太陽光電能最大功率追蹤器與充電器整合電路研製 implementation...

太陽光電能最大功率追蹤器與充電器整合電路研製 Implementation of Photovoltaic Solar Array

Maximum Power Point Tracker and Charger Integrated Circuits 李坤彥牛仁漢黃裕欽

Kung-Yen Lee Jen-Han Niu Yu-Cin Huang

國立中正大學精緻電能應用研究中心 Elegant Power Application Research Center (EPARC)

National Chung Cheng University E-mail:[email protected]

Tel:05-2428292;Fax:05-2720862

摘要

由於石化能源的短缺以及環保意識的抬頭，因此太陽能源

的開發日益受到重視。而為了更有效運用太陽能及提升系統效

率，選擇適當的充電方式以及最大功率追蹤方法即為一重要的

課題。本文針對不同之最大功率追蹤法，製作兩套不同控制方

式實現之太陽能升壓型充電電路，此充電電路包含：最大功率

追蹤器、定電壓充電器以及充電判斷電路。本文可分為三部

份，首先第一部份針對各種不同之最大功率追蹤法做一介紹，

並介紹本文所使用之電流偵測法與漣波偵測法。第二部份則介

紹各種不同的充電法則，並簡述本文所使用之充電方式。最

後，第三部份則針對硬體實作電路之波形做一解說並比較兩種

不同最大功率追蹤法在實作電路上之優缺點。

關鍵詞︰太陽光電能、最大功率追蹤、定電壓充電。

Abstract

Due to the shortage of fossil fuels and concern of environ-mental conservation, development of a solar power generation systems has been brought to our attention. In order to make the photovoltaic (PV) module and system efficiency better, choosing a suitable charger and a maximum power point tracker (MPPT) is very important. The main objective of this paper is to implement two PV boost charger circuits that use two MPPT methods. This paper can divide into three parts. First, the theoretical background of different MPPT methods including Ripple correlation control (RCC) and current sensing method used in this paper is intro-duced. The second part is to introduce different charger methods. Finally, Experimental results of two different MPPT methods are presented and discussed.

Keywords: solar power system, maximum power point tracker, constant voltage charge.

一、前言

以往太陽光電供電系統主要是將太陽光電板所產生的直流電轉成交流電後，再直接饋入市電中，接著再將交流轉成直流，供給各式各樣的電器使用，此種供電方式會造成許多無謂的電能轉換與材料資源的浪費。綜合上述原因，本文製作一太陽光直流充電系統，其主要功能為將太陽光電板所產生的電能經由最大功率追蹤器處理後，直接提供給負載以及電池充電，並在太陽光電板輸出效率不佳時停止對電池的充電並改由電池對

負載供電以達到節能的目的，除了達到真正使用再生能源及節省能源的目的外，亦可降低系統利用率。

本文將製作以電流偵測為最大功率追蹤法則之太陽光電能直流充電器，相較於其它類型的轉換器，其具有如下之優點，例如，1.取樣因子較少，此法只需要取樣輸出電流即可做最大功率追蹤。2.電路元件較其它控制方法少，因此不但可節省成本，亦可減少電路體積。最後再與不同控制法之最大功率追蹤電路做比較。

二、動作原理

太陽光電池的電壓與電流是非線性的關係，且在不同的工作環境下，由於溫度及日照強度不同，其均具有各個獨特的工作曲線。因此如何找出太陽光電池之最大功率點，便是所有太陽光供電系統的一重要課題。

圖 1 可清楚地看到太陽光電池之基本工作特性[1]，在某一特定日照強度下，當太陽光電池工作電壓低於最大功率點之太陽光電池電壓 Vmpp 時（A 區），太陽光電池輸出功率隨太陽光電池工作電壓之上升而上升。同理，當太陽光電池工作電壓高於最大功率點之太陽光電池電壓 Vmpp 時（B 區），太陽光電池輸出功率隨太陽光電池工作電壓之上升而變小。藉此工作特性可利用微處理器與電力電子之技術設計出最大功率追蹤器(Maximum Power Point Tracker)，期使獲得最大太陽光電池輸出功率。

本文製作兩組不同最大功率追蹤法之太陽光電能最大功率追蹤器，並依照電池電量不同而有不同之充電方式。當電池電量尚未到達飽和時，電路工作在最大功率追蹤方式使太陽光電板維持在最大功率輸出對電池充電，而當電池電量接近飽和時，則電路切換至定電壓充電之方式對電池充電。以下將介紹本文所使用之最大功率追蹤方法以及定電壓充電法。

(1)改良型 RCC 法改良型 RCC(Ripple Correlation Control)法[2]是由擾

動觀察法的概念衍生而來，由圖 2 可以看到，轉換器在運作時，隨著功率開關的切換，太陽能板的輸出電壓、輸出電流與輸出功率都會隨著變化，藉著偵測這些參數對時間的變化，加以運算後就可得知目前操作點是位於最大功率點的左側或右側，再加以運算後，便能藉由調整功率開關之切換來追蹤最大功率點。

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2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年9 月5 日

功率轉換器電池或電阻性負載

微分器比較器JK正反器

時脈訊號

驅動訊號太陽光電

板

乘法器

輸入電壓訊號輸入電流訊號

圖 1 太陽光電池輸出功率 PPV與輸出電壓 VPV區間特性曲線

圖 3 偵測ΔP 之昇壓型充電器系統方塊圖

(2)輸出電流偵測法

當太陽光電板連接至轉換器時，太陽光電板工作在最大功率點的時候，轉換器的輸出也將是最大輸出。在現實生活中並沒有負阻抗的負載，故大多數的負載類型可分為電流性負載，電壓性負載，電阻性負載，如圖 4所示[3]-[6]。由圖 4 中可看出當負載為電壓性時，其輸出電流 Iout 必須達到最大值，系統輸出才能達到最大功率 PM。當負載為電流性時，其輸出電壓 Vout必須達到最大值，系統輸出才能達到最大功率 PM。而對於電阻性的負載也可利用輸出電流 IIoouutt 或輸出電壓 Vout 達到最大值來得到最大輸出功率。在本論文中，使用電池當負載。而電池可視為一電壓性負載，故輸出電流達到最大時，系統將會有最大輸出，換言之，太陽光電板即會操作在最大功率點。其系統方塊圖如圖 5 所示。

圖 2 轉換器運作中太陽能板輸出電壓、電流與功率

圖 1 所示為太陽能板輸出功率對輸出電壓關係圖，圖中的 A、B 與 MPP 三點分別代表“尚未到達最大功率點＂、“超過最大功率點＂與“位於最大功率點＂三種情形。並由此整理出如下式的關係

Vout

Iout

1

23

4

P1 ⎩

功率轉換器電池或電阻性負載

微分器比較器JK正反

器

時脈訊號

輸出電流訊號

驅動訊號

太陽光電板

(2)

如此只要知道 P與 V目前的變化趨勢就能得知目前操作點位置，接著再調整責任週期或直接控制功率開關狀態便可達到最大功率點。然而，由於 V 的偵測只是為了判斷功率開關的下一步動作，因此可以簡化成只藉由觀察 P 的變化趨勢來判斷系統目前之操作點，並控制開關之動作。控制系統如圖 3 所示。

圖 5 電流偵測法之系統方塊圖

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(3)定電壓充電 JK 正反器則是用來延遲取樣，以及判斷開關下ㄧ步之動作。當 JK 正反器之 J 腳位與 K 腳位接在ㄧ起時，其動作情形會與 T 型正反器相同，如表 1 所示。當 T 型正反器之輸入為低電位，輸出則保持目前之狀態，當輸入為高電位，則輸出會將目前之狀態反相，這也與本論文所使用之電流偵測法的原理相符合。而另ㄧ原因主要是因為功率開關切換瞬間易有雜訊，而微分器又是屬於高通濾波器，因此對高頻雜訊很敏感，以 JK 正反器做延遲取樣可降低因雜訊引起誤動作的機率。

使用最大功率追蹤控制法並不會考慮到電池電量之問題，而是一直從太陽光電池端抽取最大功率，當電池接近飽和時若繼續以大電流充電，則會有效率不佳的問題。因此必須改以適當的控制法來進行第二階段之充電控制，而以最大功率追蹤控制法來充電之狀態則為第一階段之充電控制。

定電壓充電法的原理是利用定電壓源對電池進行充電，如圖 6 所示[7]。其優點為電路架構簡單及控制電路設計容易。在定電壓充電模式下，充電電流會隨著電池飽和程度而降低，當電池充飽後，充電器自動進入浮充(Float charging)模式，讓電池可以保持在充飽的狀態。此法在充電初期，因電池端的電壓較低，造成初始充電電流過大，因而容易使電池的極板損壞及蓄電池本身溫度升高，導致縮短蓄電池的壽命。因此本文選用定電壓充電法來做為第二階段之充電控制，不僅具有上述之優點、且也可避免掉充電初期電池過熱而縮短壽命之問題。

表 1 T 型正反器真值表

1

0

Q(n)

0

1

Q(n+1)

1

0

0

1

0

1 1

0

Input

電池充電

電壓/

電流

定電壓

時間

電壓浮充

本文以一三角波輸入至誤差放大器來測試系統之動作情形，如圖 8 所示。在此，本論文選擇以正緣觸發模式，來為本文之 T 型正反器所用，因此需要以 LM555來產生一觸發方波，而 T 型正反器只有當觸發方波為正緣且比較器之輸出為高電位時才會對觸發訊號做反相的動作。

測試訊號

誤差放大器輸出

比較器輸出

微分器輸出

觸發訊號

JK正反器輸出

t

t

t

t

t

t

圖 6 定電壓充電

三、控制架構

(1)最大功率追蹤電路

圖 7 為以輸出電流偵測法實現最大功率追蹤之控制電路，主要是以運算放大器、比較器和數位邏輯電路實現本文所使用的電流偵測控制法。

+

-

+

- +-

1/2VCC1/2VCC

JK

D

Reset

Clear

Q

Q_

VCC VCC VCC

Io

MPPT控制訊號

OP1OP2 OP3

JK Flip Flop

R1

R2

R3

R4

R5

R6

C

圖 7 MPPT 控制電路

在此控制電路中，OP1 的作用為誤差放大器，其會將 Sense 電阻上的電流訊號放大。若 R4=R2，R3=R1，則訊號會被放大 R4/R3 倍。OP2 為微分器電路，也是本架構之主要核心。微分器之功用則是在偵測輸出電流之變化量，故微分器參數的設計決定本架構的最大功率追蹤之精準度。OP3 為比較器，會將微分器之輸出與一參考電壓做比較，並輸出脈波訊號至 JK 正反器。

圖 8 控制電路之時序圖

由圖 8 可看出，當輸入一三角波訊號至誤差放大器後，誤差放大器會將此三角波訊號放大，再送至微分器做負微分，意即當三角波訊號為下降時，微分器則輸出高準位之訊號。之後再經過比較器來產生一脈波訊號，

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此訊號再由 JK 正反器來做最後之判斷，若比較器之輸出為高準位且觸發訊號剛好亦為正緣，則 JK 正反器會將目前之輸出狀態反相並送至功率開關。

本文的升壓型轉換器配合電流偵測法之控制電路，其電路規格如表 2 所示：

表 2 實作電路規格表 (2)充電判斷電路與定電壓充電電路

輸入最大功率電壓 5V~10V 輸入最大功率電流 0A~8A

輸出負載 12V 電池開關切換頻率 8k~30kHz

由於當電池接近飽和之狀態時，其充電效率會逐漸下降，此時再使用大電流對電池充電不僅不會增加電池充電速度，也會造成電池有充電不完全的情形。因此需要針對電池電量之不同來切換其充電控制法則。故本文在電池接近飽和之狀態時選用 MPPT/定電壓充電法來做為控制方式。為了要使第二階段能達到定電壓充電之功能，因此本文選用ㄧ PWM IC，TL494 來當作電池第二階段充電之控制器。

由於日照強度會隨著時間、地點的不同而改變，因此將針對太陽能板在不同輸出時，電路之最大功率追蹤效果以及反應時間做一測試。

圖 11 及圖 12 分別為輸入電壓 VDC為 12V 及 18V，串聯電阻 R1為 2.5Ω時，ΔI 電路所量測到之轉換器輸入電壓 Vin、輸入電流 Iin以及功率 Pin之波形。由最大功率定理可知，當電路工作在最大功率追蹤時，輸入電壓應為 6V 及 9V，電流應為 2.4A 及 3.6A。而由實驗波形可知，符合預期之結果。

圖 9 為本文所使用之充電判斷控制電路，首先，利用電阻分壓電池電壓 Vbattery 得到 Vsense。再將此 Vsense 送入 CP1 遲滯比較器得到充電模式判斷訊號 Vphase。當Vphase為高準位訊號時，電路是以最大功率追蹤之方式對電池充電，而當電池電壓達到預設電壓時，Vphase會改為低準位輸出訊號，此時電路改變為定電壓充電模式對電池充電。

+-

V battery

V reference C P 1

V cc

V phaseM P P T控制

訊號

V phase

T L 49 4控制訊號V phase

V sense

V sense

G ate D riv er

T o M O S F E T

R 7

R 8 R 9

R 1 0

R 1 1

Vin

Vin Iin

Iin Pin

Pin

(Vin : 2V/div, Iin : 1A/div, P : 10W/div, time: 100μs/div)

圖 9 充電機制判斷電路電路圖圖 11 輸入電壓 12V 串聯電阻 2.5Ω之最大功率追蹤波形

Vin 四、硬體電路實作

(1)電路量測架構 Vin Iin

最大功率追蹤顧名思義就是必須使太陽能板工作在最大功率點，使後級輸出得到最大功率，因此最大功率追蹤的效果以及驗證就相對而言的重要。本文驗證最大功率追蹤之架構如圖 10 所示，其原理為電路學中之最大功率定理。亦即，當負載能得到最大功率時，VR1=Vin，也就是說 R1=RLoad。若將 RLoad以本文所製作之升壓型最大功率追蹤充電器來替換，那麼，當電路工作在最大功率追蹤時，升壓型轉換器的輸入電壓 Vin會等於 VR1的電壓，也等於 1/2VDC。

Pin Iin

Pin


圖 12 輸入電壓 18V 串聯電阻 2.5Ω之最大功率追蹤波形

R 1

R 2+- V D C

L oa d

V R 1

V in

I in

而為了得知最大功率追蹤器在太陽光電板輸出電流驟變的情形，因此可以以切換串聯電阻 R1，瞬間由 5Ω改變為 2.5Ω來模擬此一情形，如圖 13 所示。

\ 圖 10 量測架構圖

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40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

5 6 7 8 9 10

電壓(V)

效率(%)

11

ΔI 控制法

ΔP 控制法

Vin Vin

Iin

Iin Pin Pin

(Vin : 5V/div, Iin : 1A/div, P : 10W/div, time: 5ms/div)

圖 16 不同控制法之 MPPT 追蹤效率曲線圖圖 13 電流改變瞬間波形圖

圖 17 為電路以太陽光電板實測波形，太陽光電板之規格如表 3 所示：

由圖 13 可看出，輸入電壓 Vin只有在切換瞬間有一暫態突波外，並不會因輸入電流改變而改變其最大功率點電壓。而圖 14 與圖 15 為以偵測輸入功率 ΔP 之控制法來做最大功率追蹤電路之輸入電壓、輸入電流以及功率之波形，其電路架構如圖 3 所示。此時 R1電阻之值為2.5Ω，由最大功率定理可知，當電路工作在最大功率追蹤時，輸入電壓應為 6V 及 9V，電流應為 2.4A 及 3.6A。由實驗波形可知，符合預期之結果

表 3 太陽光電板規格表

開路電壓 17.1V 短路電流 3.6A

最大功率電壓 8.5V 最大功率電流 28A 輸出最大功率 25W

Vin

Vin

V Pin

in Pin

Pin Vin

Pin Iin

Iin Iin

Iin


圖 14 ΔP 控制法輸入電壓 12V 之最大功率追蹤波形圖 (Vin : 2V/div, Iin : 1A/div, P : 10W/div, time: 5ms/div)

圖 17 太陽光電板實測波形

Pin

Vin

由於外在氣候瞬息萬變，因此也導致太陽光電板之輸出不固定。根據圖 17 之實測結果以及以最大功率轉移定理所做的功能驗證。可卻定電路是工作在最大功率追蹤之功能。

V in Pin

圖 18 為 MPPT/CV 轉態瞬間輸出電流、輸出電壓以及切換訊號之波形圖。由圖中可看出，當電池電壓到達預設之轉態電壓時，判斷電路會從原本輸出高準位之訊號轉變為低準位之訊號。此時，開關之控制訊號會改由TL494 來產生。因此、電池端電壓會被穩在固定值，而改以定電壓來對電池充電，所以輸出電流會逐漸下降，達到定電壓充電的效果。

Iin

Iin


圖 15 ΔP 控制法輸入電壓 18V 之最大功率追蹤波形圖

而為了比較此兩種控制法的最大功率追蹤效果，因此將此兩種電路之最大功率追蹤效率繪製成圖 16 之圖表。由圖 16 可看出、使用 ΔI 電路之最大功率追蹤效率較 ΔP 電路之追蹤效率略低、但仍在可接受之範圍。

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參考資料

(Vo : 5V/div, Io : 1A/div, Vchange : 10V/div, time: 20s/div)

圖 18 轉態瞬間波形圖

五、結論

本文是針對太陽光電版所製作之太陽光直流充電器。此系統利用具最大功率追蹤功能的控制器來追蹤太陽光電板輸出之最大功率，將之存入電池。並依照電池的狀態來選擇充電之方式。當電池尚未接近充滿電時電路以 MPPT 的方式來對電池進行充電，此方式的最大優點為會從太陽光電板抽取最大功率，並以最大之電流對電池進行充電，增加電池之充電速度。而當電池接近充飽時，電路會進入 CV 模式，此時電路會以固定的輸出電壓對電池進行充電。此模式的優點為當電池接近充飽時，會有不易充電的情形發生，此時再繼續以大電流充電會造成無謂的電路損失以及對電池的傷害。故使用小電流來對電池充電，不僅可以維持一定的充電效率，也可延長電池的壽命。

由於以偵測輸入功率 ΔP 之方式來進行最大功率追蹤，不僅需要偵測電壓、電流，在電路的製作上也需使用到乘法器。故本文製作一電流偵測之太陽光電能直流充電器，僅需偵測輸出電流 ΔI 即可進行最大功率追蹤，且在電路之製作上亦不需使用到乘法器，即可達到上述的功能。

最後經由實驗結果的驗證，可證實本文所製作之太陽光電能直流充電系統，在兩種模式之下亦能穩定的供電運轉，同時亦證明本系統在理論與控制策略的正確性及可行性。

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Vo

Vchange Vchange

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Vo Io

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Io

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