器U1B输入数字量number=0，输出相应的模拟电压；
步骤b：确定最佳搜索步长step，step取值范围1～M，计算Y=f（step）=(2M/step)+2*step，step=1，2，…,M，其中，M为数字模拟转换器U1B的位数， 将Ymin对应的step作为最佳搜索步长；
步骤c：测量太阳能电池板的输出电压U、输出电流I，将输出电压U、输出电流I相乘求输出功率P；
步骤d：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U，设置最佳搜索位置number_mark=number;
步骤e：MCU模块（5）控制数字模拟转换器U1B输入数字量number=number+step；当number<2M时，重复步骤c至步骤e，否则执行步骤f；
步骤f：number=number_mark-step；初始化数值Pmax=0,Umax=0；
步骤g：测量太阳能电池板的输出电压U、输出电流I，将输出电压U、输出电流I相乘求出功率P；
步骤h：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U；
步骤i：number=number+1；当number<number_mark+step时，重复步骤g至步骤i，否则执行步骤j；
步骤j：将Umax换算为数字量信号J，J=(Umax/Vcc)*2M，并通过数字模拟转换器U1A设置比较器的输入信号为Umax。
本发明的有益效果：本发明的搜索时间仅为现有算法搜索时间的4.6%左右，从而减少了搜索期间的能量损失，提高了能量收集效率，实现了太阳能电池板最大功率点跟踪的快速搜索。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明中MPPT搜索模块的电路图；
图3为本发明中电流检测单元的电路图；
图4为本发明中MPPT控制模块的电路图；
图5为本发明的流程图；
图中：1、太阳能电池板，2、MPPT搜索模块，3、MPPT控制模块，4、负载/储能装置，5、MCU模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的太阳能最大功率收集电路，包括MPPT搜索模块2、MPPT控制模块3和MCU模块5；MPPT搜索模块2分别与太阳能电池板1、MPPT控制模块3和MCU模块5连接，MPPT控制模块3分别与MCU模块5和负载/储能装置连接。其中，通过MPPT搜索模块2控制、监测太阳能电池板1的输出，寻找出最优工作点，通过MPPT控制模块3控制太阳能电池板1工作在最优工作点。
如图2所示，本实施例中，所述MPPT搜索模块2包括电流检测单元、MOS管Q1、开关SW1、二极管D1、数字模拟转换器U1B和电阻R1；以上各元器件的连接关系如下：
电流检测单元的输入端用于与太阳能电池板1的输出端连接，电流检测单元的输出端经开关SW1与二极管D1的阳极连接。MOS管Q1的漏极与电流检测单元的输出端连接；MOS管Q1的源极接地，MOS管Q1的栅极经电阻R1后接地，MOS管Q1的栅极还与数字模拟转换器U1B的Vout1脚连接。
其中，所述电流检测单元用于检测太阳能电池板1的输出电流。所述二极管D1用于在太阳光不充足、太阳能电池板1输出能力较弱时，防止负载/储能装置4的电流倒灌损坏太阳能电池板。所述MOS管Q1通过栅极电压的变化模拟串联在太阳能电池板1上的可变负载，从而影响太阳能电池板1的输出电压、输出电流。所述数字模拟转换器U1B用于改变MOS管Q1的栅极电压。
如图3所示，所述电流检测单元包括电流检测器U2、采样电阻R2和电容C1；所述采样电阻R2的一端与电流检测器U2的RS-脚连接，所述采样电阻R2的另一端与电流检测器U2的RS+脚连接，其中，采样电阻R2与RS+脚的连接点为电流检测单元的输入端，采样电阻R2与RS-脚的连接点为电流检测单元的输出端。所述电容C1的正极与电流检测器U2的Vcc脚连接，电容C1的负极接地。
如图4所示，所述MPPT控制模块3包括比较器、数字模拟转换器U1A、升降压稳压器U3、电感L1、电容C2、电阻R3、电阻R4、滑动变阻器R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，以上各元器件的连接关系如下：
数字模拟转换器U1A的Vout0脚与比较器的正向输入端连接；该比较器的反向输入端与太阳能电池板1的输出端连接，比较器的正向输入端还经电阻R6与比较器的输出端连接，电阻R6与比较器的输出端之间的连接点经电阻R9与升降压稳压器U3的EN脚连接。所述电阻R7的一端接5V, 电阻R7的另一端经电阻R8后接地。升降压稳压器U3的PS_SYNC脚经电阻R3后接地，升降压稳压器U3的VINA脚经电容C2后接地。升降压稳压器U3的FB脚与滑动变阻器R5的滑动端连接，滑动变阻器R5的一端接地。升降压稳压器U3的FB脚还经电阻R4后与升降压稳压器U3的VOUT脚和VOUT1脚连接。升降压稳压器U3的VIN0脚和VIN1脚分别与二极管D1的阴极连接。
其中，所述数字模拟转换器U1A用于设置比较器的电压输入信号大小。所述比较器通过两个输入信号的关系输出相应的电平信号控制升降压稳压器U3的工作状态。所述升降压稳压器U3用于为负载/储能装置4提供合适的输入电压，以及在比较器的控制下通过负反馈调节控制太阳能电池板1工作在最大功率输出点。
本实施例中，所述MCU模块5用于系统控制、接收电流检测单元的输出信号、检测太阳能电池板1的电压及实现太阳能电池板1最大功率点跟踪的快速搜索，该MCU模块5的SDA脚分别与数字模拟转换器U1A的SDA脚、数字模拟转换器U1B的SDA脚连接，MCU模块5的SCL脚分别与数字模拟转换器U1A的SCL脚、数字模拟转换器U1B的SCL脚连接。
本实施例的工作原理如下：
MCU模块5控制数字模拟转换器U1B输出线性变化的数字量，控制MOS管Q1的栅极电压，模拟一个串联在太阳能电池板1正负极之间的变化负载，计算出太阳能电池板1最大功率输出点的工作电压位置。
MCU模块5控制数字模拟转换器U1A输出最大功率点的电压作为比较器的其中一个输入信号，太阳能电池板1的当前电压作为比较器的另一个输入信号，比较器的输出端连接到升降压稳压器U3的使能端，通过比较器的输出信号控制升降压稳压器U3的工作状态，使太阳能电池板工作在最大功率输出点处。
如图5所示，本实施例中，一种太阳能最大功率快速搜索方法，采用如本实施例中所述的太阳能最大功率收集电路，其方法包括以下步骤：
步骤a：设置初始数值,最大功率值Pmax=0,最大功率点电压Umax=0,MCU模块（5）控制数字模拟转换器U1B输入数字量number=0，输出相应的模拟电压；
步骤b：确定最佳搜索步长step，step取值范围1～M，计算Y=f（step）=(2M/step)+2*step，step=1，2，…,M，其中，M为数字模拟转换器U1B的位数， 将Ymin对应的step作为最佳搜索步长；
步骤c：测量太阳能电池板的输出电压U、输出电流I，将输出电压U、输出电流I相乘求输出功率P；
步骤d：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U，设置最佳搜索位置number_mark=number;
步骤e：MCU模块（5）控制数字模拟转换器U1B输入数字量number=number+step；当number<2M时，重复步骤c至步骤e，否则执行步骤f；
步骤f：number=number_mark-step；初始化数值Pmax=0,Umax=0；
步骤g：测量太阳能电池板的输出电压U、输出电流I，将输出电压U、输出电流I相乘求出功率P；
步骤h：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U；
步骤i：number=number+1；当number<number_mark+step时，重复步骤g至步骤i，否则执行步骤j；
步骤j：将Umax换算为数字量信号J，J=(Umax/Vcc)*2M，并通过数字模拟转换器U1A设置比较器的输入信号为Umax。
本实施例中，电流检测器U2的型号为max9928f。数字模拟转换器U1A和数字模拟转换器U1B采用一个双通道的数字模拟转换器，其型号为MCP47CVB22。升降压稳压器U3的型号为TPS63020DSJR。MOS管Q1的型号为A03400。比较器的型号为LM393。MCU模块5的型号为Arduino mega 2560。
Claims (4)
1.一种太阳能最大功率收集电路，其特征在于：包括MPPT搜索模块（2）、MPPT控制模块（3）和MCU模块（5）；
所述MPPT搜索模块（2）包括电流检测单元、MOS管Q1、开关SW1、二极管D1和数字模拟转换器U1B；
所述电流检测单元用于检测太阳能电池板（1）的输出电流，该电流检测单元的输入端与太阳能电池板（1）的输出端连接；
所述二极管D1用于防止电流倒灌，该二极管D1的阳极经开关SW1与电流检测单元的输出端连接；
所述MOS管Q1用于通过栅极电压的变化模拟串联在太阳能电池板（1）上的可变负载，该MOS管Q1的漏极与电流检测单元的输出端连接；
所述数字模拟转换器U1B用于改变MOS管Q1的栅极电压，该数字模拟转换器U1B的Vout1脚与MOS管Q1的栅极连接；
所述MPPT控制模块（3）包括比较器、数字模拟转换器U1A、电阻R6、电阻R9和升降压稳压器U3；
所述数字模拟转换器U1A用于设置比较器的电压输入信号大小，该数字模拟转换器U1A的Vout0脚与比较器的正向输入端连接；
所述比较器通过两个输入信号的关系输出相应的电平信号控制升降压稳压器U3的工作状态，该比较器的反向输入端与太阳能电池板（1）的输出端连接，比较器的正向输入端经电阻R6与比较器的输出端连接，电阻R6与比较器的输出端之间的连接点经电阻R9与升降压稳压器U3的EN脚连接；
所述升降压稳压器U3用于为负载/储能装置（4）提供合适的输入电压，以及在比较器的控制下通过负反馈调节控制太阳能电池板（1）工作在最大功率输出点，该升降压稳压器U3的VIN0脚和VIN1脚分别与二极管D1的阴极连接；
所述MCU模块（5）用于系统控制、接收电流检测单元的输出信号、检测太阳能电池板（1）的电压及实现太阳能电池板（1）最大功率点跟踪的快速搜索，该MCU模块（5）的SDA脚分别与数字模拟转换器U1A的SDA脚、数字模拟转换器U1B的SDA脚连接，MCU模块（5）的SCL脚分别与数字模拟转换器U1A的SCL脚、数字模拟转换器U1B的SCL脚连接；
所述 MPPT控制模块（3）还包括电阻R3、电阻R4、滑动变阻器R5、电阻R7和电阻R8；
所述电阻R7的一端接5V, 电阻R7的另一端经电阻R8后接地；
所述电阻R3的一端与升降压稳压器U3的PS_SYNC脚连接，电阻R3的另一端接地；
所述电阻R4的一端与升降压稳压器U3的Vout和Vout1脚连接，电阻R4的另一端与升降压稳压器U3的FB脚连接；
所述滑动变阻器R5的一端接地，滑动变阻器R5的滑动端与升降压稳压器U3的FB脚连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能最大功率收集电路，其特征在于：所述电流检测单元包括电流检测器U2、采样电阻R2和电容C1；所述采样电阻R2的一端与电流检测器U2的RS-脚连接，所述采样电阻R2的另一端与电流检测器U2的RS+脚连接；所述电容C1的正极与电流检测器U2的Vcc脚连接，电容C1的负极接地。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能最大功率收集电路，其特征在于：所述MPPT搜索模块（2）还包括电阻R1，该电阻R1的一端与 MOS管Q1的栅极连接，电阻R1的另一端接地。
4.一种太阳能最大功率快速搜索方法，其特征在于，采用如权利要求1至3任一所述的太阳能最大功率收集电路，其方法包括以下步骤：
步骤a：设置初始数值,最大功率值Pmax=0,最大功率点电压Umax=0,MCU模块（5）控制数字模拟转换器U1B输入数字量number=0，输出相应的模拟电压；
步骤b：确定最佳搜索步长step，step取值范围1～M，计算Y=f（step）=(2M/step)+2*step，step=1，2，…,M，其中，M为数字模拟转换器U1B的位数，将Ymin对应的step作为最佳搜索步长；
步骤c：测量太阳能电池板的输出电压U、输出电流I，将输出电压U、输出电流I相乘求输出功率P；
步骤d：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U，设置最佳搜索位置number_mark=number;
步骤e：MCU模块（5）控制数字模拟转换器U1B输入数字量number=number+step；当number<2M时，重复步骤c至步骤e，否则执行步骤f；
步骤f：number=number_mark-step；初始化数值Pmax=0,Umax=0；
步骤g：测量太阳能电池板的输出电压U、输出电流I，将输出电压U、输出电流I相乘求出功率P；
步骤h：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U；
步骤i：number=number+1；当number<number_mark+step时，重复步骤g至步骤i，否则执行步骤j；
步骤j：将Umax换算为数字量信号J，J=(Umax/Vcc)*2M，并通过数字模拟转换器U1A设置比较器的输入信号为Umax。
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