TWI626522B - 功率點追蹤方法及其裝置 - Google Patents

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Abstract

一種功率點追蹤方法及其裝置，包括一轉能器耦接至一控制器，其中該轉能器可以依據該控制器的一責任週期信號而利用轉能器內部電感器進行電力轉換操作，以將獵能器所供應的輸入電壓轉換為輸出電壓給負載。

Description

功率點追蹤方法及其裝置
本揭露係有關於一種功率點追蹤方法及其裝置。
一般來說目前再生性能源僅佔全世界電力的一小部分，然而由於有限的石化燃料以及對於環境的負面影響，因此驅使再生性能源科技需要向上發展，除了利用再生性能源快速成為可行的化石化燃料替代品，並更進一步可收集環境中的能源再加利用，尤其以熱電材料(Thermoelectric Material,TEM)及能源收集(Energy Harvesting,EH)為熱門的研究主題。
有許多能源(energy source)具有最大功率點(Maximum Power Point,MPP)特性。例如，圖1繪示熱電(Thermoelectric,TE)能源(熱電材料)的輸出電流與輸出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。於圖1上部之曲線圖中，橫軸表示熱電壓源的輸出電壓VTE，而縱軸表示熱電壓源的輸出電流ITE。於圖1下部之曲線圖中，橫軸表示熱電壓源的輸出電壓VTE，而縱軸表示熱電壓源的輸出功率PTE。從圖1可以看出，當熱電壓源的輸出電流ITE越大時，其輸出電壓VTE越小。當熱電壓源的輸出電壓VTE被設定在圖1所示操作電壓VOP處時，其輸出功率PTE可以達到最大功率值PMAX(即最大功率點)。
又例如，圖2繪示光伏電池(Photovoltaic,PV)的輸出電流與輸 出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。於圖2上部之曲線圖中，橫軸表示光伏電池的輸出電壓VPV，而縱軸表示光伏電池的輸出電流IPV。於圖2下部之曲線圖中，橫軸表示光伏電池的輸出電壓VPV，而縱軸表示光伏電池的輸出功率PPV。從圖2可以看出，當光伏電池的輸出電流IPV越大時，其輸出電壓VPV越小。當光伏電池的輸出電壓VPV被設定在圖2所示操作電壓VOP處時，其輸出功率PPV可以達到最大功率值PMAX(即最大功率點)。
因此如何使用具有最大功率點(Maximum Power Point,MPP)特性之能源的過程中，需要對此能源的輸出進行功率點追蹤(power point tracking)，以提升發電效率為一重要議題。
本揭露提供一種功率點追蹤方法與裝置，可以追蹤能源的輸出功率點。
根據本揭露一實施範例有關功率點追蹤方法包括：一控制器依據一獵能器之開路電壓或輸入電壓取得一第一操作點及一第一特性曲線，該控制器依據該第一操作點、一轉能器特性、一輸出電壓及一期望操作點用以計算一第一責任週期信號，該轉能器接收該第一責任週期信號後進行動作，該控制器依據該輸入電壓、該輸出電壓以及該第一責任週期信號計算一第二操作點，並得出一第二特性曲線；以及該控制器依據該第二特性曲線、該轉能器特性、該輸出電壓及該期望操作點用以計算一第二責任週期信號，傳送至該轉能器進行追蹤控制。
根據本揭露另一實施範例有關的功率點追蹤裝置包括一轉 能器耦接至一控制器；其中該轉能器可以依據該控制器的一責任週期信號而利用轉能器內部電感器進行電力轉換操作，以將獵能器所供應的輸入電壓轉換為輸出電壓給負載。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧獵能器
20‧‧‧負載
310‧‧‧轉能器
320‧‧‧控制器
S410~450、S610~S680‧‧‧步驟
510‧‧‧類比數位轉能器
520‧‧‧處理器
530‧‧‧責任週期產生器
540‧‧‧模型產生器
圖1繪示熱電(Thermoelectric,TE)能源(熱電材料)的輸出電流與輸出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。
圖2繪示光伏電池(Photovoltaic,PV)的輸出電流與輸出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。
圖3是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤裝置的電路方塊示意圖。
圖4是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。
圖5是說明控制器之一電路實施範例。
圖6是依照本發明另一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。
圖7是說明電感器的操作，具備的電流特性曲線示意圖。
圖8是說明圖3所示轉能器操作在不連續電流模式(Discontinuous Current Mode,DCM)與連續電流模式(Continuous Current Mode,CCM)下的計算示意圖。
圖9為依照本發明實施例說明降壓式轉能器的電路示意圖，以及降壓式轉能器操作於不連續電流模式(DCM)之波形時序示意圖。
圖10為依照本發明另一實施例說明升壓式轉能器的電路示意圖，以及升壓式轉能器操作於不連續電流模式(DCM)之波形時序示意圖。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖3是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤裝置的電路方塊示意圖。圖3所示功率點追蹤裝置包括轉能器310以及控制器320。其中該控制器320可為數位控制器，係可包含一個或一個以上的類比數位轉能器，轉能器310可以是同步直流至直流轉能器、非同步直流至直流轉能器或是其他功率轉能器。例如，轉能器310可以是升壓(Boost)轉能器、降壓(Buck)轉能器、升降壓(Buck-Boost)轉能器、反馳式(Flyback)轉能器、SEPIC轉能器、Cúk轉能器或其他使用電感器L進行電力轉換操作的轉能器，轉能器310可以依據控制器320的責任週期信號而利用轉能器310內部 電感器進行電力轉換操作，以將獵能器10所供應的輸入電壓轉換為輸出電壓給負載20。例如，轉能器310可以使用輸出電壓對負載20進行充電，其中負載可為電池，但不限於此。
獵能器10具有最大功率點(Maximum Power Point,MPP)特性。例如，獵能器10係為一燃料電池(Fuel Cell)、一熱電獵能器(Thermoelectric Harvester)、一光獵能器(Photovoltaic Harvester)、壓電獵能器(Piezoelectric Harvester)或有限能源且為直流特性之裝置。控制器320需要透過轉能器310的輸入電流來監測獵能器10的輸出電流，因此，控制器320可以依據獵能器10的輸出電流資訊來追蹤獵能器10的最大功率點，亦即控制器320可以依據轉能器310的輸出電流資訊來控制對負載20的充電操作。
圖4是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。請參照圖3與圖4，於步驟S410中，一控制器依據一獵能器之開路電壓或輸入電壓取得一第一操作點及一第一特性曲線；於步驟S420中，該控制器依據該第一操作點、一轉能器特性、一輸出電壓及一期望操作點用以計算一第一責任週期信號；該轉能器接收該第一責任週期信號後進行動作(步驟S430)，該控制器依據該輸入電壓、該輸出電壓以及該第一責任週期信號計算一第二操作點，並得出一第二特性曲線(步驟S440)；以及該控制器依據該第二特性曲線、該轉能器特性、該輸出電壓及該期望操作點用以計算一第二責任週期信號，傳送至該轉能器進行追蹤控制(步驟S450)。以將獵能器10所供應的輸入電壓EIN轉換為輸出電壓EOUT給負載20。負載20可為電阻性負載、電容性負載或電感性負載。例如，轉能器310可以使用輸出電壓EOUT對負載進行充電。
在無負載的狀況，控制器320會將操作點設定成符合輸出的負載大小需求，使得總能量平衡。故在穩態操作時，操作點乘以轉能器效率後，會與負載大小相同。當有負載的狀況，控制器會同時評估負載最大可接受的能量以及負載大小做為操作點的計算，當電池最大可接受能量加上負載大小的結果大於控制器中之獵能器最大能量，控制器會以設定的最適操作點進行轉能控制，當結果小於獵能器最大能量，在穩態操作時，操作點乘以轉能器效率後，會與負載最大可接受能量及負載的總和相同。
圖5是說明控制器320之一電路實施範例，控制器320更包括類比數位轉能器510、處理器520、責任週期產生器530及模型產生器540，並由模型產生器540提供一特性曲線至處理器。其中控制器320可以採用脈波寬度調變(Pulse Width Modulator,PWM)方式、脈波跳躍調變(Pulse Skip Modulator,PSM)方式、脈波頻率調變(Pulse Frequency Modulator,PFM)方式、Σ-△調變(Sigma-Delta Modulator,SDM)方式或突發調變(Burst Modulator)方式。控制器320與轉能器310可操作於不連續電流模式(Discontinue Current Mode,DCM)或連續電流模式(Continue Current Mode,CCM)下，其中該處理器520係為一特殊應用積體電路(ASIC)、一微處理器(MCU)、一處理器(Processor)、一控制器(Controller)，模型產生器可為獵能器，或有限能源或交流型態經由整流後的獵能器或有限能源，但不限於此。
其中該責任週期產生器530係為一數位式脈波寬度調變產生器，或以一數位類比轉換器(Digital-to-Analog Converter；DAC)與一鋸齒波產生器(Sawtooth Generator)透過一比較器(Comparator)，用以產生該責任週期信號。
圖6為功率追蹤方法之另一實施範例，根據輸入電壓、輸入電流計算輸入功率，確認操作點(步驟S610)；判斷是否進行獵能器建模(步驟S620)；若需進行建模，則建立或修正獵能器特性曲線(步驟S630)；控制器依據操作點、特性曲線、轉能器特性、輸出電壓及期望操作點用以計算責任週期信號(步驟S640)；延遲一段時間，根據輸入電壓及輸入電流計算輸入功率，確認操作點(步驟S650)；判斷是否和期望操作點相同(步驟S660)；若相同，持續持行步驟S650，若否，則回到步驟S630。其中若獵能器無法建模，則記錄該第一操作點(步驟S670)，控制器依據第一操作點調整責任週期信號(步驟S680)，再次回到步驟S610。
圖7是說明圖4所示轉能器310內部電感器L的電流特性曲線示意圖。圖7右部曲線圖中橫軸表示時間T，縱軸表示電感器L的電流值IL。依據算式(1)，控制器320可由電感器L的兩端跨壓VL、電感器L的電感值L及時間T計算出電感器L的電流值IL dI L =(1/ L )ʃ V L dt 算式(1)
圖8是說明圖4所示轉能器310內部電感器L分別操作在不連續電流模式(DCM)與連續電流模式(CCM)下的計算示意圖。圖8上部繪示責任週期信號的波形時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示責任週期信號的振幅。圖7中部繪示操作在不連續電流模式(DCM)下電感器L的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L的電流IL。在不連續電流模式(DCM)下，控制器320可以先由電感器L兩端跨壓VL及電感器L的儲能期間TSE，去計算出在儲能期間TSE中電感器L的電流變化△ISE。接下來再計算出釋能期間TRE。由△ISE、TSE、TRE與責任週期信號的週期TP即可計算得到電 感器L的平均電流IAVG、輸出電流IO及功率的資訊。電感器L的平均電流IAVG、輸出電流IO及/或功率的資訊可以作為所述責任週期信號。藉由所述責任週期信號，控制器320可以進行對輸入電能EIN的功率點追蹤。
圖8下部繪示操作在連續電流模式(CCM)下電感器L的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L的電流IL。在連續電流模式(CCM)下，控制器320可以先由電感器L兩端跨壓VL及電感器L的儲能期間TSE，去計算出在儲能期間TSE中電感器L的電流變化△ISE。接下來再由釋能期間TRE計算出在釋能期間TRE中電感器L的電流變化△IRE即可得到下一個週期TP中電感器L的起始電流I0。在下一個週期TP中，即可由△ISE、△IRE及I0計算出電感器L的平均電流IAVG或是功率。電感器L的平均電流IAVG或是功率的資訊可以作為所述責任週期信號。藉由所述責任週期信號，控制器320可以進行對輸入電能EIN的功率點追蹤。
請參照圖3與圖9，功率開關M1受控於責任週期信號。依據責任週期信號的操作，功率開關M1可以將功率轉換操作分為電感儲能(Store Energy)操作與電感釋能(Release Energy)操作。於儲能期間，功率開關M1為導通，因此輸入電能EIN的電流可以通過功率開關M1而儲能於電感器L與電容C1。於釋能期間，功率開關M1為截止，此時電感器L可以提供電流從二極體D1至電容C1與負載20。
圖9下部繪示責任週期信號的波形時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示責任週期信號的振幅。圖9中部繪示操作在不連續電流模式(DCM)下電感器L的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L的電流IL。當電感器L操作於儲能期間時，控制器320可以計算算式(2)， 以計算電感器L的電壓差VL。於算式(2)中，VIN為輸入電壓EIN的電壓值，VM1為功率開關M1的導通壓降，而VOUT為輸出電壓EOUT的電壓值。
VL=VIN-VM1-VOUT 算式(2)
獲得電感器L的電壓差VL後，控制器320可以計算算式(1)，而獲得電感器L的電流值IL，如算式(3)所示。於算式(3)中，L為電感器L的電感值，而T1與T0分別為時間的上下界。
獲得電流值dIL後，控制器320可以計算算式(4)，而獲得電感器L於儲能期間TSE的電流值ISE。於算式(4)中，I0為電感器L於時間T0時的電流值。由於轉能器310操作於不連續電流模式(DCM)，因此電感器L於時間T0時的起始電流值I0為0。儲能期間TSE為責任週期信號的責任週期(即功率開關M1為導通時間)。
因此，在另一些實施例中，控制器320可以進一步計算算式(5)，而獲得輸入功率Pop。於算式(5)中，Vop、Iop分別為輸入電壓及電流，而求出責任週期信號。
以下將以升壓式(boost)轉能器作為轉能器310的實施範例。例如，圖9為依照本發明另一實施例說明升壓式轉能器(轉能器310)的電路示意圖，以及升壓式轉能器(轉能器310)操作於不連續電流模式(DCM)之波形時序示意圖。
請參照圖3與圖10，功率開關M1受控於責任週期信號。依據責任週期信號的責任週期的操作，功率開關M1可以將功率轉換操作分為電感儲能操作與電感釋能操作。於儲能期間，功率開關M1為導通，因此輸入電能EIN的電流可以儲能於電感器L。於釋能期間，功率開關M1為截止，此時電感器L可以提供電流由二極體D1至電容C1與負載20。
圖10下部繪示責任週期信號的波形時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示責任週期信號的振幅。圖10中部繪示操作在不連續電流模式(DCM)下電感器L的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L的電流IL。當電感器L操作於儲能期間時，控制器320可以計算算式(6)，以計算電感器L的電壓差VL。於算式(6)中，VIN為輸入電能EIN的電壓值，而VM1為功率開關M1的導通壓降。
VL=VIN-VM1 算式(6)
獲得電感器L在儲能期間TSE的電壓差VL後，控制器320可以計算算式(1)，而獲得電感器L的電流值IL，如算式(7)所示。於算式(7)中，L為電感器L的電感值，而T1與T0分別為時間(儲能期間)的上下界。
獲得電流值dIL後，控制器320可以計算算式(8)，而獲得電感器L於儲能期間TSE的電流值ISE。於算式(8)中，I0為電感器L於時間T0時的電流值。由於轉能器410操作於不連續電流模式(DCM)，因此電感器L於時間T0時的起始電流值I0為0。儲能期間TSE為責任週期信號的責任週期(即功率開關M1為導通時間)。
當電感器L操作於釋能期間TRE時，控制器320可以計算算式(9)，以計算電感器L於釋能期間TRE的電壓差VL。於算式(9)中，VOUT為輸出電能VOUT的電壓，VD1為二極體D1的順向壓降，而VIN為輸入電能EIN的電壓值。在一些實施例中，所述二極體D1的順向壓降VD1可以是定值。或經由簡易計算公式而獲得獲得二極體D1的順向壓降VD1的近似值。
VL=VOUT+VD1-VIN 算式(9)
獲得電感器L於釋能期間TRE的電壓差VL後，控制器420可以 計算算式(1)，而獲得電感器L於釋能期間TRE的電流值dIL’與釋能期間TRE，如算式(10)所示。於算式(10)中，T1與T2分別為時間(釋能期間TRE)的上下界。
至此，在另一些實施例中，控制器320可以進一步如計算算式(5)，獲得輸入功率Pop，進而求出責任週期信號。
綜上所述，本揭露實施例的功率點追蹤裝置與方法可以藉由責任週期信號來追蹤獵能器10的輸出功率點。便可以追蹤獵能器10的功率。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (22)

  1. 一種功率點追蹤方法，包括：一控制器取得一獵能器之一電流-電壓關係曲線，該獵能器耦接於該控制器及一轉能器，該轉能器自該獵能器接收一電流與一輸入電壓，並輸出一輸出電壓，該電流-電壓關係曲線係為該獵能器之該電流與該輸入電壓之關係；該控制器以下述方程式，輸入該電流、該輸入電壓、該轉能器之一功率開關之一導通壓降、該輸出電壓及該轉能器之一電感器之一電感值，計算出一責任週期，
    Figure TWI626522B_C0001
    ，其中ISE為該電流，VIN為該輸入電壓，VM1為該轉能器之該功率開關之該導通壓降，VOUT為該輸出電壓、TSE為該責任週期，L為該轉能器之該電感器之該電感值；該轉能器接收該責任週期後進行動作一段時間；該控制器以上述方程式，輸入該責任週期、該轉能器之該功率開關之該導通壓降、該輸出電壓及該轉能器之該電感器之該電感值，得出該電流與該輸入電壓之關係，以更新該電流-電壓關係曲線；以及該控制器依據更新之該電流-電壓關係曲線，追蹤該獵能器之功率點。
  2. 如請求項1所述之功率點追蹤方法，其中該轉能器係為一直流至直流轉能器。
  3. 如請求項2所述之功率點追蹤方法，其中該轉能器係包括一同步直流至直流轉能器、一非同步直流至直流轉能器。
  4. 如請求項2所述之功率點追蹤方法，其中該轉能器係包括一升壓轉能器、一降壓轉能器、一升降壓轉能器、一反馳式轉能器、一SEPIC轉能器或一Cúk轉能器。
  5. 如請求項1所述之功率點追蹤方法，其中該控制器更包含一類比數位轉能器、一處理器、一責任週期產生器以及一模型產生器。
  6. 如請求項5所述之功率點追蹤方法，其中該控制器為一數位控制器。
  7. 如請求項6所述之功率點追蹤方法，其中該數位控制器係包含一個或一個以上的類比數位轉能器。
  8. 如請求項5所述之功率點追蹤方法，其中該處理器係為一特殊應用積體電路(ASIC)、一微處理器(MCU)、一處理器(Processor)、一控制器(Controller)。
  9. 如請求項5所述之功率點追蹤方法，其中該模型產生器係提供該電流-電壓關係曲線至該處理器。
  10. 如請求項9所述之功率點追蹤方法，其中該模型產生器係為有限能源、以及交流型態經由整流後的獵能器有限能源。
  11. 如請求項1所述之功率點追蹤方法，其中該控制器與該轉能器係操作於不連續電流模式或連續電流模式。
  12. 一種功率點追蹤裝置，包括一轉能器；以及一控制器耦接至該轉能器及一獵能器，該控制器取得該獵能器之一電流-電壓關係曲線，該獵能器耦接於該控制器及一轉能器，該轉能器自該獵能器接收一電流與一輸入電壓，並輸出一輸出電壓，該電流-電壓關係曲線係為該獵能器之該電流與該輸入電壓之關係；該控制器以下述方程式，輸入該電流、該輸入電壓、該轉能器之一功率開關之一導通壓降、該輸出電壓及該轉能器之一電感器之一電感值，計算出一責任週期，
    Figure TWI626522B_C0002
    ，其中ISE為該電流，VIN為該輸入電壓，VM1為該轉能器之該功率開關之該導通壓降，VOUT為該輸出電壓、TSE為該責任週期，L為該轉能器之該電感器之該電感值；該轉能器接收該責任週期後進行動作一段時間；該控制器以上述方程式，輸入該責任週期、該轉能器之該功率開關之該導通壓降、該輸出電壓及該轉能器之該電感器之該電感值，得出該電流與該輸入電壓之關係，以更新該電流-電壓關係曲線；該控制器依據更新之該電流-電壓關係曲線，追蹤該獵能器之功率點。
  13. 如請求項12所述之功率點追蹤裝置，其中該控制器更包含一類比數位轉能器、一處理器、一責任週期產生器以及一模型產生器。
  14. 如請求項12所述之功率點追蹤裝置，其中該控制器為一數位控制器。
  15. 如請求項14所述之功率點追蹤裝置，其中該數位控制器係包含一個或一個以上的類比數位轉能器。
  16. 如請求項12所述之功率點追蹤裝置，其中該轉能器為直流對直流轉能器。
  17. 如請求項16所述之功率點追蹤裝置，其中該轉能器係包括一同步直流至直流轉能器、一非同步直流至直流轉能器。
  18. 如請求項17所述之功率點追蹤裝置，其中該轉能器包括一升壓轉能器、一降壓轉能器、一升降壓轉能器、一反馳式轉能器、一SEPIC轉能器或一Cúk轉能器。
  19. 如請求項13所述之功率點追蹤裝置，其中該處理器係為一特殊應用積體電路(ASIC)、一微處理器(MCU)、一處理器(Processor)、一控制器(Controller)。
  20. 如請求項13所述之功率點追蹤裝置，其中該責任週期產生器係為一數位式脈波寬度調變產生器，用以產生該責任週期。
  21. 如請求項13所述之功率點追蹤裝置，其中該責任週期產生器係以一數位類比轉換器(Digital-to-Analog Converter；DAC)與一鋸齒波產生器(Sawtooth Generator)透過一比較器(Comparator)，用以產生該責任週期。
  22. 如請求項12所述之功率點追蹤裝置，其中該獵能器係為一燃料電池(Fuel Cell)、一熱電獵能器(Thermoelectric Harvester)、一光獵能器(Photovoltaic Harvester)、壓電獵能器(Piezoelectric Harvester)或有限能源且為直流特性之裝置。
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