多种化学电池充电器支持用于太阳能电池板的最大功率点跟踪

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本文作者:

ADI 公司

Trevor Barcelo

LTC4015 是一款通用的同步降压型充电器,可支持包括铅酸、锂离子和磷酸铁锂 (LiFePO4) 在内的多种化学电池。LTC4015 拥有大量的电池充电功能,包括库仑计数以及多种电池和系统监视能力。不过,本文将着重阐述其可实现太阳能电池板最大功率点跟踪 (MPPT) 功能的输入控制环路。

对于那些尚未接触过 MPPT 基本概念、或可以使用知识更新的读者,请登录 www.linear.com.cn/solutions/4545。不管您具备多少 MPPT 常识,要理解 LTC4015 的实现方案,就必需弄懂 LTC4015 的多控制环路工作原理,这一点是很重要。

器件的基本工作原理

LTC4015 采用一个驱动 MN2 和 MN3 的峰值电流模式同步降压型控制器给电池充电 (见图 1)。该控制器能调节 4 个参数:输入电压 (采用 UVCLFB 引脚)、输入电流 (CLP 和 CLN)、电池充电电压 (BATSENS) 和电池充电电流 (CSP 和 CSN)。峰值电感器电流控制和电池充电电流调节均利用检测电阻器 RSNSB 完成。除了这两种功能之外,RSNSB 还使 LTC4015 能监视电池充电和放电电流、电池 ESR 和电池库仑计数。输入电压调节是 MPPT 工作原理的一个主要部分,将在下一节详细讨论。

LTC4015 采用一种理想二极管 “合路” PowerPath 架构,以实现输入电源和电池至系统负载的无缝连接。如果 VIN > VCSP (电池电压),则理想二极管 MN1 把 VIN 连接至 VSYS,而假如 VCSP > VIN,则 MP1 把电池连接至 VSYS。除了从 VIN 给系统供电之外,两个二极管控制器还和充电器一起工作,以从电池给系统供电 (没有反向驱动 VIN),并保证可向系统提供电能,即使在来自 VIN 的功率不足或缺失的情况下也不例外。

当可提供给开关充电器的功率由于编程输入电流限制 (输入电流调节) 或输入欠压限制 (输入电压调节) 电路运行而受限时,充电电流将自动减小以确定系统负载的供电优先级。然而,重要的是应注意到,LTC4015 仅限制充电电流,但是并不限制从输入传递至系统负载的电流 – 如果在充电电流减小至零之后,单是系统负载所需的功率就超过了输入可提供的水平,则 VSYS 必须降至电池电压,以便由电池提供补充功率。

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1:简化的 LTC4015 应用电路拓扑 (不一定专为太阳能电池板输入进行了优化)

这一点对于 MPPT 运作是很重要。LTC4015 有效地运用了其操控充电电流以调节输入电流和输入电压的能力。换句话说,如果输入电压的降幅足够大以至于 UVCLFB 引脚电压降至低于其 DAC 设定的伺服电压,则减小充电电流以试图保持该输入电压电平。同样,倘若输入电流开始超过 DAC 设定的输入电流限值,则减小充电电流以期维持该输入电流水平。然而,假如充电电流减小至零,那么 LTC4015 将失去其进一步影响输入电流或输入电压的能力。需要更详细地研究 LTC4015 MPPT 的工作原理,以了解这些问题至关紧要的原因。

MPPT 工作原理

LTC4015 最大功率点跟踪算法执行周期性的全局搜索以及连续的局部抖动,以确保给系统供电的太阳能电池板处于其峰值功率运行状态。全局搜索是确保连续抖动算法未被困在某个局部最大功率点 (而应该是固定在全局最大功率点) 所必需的。视太阳能电池板具体构造的不同,这有可能出现在部分遮荫的情况下。

局部抖动和全局搜索利用了被称为 UVCL (即欠压电流限制) 的 LTC4015 输入电压调节功能。UVCL 控制环路在 VIN (采用一个 VIN 分压器在 UVCLFB 引脚上观察) 降至一个设定电平 (VIN_UVCL_SETTING) 时自动地减小充电电流,从而避免阻性或电流限制输入电源降至过低 (例如:低于欠压闭锁 UVLO 门限)。

全局搜索使 VIN_UVCL_SETTING 以步进的方式通过其整个数值范围,并谨慎地避免把 VIN 拉至低于 UVLO 或 VIN_DUVLO (差分欠压闭锁) 门限。如果输入电压降至电池电压的约 100mV 以内,则满足了差分 UVLO 条件。在每个 VIN_UVCL_SETTING 电平,测量充电电流。当扫描完成时,LTC4015 将使用与最大实测电池充电电流相对应的 VIN_UVCL_SETTING 值。

由于电池电压为低阻抗且在整个扫描过程中相对稳定,因此最大电池充电电流与最大输出功率很好地对应。在全局搜索之后,通过使 VIN_UVCL_SETTING 缓慢地抖动 (大约每秒一次) 来跟踪最大功率的小幅变化。LTC4015 周期性地 (大约每 15 分钟一次) 执行 VIN_UVCL_SETTING 值新的全局搜索、使用新的最大功率点、并在该点上恢复抖动。图 2 示出了后随局部抖动的典型 MPPT 全局搜索。

 

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2MPPT 搜索算法

抖动算法以使 VIN_UVCL_SETTING 递增一个梯级并测量新的充电电流作为开始。如果新的充电电流大于前一个测量值,则 VIN_UVCL_SETTING 以大约每秒一次的速率继续递增,直到充电电流减小或 VIN_UVCL_SETTING 达到全标度为止,抖动方向在这一点上反转。全标度对应于 VUVCLFB = 1.2V 和一个 36.5V 输入电压 (采用所需的 UVCLFB MPPT 电阻分压器值)。在相反的方向,VIN_UVCL_SETTING以大约每秒一次的速率递减,直到充电电流减小或输入电压降至过于接近 UVLO 门限为止,抖动方向在这一点上再次反转。

MPPT 特殊考虑因素

虽然 MPPT 的工作原理在多数条件下都是相当简单,但是也存在少量一反常态的情况。LTC4015 在这些情况下将跳出基本算法的束缚,以试图最大限度增加太阳能电池板停留在其真正最大功率点上的时间。

抖动期间充电电流的显著变化

当 LTC4015 采用抖动算法时,如果电池充电电流在单个抖动梯级中下降了 1% 或更多,那么抖动方向在仅 7ms (而不是正常的 1 秒) 之后就将反转。这最大限度增加了停留在最高功率设定值的时间。同样,假如充电电流的逐级变化大于 ±25%,则该算法重复一次全局搜索,而不会等待标准的 15 分钟。最大全局搜索重复率为每 5 分钟一次。

输入电流限制设置

如上文提及的那样,LTC4015 在 MPPT 算法执行期间监视输入电压,以确保它未降至低于其中某个 UVLO 门限。持续监视下的另一个标准为 LTC4015 是否确实处于采用数字遥测系统之 vin_uvcl_active 位的 UVCL 调节状态。请记住有 4 个参数是可调的:输入电压 (VIN_UVCL_SETTING)、输入电流 (IIN_LIMIT_SETTING)、充电电压 (VCHARGE_SETTING) 和充电电流 (ICHARGE_TARGET)。对于 MPPT 应用,建议把输入电流限值 (IIN_LIMIT_SETTING) 设定为大于或等于太阳能电池板的最大短路电流承受能力。这可确保输入电流调节不会干扰 MPPT 电路运作。然而,其他两个调节环路可以接管控制:充电电压和充电电流。

可用的电流足够

在全局搜索或抖动阶段中,如果充电电压或充电电流调节所需的电流小于欠压电流限值 UVCL,则意味着太阳能电池板可在该特定 VIN_UVCL_SETTING 满足正常充电条件。在该点上,抖动方向发生反转或全局搜索停止。在全局搜索期间,导致退出 UVCL 调节环路的 VIN_UVCL_SETTING 很可能对应于最大充电电流。如果出于某种异常原因它并不对应于最大充电电流,则 LTC4015 将斜坡回升至对应于最大充电电流的 VIN_UVCL_SETTING。

低的可用功率

当由已完成的全局搜索所测量的最大充电电流低于全标度的约 5% 时,会出现一种特殊场合,此时的全标度对应于 RSNSB 两端上的 32mV (例如,对于 4A 充电器为 200mA)。在该场合中,LTC4015 返回在全局搜索期间发现的 VIN_UVCL_SETTING,但是并不试图抖动。在该充电电流水平上,个别 ADC 读数中的噪声变得明显,而且抖动有可能导致不稳定的运行。