背景介紹

隨著社會的發展，可再生能源的應用越來越受青睞。其中太陽能作為一種清潔、安全、綠色的可再生能源，被認為是世界上較有發展前景的新能源技術之一。傳統的路燈采用高壓市電供電，必須鋪設大量的電纜，并挖掘大量的電纜溝。這勢必增加整個系統的安裝成本與維護成本。而太陽能路燈不用鋪設復雜的線路，只需要一個安裝基座即可，節省了安裝成本，并且太陽能路燈以免費的太陽能作為能源，綠色環保，無需支付電費。因此太陽能路燈在城市道路、工業園區、綠化帶、廣場等場所的照明中將帶來明顯的可利用優勢。

由于太陽能光伏(Photovoltaic，簡稱PV)面板轉換效率較低，一般為18%左右，因此太陽能是一種寶貴的資源。為了充分利用太陽能，需要使用一種高轉換效率的太陽能控制器來對太陽能進行跟蹤，以較大限度地將太陽能轉換為電能。利用控制方法實現光伏面板的較大功率輸出運行的技術被稱為較大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術。目前使用的太陽能路燈控制器大多采用串聯式PWM脈寬調制方式，對太陽能的利用率為60%左右，大大浪費了寶貴的太陽能。而采用MPPT技術能夠顯著提高太陽能的利用率，因此采用MPPT技術實現的太陽能路燈控制器具有廣泛的市場前景。

系統結構

MPT612是NXP推出的首個針對太陽能光伏電池的應用提供較大功率點跟蹤的低功耗集成電路。基于MPT612的太陽能路燈控制器轉換效率高達98%以上，大幅度提高了太陽能的利用率。它具有光伏應用中PV面板所需的硬件功能，包括電壓和電流測量與面板參數配置，這大大簡化了軟硬件設計和提高了開發速度。

太陽能路燈系統的結構框圖如（圖1）所示。從圖中可以看出，路燈控制器是整個系統的心臟。控制器的優劣決定了整個系統的性能。

基于MPT612的太陽能路燈控制器系統框圖如（圖2）所示。控制器采用Buck與Buck-Boost兩種拓撲結構。這兩種拓撲結構的選擇根據輸入輸出電壓的關系以及效率來確定。當PV板的電壓大于電池電壓時，采用高效率的Buck拓撲結構，此時轉換效率高達98%；當PV板的電壓小于電池電壓時，采用能夠實現升降壓的Buck-Boost拓撲結構，但此時電路的效率會稍微下降，較高轉換效率可達93%。MPT612通過控制PWM開關的占空比來實現PV輸入電壓的擾動，然后檢測PV的電壓與電流來確定下一步擾動方向，從而使PV電壓保持在較大功率點附近，實現有效的較大功率點跟蹤。在實現MPPT的同時，通過監測電池的電壓與電流實現科學的電池充電管理。另外，它還可以通過負載控制電路對負載進行有效管理。

MPPT介紹

MPPT控制的意義

太陽能轉換成電能的成本是比較昂貴的，1W光伏面板的成本為12元左右，因此PV面板轉換出來的電能是寶貴的。采用傳統方式對其利用率不高，浪費了大量的能量。采用MPPT算法實現的太陽能控制器能夠將太陽能利用率顯著提高，而其增加的硬件成本卻遠低于浪費的PV面板成本，因此MPPT控制的意義是很明顯的。

MPPT控制的概念



（圖3）72串280W PV面板I-V特性與P-V特性曲線

上圖3為72串280W PV面板的I-V特性與P-V特性曲線。從圖中可以看出，它具有強烈的非線性，既非恒壓源也非恒流源。同時從其P-V特性曲線可以看出，在日照強度一定的前提下，其輸出功率近似于一個開口向下的拋物線。該拋物線頂點對應的功率即為該日照強度下的PV面板的較大功率點，對應的電壓稱為較大功率點電壓。為了提高太陽能轉化效率，就必須使系統保持運行在PV面板較大功率點附近。

較大功率點的跟蹤控制本質上是一個自尋優過程，即通過測量電流、電壓和功率，判定出當前工作點與峰值點的位置關系，并調節工作點電壓（或電流），使其向峰值功率點靠攏，從而使光伏系統運作在峰值功率點附近。

MPT612算法實現原理

常用的MPPT算法有恒壓法、擾動觀察法、電導增量法等。它們的工作原理及優缺點如下表所示。

方式

恒壓法

擾動觀察法

電導增量法

工作原理

斷開PV陣列的負載并測量開路電壓，
然后把工作電壓設至開路電壓的76%

擾動PV陣列工作點的電壓，
并監控功率的增量來定位MPP

擾動PV陣列工作點的電壓，
并監控工作點處電導與電導變化率之間的關系來定位MPP

優點

實現簡單，復雜度低

硬件成本低，實現算法容易

誤判率低，跟蹤精度高

缺點

功率浪費嚴重；跟蹤精度低，不能適應環境的改變

不能判定何時達到MPP，因此會存在震蕩

硬件要求高，算法實現復雜

由于恒壓法精度低，而電導增量法硬件要求高，因此MPT612采用了擾動觀察法。傳統的擾動觀察法容易產生振蕩與誤判，MPT612在傳統的擾動觀察法上加入了一些改進機制，從而有效改善了誤判與振蕩的發生。其在兩個MPPT采樣周期中間加入了一個新的采樣點，通過這個新采樣點判斷當前工作點是否處于較大功率點，從而防止較大功率點附近的振蕩，提高了能量利用率。另外，通過該新加入的采樣點，可以判斷出其I-V變化趨勢，從而避免外界環境變化（如太陽輻照度、溫度變化）而產生的誤判現象。當PV面板部分陰影時，其P-U曲線將出現多個局部較大功率點。MPT612加入了局部較大功率點處理機制，防止了局部較大功率點引起的誤判。

方案優勢

l傳統的太陽能路燈控制器采用串聯式PWM脈寬調制方式。該方式的原理是通過調整電路中MOS管的占空比來調節充電電流的大小。該方式的優點是電路簡單，成本低，但是它存在一些無法克服的缺點：

PV面板電壓必須大于電池電壓才能對電池進行充電；

PV面板電壓必須接近電池電壓，否則太陽能利用率將會顯著降低；

由于采用串聯PWM控制方式，PV面板通過雙MOS管直接連接到電池，因此充電紋波電流很大，電池壽命受到影響；

當太陽輻照變化劇烈時，太陽能利用率很低。

NXP的MPT612 是首個針對使用太陽能光伏(Photovoltaic，簡稱 PV)電池應用提供較大功率點跟蹤的低功耗集成電路。為進一步簡化開發和較大限度提升系統的執行效率，MPT612提供了NXP正在申請專利的MPPT算法、易于使用的API 接口函數和針對特定應用的軟件庫。采用MPT612芯片構成的太陽能控制系統，轉換效率可以高達98%以上，對太陽能的利用率大幅度提升。基于MPT612的太陽能路燈控制系統的優點為： l

PV面板輸入電壓范圍廣，既可以大于電池電壓也可以小于電池電壓；

太陽能的利用率大幅度提高，較大轉換效率高達98%以上；

功能添加靈活，MPT612基于ARM7TDMI-S內核，MPPT算法采用軟件庫的形式發布，用戶可以根據自己的需要添加新的功能；

科學的電池管理方式，充電曲線中可包含：Boost快速充電、Absorption補充充電、Float恒壓浮充、Equalization均衡充電；

外設豐富，便于擴展功能，具有UART、I2C、SPI、RTC、定時器、ADC等外設；

開發容易，通過API函數即可調用軟件庫中的MPPT算法，用戶無需關心算法的實現。

功能特點

轉換效率高，較高可達98%；

支持所有類型的PV面板，如單晶硅、多晶硅、非晶硅等；

PV面板輸入電壓范圍廣：9~25V或18~50V；

支持所有類型的蓄電池，如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池等；

支持各種電壓型號的電池，如12V、24V、36V、48V等；

科學的電池充電管理方式，可配置為兩階段充電法、三階段充電法、四階段充電法；

豐富的負載工作模式：如時控、純光控、光控+時控、手動、調試模式、長開模式；

良好的電路保護功能，包括PV反接保護、PV過流保護、電池反接保護、電池過壓保護、電池過放保護、負載過流保護、負載短路保護等；

支持市電互補切換功能；

支持串行通信功能。

市場應用

面對能源日益緊張的問題，可再生能源的開發和使用將成為一種必然。隨著太陽能應用的快速發展，太陽能路燈的使用將會越來越廣，市場越來越大。基于MPT612的太陽能路燈控制器可以應用于太陽能路燈、太陽能庭院燈、太陽能草坪燈、太陽能交通燈、太陽能充電機等場合。控制器的轉換效率、可靠性與穩定性是衡量其性能的重要指標。高達98%的轉換效率、單芯片、高可靠性使MPT612成為太陽能路燈控制器的理想選擇。

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