CN110389616B - 太阳能电池板阵列最大功率收集电路、搜索方法及电子设备 - Google Patents

太阳能电池板阵列最大功率收集电路、搜索方法及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池板阵列最大功率收集电路、搜索方法及电子设备，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阵列连接；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与比较器的输出端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。本发明能够准确寻找出全局最优功率输出点。

Description

太阳能电池板阵列最大功率收集电路、搜索方法及电子设备
技术领域
本发明涉及面向嵌入式系统的太阳能电池板阵列的能量收集技术领域，具体涉及一种太阳能电池板阵列最大功率收集电路、搜索方法及电子设备。
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。
为了获得更多的太阳能，一般会同时采用多块太阳能电池板来接收太阳能，比如：将多块太阳能电池板通过串联、并联形成太阳能电池板阵列。但由于太阳能电池板阵列中的各太阳能电池板所接收到的光照强度不一致，导致不同太阳能电池板的整体输出曲线呈现多峰值，采用传统的最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）搜索算法极易陷入局部最优解，不能实现全局最优解。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能电池板阵列最大功率收集电路、搜索方法及电子设备，在面向嵌入式系统的低功耗场景中，对一个输出特性呈现多峰值的太阳能电池板阵列系统，能准确寻找出全局最优工作点。
本发明所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，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阵列的输出电流，该电流检测单元的输入端与太阳能电池板阵列的输出端连接；
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阵列上的可变负载，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阵列的输出端连接，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阵列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、检测太阳能电池板阵列的电压及实现太阳能电池板阵列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电池板阵列最大功率搜索方法，采用如本发明所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，其搜索方法包括以下步骤：
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模块控制数字模拟转换器U1B的输入数字量number=0，输出相应的模拟电压；
步骤b：测量太阳能电池板阵列的输出电压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c：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U；
步骤d：数字模拟转换器U1B的输入数字量number=number+1，输出相应的模拟电压；当number<2M时，其中，M为数字模拟转换器U1B的位数，重复步骤b、c、d，否则执行步骤e；
步骤e：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。
本发明所述的一种电子设备，包括设备本体，设备本体具有多个外表面，在所述设备本体的至少两个外表面上分别设置太阳能电池板，各块太阳能电池板通过串联、并联形成太阳能电池板阵列，作为电子设备的输入源；
还包括如本发明所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，该太阳能电池板阵列最大功率收集电路分别与太阳能电池板阵列和电子设备连接，为电子设备充电；
所述太阳能电池板阵列最大功率搜索方法采用如本发明所述的太阳能电池板阵列最大功率搜索方法。
本发明的有益效果：它能够在面向嵌入式系统的低功耗场景中，对一个输出特性呈现多峰值的太阳能电池板阵列系统，准确寻找出全局最优工作点，从而提升了整个系统的能量收集效率，为嵌入式设备收集尽可能多的能量。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为太阳能电池板阵列示意图；
图3为本发明中MPPT搜索模块的电路图；
图4为本发明中电流检测单元的电路图；
图5为本发明中MPPT控制模块的电路图；
图6为本发明的流程图；
图中：1、太阳能电池板阵列，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电池板阵列最大功率收集电路，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阵列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、监测太阳能电池板阵列1的输出，寻找出最优工作点，通过MPPT控制模块3控制太阳能电池板阵列1工作在最优点。
如图3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阵列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阵列1的输出电流。所述二极管D1用于在太阳光不充足、太阳能电池板阵列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阵列1上的可变负载，从而影响太阳能电池板阵列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4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5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阵列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阵列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、检测太阳能电池板阵列1的电压及实现太阳能电池板阵列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输出线性变化的模拟电压，控制MOS管Q1的栅极电压，模拟一个串联在太阳能电池板阵列1正负极之间的变化负载，计算出太阳能电池板阵列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，太阳能电池板阵列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2所示，太阳能电池板阵列1可为n×m的阵列，只需要输出电压、电流不高于MCU模块5、电流检测单元U2的测量量程。
如图6所示，本实施例中，一种太阳能电池板阵列最大功率搜索方法，采用如本实施例中所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，其搜索方法包括以下步骤：
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的输入数字量number=0，输出相应的模拟电压；
步骤b：测量太阳能电池板阵列1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c：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U；
步骤d：数字模拟转换器U1B的输入数字量number=number+1，输出相应的模拟电压；当number<2M时，其中，M为数字模拟转换器U1B的位数，重复步骤b、c、d，否则执行步骤e；
步骤e：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。
本实施例能够在一个太阳能电池板阵列1的多峰值输出特性曲线中，准确寻找出其全局最优工作点，使整个系统工作在最大功率输出点，从而大幅提升了整个系统的能量收集效率，为嵌入式设备收集尽可能多的能量。
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。
本实施例中，一种电子设备，包括设备本体和如本实施例中所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路。所述设备本体具有多个外表面，在所述设备本体的至少两个外表面上分别设置太阳能电池板，充分利用了电子设备的外表面，能够在同等空间中尽可能获取更多能量。如图2所示，各块太阳能电池板通过串联、并联形成太阳能电池板阵列1，作为电子设备的输入源。该太阳能电池板阵列最大功率收集电路分别与太阳能电池板阵列和电子设备连接，为电子设备充电。所述太阳能电池板阵列最大功率搜索方法采用如本实施例中所述的太阳能电池板阵列最大功率搜索方法。
本实施例中，所述电子设备指室外使用的物联网节点、无线传感器节点等设备。

Claims (5)

1.一种太阳能电池板阵列最大功率收集电路，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阵列（1）的输出电流，该电流检测单元的输入端与太阳能电池板阵列（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阵列（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，升降压稳压器U3的型号为TPS63020DSJR；
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阵列（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阵列（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、检测太阳能电池板阵列（1）的电压及实现太阳能电池板阵列（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；
电阻 R7、电阻R8的连接点经电阻 R6后与数字模拟转换器U1A的正向输入端连接，
电阻 R7、电阻R8的连接点还经电阻R9后与升降压稳压器U3的EN脚连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，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所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，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。
4.一种太阳能电池板阵列最大功率搜索方法，其特征在于，采用如权利要求1至3任一所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，其搜索方法包括以下步骤：
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的输入数字量number=0，输出相应的模拟电压；
步骤b：测量太阳能电池板阵列（1）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c：如果Pmax<P,则记录当前Pmax=P,Umax=U；
步骤d：数字模拟转换器U1B的输入数字量number=number+1，输出相应的模拟电压；当number<2M时，其中，M为数字模拟转换器U1B的位数，重复步骤b、c、d，否则执行步骤e；
步骤e：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。
5.一种电子设备，包括设备本体，设备本体具有多个外表面，其特征在于：在所述设备本体的至少两个外表面上分别设置太阳能电池板，各块太阳能电池板通过串联、并联形成太阳能电池板阵列（1），作为电子设备的输入源；
还包括如权利要求1至3任一所述的太阳能电池板阵列最大功率收集电路，该太阳能电池板阵列最大功率收集电路分别与太阳能电池板阵列（1）和电子设备连接，为电子设备充电；
所述太阳能电池板阵列最大功率收集电路采用如权利要求4所述的太阳能电池板阵列最大功率搜索方法。
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