基于MPPT 方法的微能源光伏系統設計

周濤，尹亞江

（1.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192；2.清華大學精密儀器系，北京 100084）

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由散布在監測區域內的大量的廉價微型傳感器節點組成。無線傳感網絡節點具有傳感、處理和通信功能。這些無線傳感器節點能部署在野外惡劣、危險或人類不宜到達的區域，目前已被廣泛應用于軍事工業監控、安全監控、智能交通、環境與生態監測等領域[1]。對無線傳感器實現物聯網（ⅠoT）的未來預測顯示，2018—2023 年間，無線傳感器的需求將增加2 倍，這導致大約500 億無線傳感器對電源的需求顯著增加[2]。所以，能源供給成為限制無線傳感網絡發展的瓶頸。

一個無線傳感器網絡節點一般由4 個部分組成：供能模塊、傳感模塊、處理模塊、無線通信模塊[3]。供能模塊是傳感器節點非常重要的部分，需給其他3 個部分供電，保證其正常運作。然而，無線傳感節點往往處在人難以接觸的環境中，當電池能量耗盡時，無法更換電池。在無線傳感網絡節點的組成單元中，通信單元的耗能遠高于感知和計算單元[4]。其在休眠期時，節點功耗是微瓦級，但是在數據收發時功率可達幾十毫瓦。由于收集到的能量很小，能量收集器不能直接為負載供電，因此，能量收集與存儲是研究自供電系統的關鍵所在[5-6]。

能量收集主要分為兩方面，一方面是能量收集技術，另一方面是能量管理。針對能量收集技術，國內外進行了相關研究。馬航[7]選擇變步長電流觀測法作為最大功率點跟蹤算法，提高了太陽能利用率。韓蕾等[8]基于開路電壓法提出一種可以根據光照強度變化而自適應調整工作性能的跟蹤器，從而進一步提高太陽能電池的能量轉移效率。KⅠM 等[9]基于具有快速跟蹤時間的爬山算法，設計了一種用于無線傳感器網絡的800 μW 光伏電池高效光伏能量采集器。ALⅠPPⅠ等[10]提出了一種基于太陽能的專為無線傳感器節點設計的自適應數字控制MPPT 電路。BRUNELLⅠ等[11]基于分數開路電壓法提出了一種適用于低功耗和環保嵌入式系統的光伏收獲機，不需要任何數字控制器，降低了成本，縮小了組件尺寸。CHEN 等[12]通過脈沖頻率調制調節器開關模塊，通過約束控制電路實現最大功率點跟蹤，實驗結果表明，該系統可以實現較高轉換率，最大化地減少系統的休眠時間。KⅠM 等[13]在MPPT 電路中利用逐次逼近并進行反饋的方法，來平衡解決1 mW 級低功耗光伏供電電路中的瞬間響應和穩態震蕩的問題。

盡管國內外學者做了很多研究，但系統尺寸、收集效率和MPPT 電路性能之間的矛盾仍然存在。本文重點研究了用于無線傳感器網絡節點的自供電式太陽能收集電路，具體從微型光伏電源系統的4 個部分講述，分別為MPPT 控制模塊、輸入模塊、儲能模塊、輸出穩壓模塊，最后進行結果測試。

1 系統總體設計

微型光伏電源系統主要包括4 個部分，即MPPT控制電路、輸入模塊、儲能模塊、輸出穩壓模塊。系統總體結構圖如圖1 所示。

圖1 微型光伏電源系統結構圖

1.1 MPPT 的工作原理

基于matlab/simulink搭建了光伏電池的數學模型，仿真得到單晶硅光伏電池在變化光照強度和變化溫度下輸出特性曲線。輸出特性曲線如圖2—圖5 所示。

圖2 變化光照條件下U-I 特性曲線

圖4 變化溫度條件下U-I 特性曲線

圖5 變化溫度條件下U-P 特性曲線

對單晶硅光伏電池來說，存在最大功率點，對應特定的Vmpp和Impp，最大功率點受光照強度變化而變化。常用的MPPT 算法包括固定電壓法[14]、電導增量法[15]、擾動觀察法[16]、爬山法[17]及神經網絡算法[18]等。這些算法基本上與跟蹤最大功率點的算法相同，在此期間執行迭代擾動和觀察，直到實現最大功率點。另一種成熟的方法稱為增量電導法，基于光伏電池功率曲線的斜率在最大功率點處為0。在這些方法中，需要進行電壓測量和電流測量。與上述幾種方法相比，分數開路電壓（VOC）方法是一種簡單的方法，其既不需要復雜的電流測量，也不需要功耗大的MCU 進行控制，因此MPPT 電路本身消耗的功率較低。這種方法主要采用光伏電池板的VMPP和VOC之間的線性關系，如下式所示。

式中：kFOC為從測試數據中提取出的，近似為一個常數值。

1.2 MPPT 控制電路設計

因為收集的光伏能量是毫瓦級，要實現低功耗，必須保證MPPT 控制電路功耗較低，所以選擇了LTV3691 毫微功耗比較器。由于最大功率點的電壓與光伏電池的開路電壓近似線性關系，為了更加精確地跟蹤最大功率點，選用了2 塊尺寸大小為30 mm×40 mm、材質都是單晶硅的光伏電池片。其中一塊作為參考電池片，提供參考電壓。根據如下公式可以設置遲滯窗口大小。

MPPT 控制電路圖如圖6 所示。

圖6 MPPT 控制電路圖

1.3 輸入模塊設計

作為系統輸入模塊，應該盡量保證收集更多的能量，通過MPPT 控制電路對LTC3632 進行控制，從而保證輸入電壓穩定在最大功率點時電壓值，實現最大功率收集。輸入模塊電路圖如圖7 所示。

圖7 輸入模塊電路圖

1.4 儲能模塊設計

收集到的光伏能量為幾十毫瓦，對于無線傳感節點而言，在發射數據時，峰值功率會達到100 mW 以上。因此，需要儲能模塊在能量不足時儲存能量，以供負載正常運行。儲能模塊包括鋰電池、升壓芯片LTC3401、超級電容。首先，光照充足時，收集的能量給鋰電池和超級電容共同充電。當光照不足時，超級電容立刻釋放電量，然后鋰電池通過升壓芯片LTC3401 給超級電容充電。當超級電容和鋰電池兩端電壓相等時，鋰電池不再進行放電。這樣可以防止鋰電池過度放電，有利于延長鋰電池的壽命。儲能模塊電路圖如圖8 所示。

圖8 儲能模塊電路圖

1.5 輸出穩壓模塊設計

為了保證負載能夠穩定正常地工作，需要輸出模塊進行穩壓處理，保證輸出的電壓為3.3 V。選用了LTC3388 毫微功耗升降壓芯片，具有多種輸出電壓取值，這里選擇3.3 V 輸出。輸出穩壓電路圖如圖9 所示。

圖9 輸出穩壓電路圖

2 實驗結果

對太陽能收集電路效率進行測試，測試方案如圖10 所示。用直流穩壓電源代替太陽能電池，用電位器作為負載。直流電源的電壓設為4.8 V，設定最大輸入電流在1～20 mA 之間變化，調節電位器的阻值使得輸出電壓正好略低于能量收集電路的設計輸出電壓。測量能量收集電路的輸入電流和輸入電壓，從而可以得出輸入功率Pin=Vin×Iin。測量電位器兩端的電壓，從而得出輸出功率Pout=Vout2/R。最終可以計算出在不同輸出功率下能量收集電路的效率。測試結果如圖11 所示。在輸出功率為4.8～100.0 mW 的范圍內，太陽能收集電路的效率都可以達到88%以上。在一般光照條件下，本研究中太陽能電池的輸出功率水平都在此范圍內，因而可以實現較高的收集效率。

圖10 太陽能收集電路效率測試方案

圖11 太陽能收集電路的效率

搭建模擬光源，選用飛利浦LED 投光燈QVF135，負載為溫濕度傳感節點，使用臺灣泰仕TES-1333 太陽能功率表輻照儀光強度檢測儀光功率計。在光照強度為1 000 W/m2以及溫度為25 ℃的條件下，測得光伏電池輸出電壓VF，如圖12 所示。超級電容和穩壓輸出電壓分別為Vcap和Vout，如圖13、圖14 所示。可以看出在光照強度充足條件下，光伏電池輸入電壓穩定在4.75 V 左右，也就是穩定在最大功率點時的電壓，保證收集最大功率。超級電容可以被充至4.2 V，確保能夠將超級電容充滿。輸出穩壓在3.3 V，滿足負載正常工作時的電壓。

圖12 光伏電池輸出電壓

圖13 超級電容兩端電壓

圖14 穩壓輸出電壓

3 結束語

基于matlab/simulink 仿真，得出光伏電池片最大功率點電壓與開路電壓的關系，從而得出比例系數。采用開路電壓法設計了MPPT 控制電路，可以根據光照強弱，保證光伏電池輸出電壓穩定在最大功率點電壓附近。通過測試，基于MPPT 控制的光伏電源系統收集效率在88%以上。選用毫微功耗芯片，實現了低功耗，進一步提高能量收集效率。整個系統的尺寸為5.4 cm×3.3 cm，實現了能量收集設備朝著小型化方向發展。儲能模塊電路可以有效保護鋰電池過度放電，為無線傳感器網絡提供一種簡單、高效的能量收集方法。同時，可以有效應用在國防安全、智慧農業、工業4.0、智能家居等領域。