【方案资讯】二十一、NXP太阳能路灯控制器解决方案

混森蓝兽 · 发表于 2016-9-25 06:35:55

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背景介绍

随着社会的发展，可再生能源的应用越来越受青睐。其中太阳能作为一种清洁、安全、绿色的可再生能源，被认为是世界上最有发展前景的新能源技术之一。传统的路灯采用高压市电供电，必须铺设大量的电缆，并挖掘大量的电缆沟。这势必增加整个系统的安装成本与维护成本。而太阳能路灯不用铺设复杂的线路，只需要一个安装基座即可，节省了安装成本，并且太阳能路灯以免费的太阳能作为能源，绿色环保，无需支付电费。因此太阳能路灯在城市道路、工业园区、绿化带、广场等场所的照明中将带来明显的可利用优势。

由于太阳能光伏(Photovoltaic，简称PV)面板转换效率较低，一般为18%左右，因此太阳能是一种宝贵的资源。为了充分利用太阳能，需要使用一种高转换效率的太阳能控制器来对太阳能进行跟踪，以最大限度地将太阳能转换为电能。利用控制方法实现光伏面板的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术。目前使用的太阳能路灯控制器大多采用串联式PWM脉宽调制方式，对太阳能的利用率为60%左右，大大浪费了宝贵的太阳能。而采用MPPT技术能够显著提高太阳能的利用率，因此采用MPPT技术实现的太阳能路灯控制器具有广泛的市场前景。

系统结构

MPT612是NXP推出的首个针对太阳能光伏电池的应用提供最大功率点跟踪的低功耗集成电路。基于MPT612的太阳能路灯控制器转换效率高达98%以上，大幅度提高了太阳能的利用率。它具有光伏应用中PV面板所需的硬件功能，包括电压和电流测量与面板参数配置，这大大简化了软硬件设计和提高了开发速度。

太阳能路灯系统的结构框图如（图1）所示。从图中可以看出，路灯控制器是整个系统的心脏。控制器的优劣决定了整个系统的性能。

基于MPT612的太阳能路灯控制器系统框图如（图2）所示。控制器采用Buck与Buck-Boost两种拓扑结构。这两种拓扑结构的选择根据输入输出电压的关系以及效率来确定。当PV板的电压大于电池电压时，采用高效率的Buck拓扑结构，此时转换效率高达98%；当PV板的电压小于电池电压时，采用能够实现升降压的Buck-Boost拓扑结构，但此时电路的效率会稍微下降，最高转换效率可达93%。MPT612通过控制PWM开关的占空比来实现PV输入电压的扰动，然后检测PV的电压与电流来确定下一步扰动方向，从而使PV电压保持在最大功率点附近，实现有效的最大功率点跟踪。在实现MPPT的同时，通过监测电池的电压与电流实现科学的电池充电管理。另外，它还可以通过负载控制电路对负载进行有效管理。

MPPT介绍

MPPT控制的意义

太阳能转换成电能的成本是比较昂贵的，1W光伏面板的成本为12元左右，因此PV面板转换出来的电能是宝贵的。采用传统方式对其利用率不高，浪费了大量的能量。采用MPPT算法实现的太阳能控制器能够将太阳能利用率显著提高，而其增加的硬件成本却远低于浪费的PV面板成本，因此MPPT控制的意义是很明显的。

上图3为72串280W PV面板的I-V特性与P-V特性曲线。从图中可以看出，它具有强烈的非线性，既非恒压源也非恒流源。同时从其P-V特性曲线可以看出，在日照强度一定的前提下，其输出功率近似于一个开口向下的抛物线。该抛物线顶点对应的功率即为该日照强度下的PV面板的最大功率点，对应的电压称为最大功率点电压。为了提高太阳能转化效率，就必须使系统保持运行在PV面板最大功率点附近。

最大功率点的跟踪控制本质上是一个自寻优过程，即通过测量电流、电压和功率，判定出当前工作点与峰值点的位置关系，并调节工作点电压（或电流），使其向峰值功率点靠拢，从而使光伏系统运作在峰值功率点附近

MPT612算法实现原理

常用的MPPT算法有恒压法、扰动观察法、电导增量法等。它们的工作原理及优缺点如下表所示。

由于恒压法精度低，而电导增量法硬件要求高，因此MPT612采用了扰动观察法。传统的扰动观察法容易产生振荡与误判，MPT612在传统的扰动观察法上加入了一些改进机制，从而有效改善了误判与振荡的发生。其在两个MPPT采样周期中间加入了一个新的采样点，通过这个新采样点判断当前工作点是否处于最大功率点，从而防止最大功率点附近的振荡，提高了能量利用率。另外，通过该新加入的采样点，可以判断出其I-V变化趋势，从而避免外界环境变化（如太阳辐照度、温度变化）而产生的误判现象。当PV面板部分阴影时，其P-U曲线将出现多个局部最大功率点。MPT612加入了局部最大功率点处理机制，防止了局部最大功率点引起的误判。

方案优势

l传统的太阳能路灯控制器采用串联式PWM脉宽调制方式。该方式的原理是通过调整电路中MOS管的占空比来调节充电电流的大小。该方式的优点是电路简单，成本低，但是它存在一些无法克服的缺点：

PV面板电压必须大于电池电压才能对电池进行充电；

PV面板电压必须接近电池电压，否则太阳能利用率将会显著降低；

由于采用串联PWM控制方式，PV面板通过双MOS管直接连接到电池，因此充电纹波电流很大，电池寿命受到影响；

当太阳辐照变化剧烈时，太阳能利用率很低。

NXP的MPT612 是首个针对使用太阳能光伏(Photovoltaic，简称 PV)电池应用提供最大功率点跟踪的低功耗集成电路。为进一步简化开发和最大限度提升系统的执行效率，MPT612提供了NXP正在申请专利的MPPT算法、易于使用的API 接口函数和针对特定应用的软件库。采用MPT612芯片构成的太阳能控制系统，转换效率可以高达98%以上，对太阳能的利用率大幅度提升。基于MPT612的太阳能路灯控制系统的优点为： l

PV面板输入电压范围广，既可以大于电池电压也可以小于电池电压；

太阳能的利用率大幅度提高，最大转换效率高达98%以上；

功能添加灵活，MPT612基于ARM7TDMI-S内核，MPPT算法采用软件库的形式发布，用户可以根据自己的需要添加新的功能；

科学的电池管理方式，充电曲线中可包含：Boost快速充电、Absorption补充充电、Float恒压浮充、Equalization均衡充电；

外设丰富，便于扩展功能，具有UART、I2C、SPI、RTC、定时器、ADC等外设；

开发容易，通过API函数即可调用软件库中的MPPT算法，用户无需关心算法的实现。

功能特点

转换效率高，最高可达98%；

支持所有类型的PV面板，如单晶硅、多晶硅、非晶硅等；

PV面板输入电压范围广：9~25V或18~50V；

支持所有类型的蓄电池，如铅酸电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池等；

支持各种电压型号的电池，如12V、24V、36V、48V等；

科学的电池充电管理方式，可配置为两阶段充电法、三阶段充电法、四阶段充电法；

丰富的负载工作模式：如时控、纯光控、光控+时控、手动、调试模式、长开模式；

良好的电路保护功能，包括PV反接保护、PV过流保护、电池反接保护、电池过压保护、电池过放保护、负载过流保护、负载短路保护等；

支持市电互补切换功能；

支持串行通信功能。

市场应用

面对能源日益紧张的问题，可再生能源的开发和使用将成为一种必然。随着太阳能应用的快速发展，太阳能路灯的使用将会越来越广，市场越来越大。基于MPT612的太阳能路灯控制器可以应用于太阳能路灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能交通灯、太阳能充电机等场合。控制器的转换效率、可靠性与稳定性是衡量其性能的重要指标。高达98%的转换效率、单芯片、高可靠性使MPT612成为太阳能路灯控制器的理想选择。

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