升降壓電池充電器內建MPPT太陽能系統兼顧效率與成本

太陽能是綠色能源，而且是免費的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會導致太陽能電池板的最佳功率提供點偏移，此外，設備老化、局部光照被遮擋、日落、被動物糞便污染等，都可能妨礙太陽能電池板的性能。基于這些可靠性和可變性問題，幾乎所有太陽能供電設備都采用可再充電電池，以提供備分電源；過去一度僅使用鉛酸電池，現在所用電池種類已經擴大到包括鋰電池了。

太陽能供電應用之所以配備再充電系統，是為了盡可能汲取更多的太陽能，以迅速為電池充電并保持電池的電荷狀態。此外，當太陽能電池板得到的光照很少或沒有光照時，電池漏電大小就至關重要，無論何時只要可能，就應該減到最少。

顯然，太陽能供電應用正處于成長階段。現在有各種不同尺寸的太陽能電池板可為各種各樣的創新應用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實機、海上浮標燈等；有些太陽能供電應用采用的電池是深度循環類電池，能承受很多個反復充電周期以及深度放電，這類電池常見于“離網”（即與電力公司電網斷開）可再生能源系統，例如太陽能或風能發電系統。就離網系統而言，系統運行時間非常重要，因為這類系統并不易靠近。

太陽能電池板基礎知識

就一定量的光能和工作條件而言，太陽能電池板在某一特定輸出電壓上產生峰值輸出功率。圖1所示為由七十二節電池組成的太陽能電池板，在電池板溫度為60°C時的特性。虛線代表電池板的I-V曲線，X軸表示電池板電壓。實線表示當電池板電壓從0V變化到電池板開路電壓時電池板產生的輸出功率；電池電壓變化是用簡單的負載箱實現的。

圖1在不存在局部光照被遮擋的情況下，給定太陽能電池板的簡單功率曲線。

就此處所述這一特定情況而言，最大功率點在32V，該電池板可提供140W功率。如果允許電池板溫度變化，在真實情況中這當然是允許的，那么最大功率點可能在大熱天的28V到寒冷冬天的44V之間變化。

很多較簡單的太陽能充電系統會將電池板電壓工作點設定為固定值；在上述特定電池板情況下，這類較簡單的系統會將電池板工作點設定到32V，以在給定溫度時汲取最大功率，而這個例子的溫度為60°C。不過，當電池板溫度變化時，會浪費大量功率，因為電池板不在真正的最大功率點上工作了。在這類情況下，可能會浪費20-30%以上的可用功率。

使情況變得更糟的是，按照已實行的安全標準，大多數電池板必須在太陽能電池數組中裝上旁路二極管；這么做的原因，是當部分電池板被遮住而得不到太陽光照射，而其他部分得到充足陽光照射時，太陽能電池板會有一些特殊情況發生。

這時，被遮住的太陽能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過，因為其他得到充足光照的電池正在提供電流，被遮住的電池溫度可能上升，這有可能造成火災。為了幫助降低火災風險，制造商在電池板各處都放置了旁路二極管。圖2顯示在上述七十二節電池的太陽能電池板上，旁路二極管是怎樣放置的。

圖2出于安全考慮，七十二節電池的太陽能電池板上放置了三個旁路二極管。

由于電池板中存在旁路二極管，當部分電池板被遮擋時，就可能出現復雜的功率電壓特性。圖3顯示了這種情況，其中出現了兩個局部最大功率點，一個在21V電壓處，另一個在37V電壓處。如果采用前述簡單的32V功率點設定方法，那么可獲得79.4W功率，而不是在真正最大功率點21V上可獲得的90.1W；這表明在這種情況下損失了13.5%的功率。顯然可跟蹤真正最大功率點并在其上工作的系統會有卓越功率表現。

圖3當太陽能電池板被部分遮擋時，會產生較復雜的功率曲線。

太陽能供電可再充電電池系統設計挑戰

太陽能電池板的典型效率約在5-15%之間。考慮到較大型（即更強大）的電池板成本更高，所以太陽能供電設計必須最大限度提高效率，以最大限度降低系統總體成本。

太陽能供電產品要有效收集太陽能，其設計必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時還能夠使太陽能電池板在最大功率點或其附近工作。并且，該設計必須能夠為該產品選擇安全的化學組成電池充電。

在太陽能充電系統中，還會遇到其他設計問題嗎？就任意給定太陽能供電系統而言，固件開發和調試可能需要大量時間，如果太陽能電池板的最佳功率提供點可以低于、等于或高于電池電壓（這是非常常見的情況），那么會需要更加復雜的升降壓拓撲。

升降壓拓撲允許真正的雙向隔離（相較于降壓型拓撲，如果電池板沒得到光照，那么它可能透過NMOS的體二極管和電感器耗盡電池電量）。為保護電池，須要恰當的電壓終止。最后，既然電池板不是可靠的電源，那么就需要電池原地充電（充電器給電池饋電，且負載連接到電池），在這種情況下，電池既是電源，又做為緩沖器使用。