基于MPPT的一體化航標燈充電電路設計

蘇偉達，王廷銀，李汪彪，吳允平

(福建師范大學光電與信息工程學院，福建 福州 350117)

航標燈是船只安全通航的助航標志，是保障水路運輸暢通和船舶安全航行的重要設施[1]。一體化航標燈是一種集成度較高的航標燈，不僅有LED燈、控制電路，還將光伏電池板及蓄電池也包含在內，無需外部供電，能夠自給自足，具有可靠性高、現場安裝及維護方便的特點[2]。但由于一體化航標燈體積限制了光伏電池的使用面積，日發電量十分有限，因此較適合替代小功率航標燈使用。傳統一體化航標燈的充電電路十分簡單，在不增加光伏電池面積的情況下，若能進一步提高一體化航標燈的光伏電池板的利用率，即提高充電效率，將更容易滿足持續陰天的工作天數要求，提高惡劣天氣適應能力，保障船舶交通安全。一種能夠發揮光伏電池板最大利用率的方法應運而生，即最大功率點跟蹤(maximum power point tracking， MPPT)，它能使光伏電池始終工作在最大功率點上，不受溫度及光照強度變化等因素呈現非線性特性的影響，成為了目前研究的熱點。

目前實現MPPT功能方法常用的有恒定電壓法、電導增量法、擾動觀測法以及改進的算法，各有優點。代相波[3]提出一種基于滯環比較的新型擾動觀測法，具有啟動速度快、跟蹤精度高、在最大功率點處振幅小、不易產生誤判等優點。楊立宏[4]提出了一種采用雙BUCK電路的太陽能光伏發電控制器的方法，降低了控制器的溫升，提高了電路可靠性，改進的MPPT算法能夠迅速響應追蹤太陽能電池最大功率點，提高了太陽能電池的能量利用率。吳雷[5]提出一種滑?？刂婆c∑-△調制器相結合的最大功率點跟蹤控制策略，相比于傳統擾動觀測法魯棒性更強，減少了系統穩態時的功率損失，在光照突變情況下能快速跟蹤到最大功率點，有效地改善了MPPT控制效果。以上研究成果雖然具有較好MPPT效果，但是需要微處理器及較多的外圍電路構成，電路較為復雜，需要軟硬件配合才能實現，難度大，成本高，同時也增加了較大功耗，如果使用MPPT對蓄電池充電時增加的能量小于MPPT自身損耗的能量，采用MPPT就失去意義，不適合在一體化航標燈中應用。因此急需設計一種無需微處理器、電路簡單、成本低且具有MPPT功能的充電電路以滿足一體化航標燈的需求，本文設計了一種充電電路，能夠符合上述需求。

1 一體化航標燈系統組成

一體化航標燈系統由MCU、看門狗電路、撞擊傳感器、調試接口、充電電路及充電電流采集、蓄電池電壓及燈器電流采集、燈質/電流設置、RS-485、GPS/BeiDou雙模定位模塊、LED驅動電路、光照度傳感器及擴展模塊組成，如圖1所示。其中作為核心控制器的MCU采用STM32嵌入式處理器，為了提高航標燈長期工作的可靠性，外接了看門狗電路實現上電復位及異常冷啟動復位功能。撞擊傳感器主要作用是實時檢測航標燈受撞擊事件及姿態，若有異常，將觸發系統向控制中心發送報警信息。用于光伏電池板的充電電路能夠向蓄電池充電，并防止反灌。燈質及電流設置采用多位撥碼開關，以方便操作。針對不同類型的LED燈器設置不同的驅動電流。RS-485接口實現與外部智能助航設備的通信，采集相應數據。GPS/BeiDou雙模定位模塊實現對航標燈定位并將位置信息通過4G模塊、NB-IOT模塊或北斗通信模塊發射至控制中心，可及時發現位置偏移的航標燈。為了方便現場對航標燈參數的設置，可通過藍牙模塊或Wi-Fi模塊在手機上進行設置。光照度傳感器實時檢測環境亮度，根據測量結果MCU來判斷是白天或晚上，航標燈白天關閉，晚上開啟。

圖1 一體化航標燈系統框圖充電電路設計

一體化航標燈系統設計時，除了要考慮兼容性和靈活性的問題外，還要考慮充電效率應盡可能高，提高光伏電池的利用率，在滿足陰天持續工作的天數需求下，可適當減少配置電池的容量，從而降低硬件成本。

1.1 無MPPT功能充電電路

為了減少開發工作量，降低成本，在一體化航標燈中采用的電路如圖2所示。光伏電池板正極經過一個防反向電流的隔離二極管后，直接連接到蓄電池上，其優點是成本低、可靠性高，但由于光伏電池板的電壓被蓄電池電壓鉗位了，無法工作在最大功率點上，使得該電路充電效率較低。

圖2 無MPPT功能充電電路

1.2 具有MPPT功能的充電電路設計

充電電路由LDO穩壓器U1、集成運算放大器U2、DC-DC模塊(可選用升壓模塊、降壓模塊或升降壓模塊)、二極管D1以及少量阻容器件組成，如圖3所示。根據光伏電池板最大輸出功率與輸出電壓關系曲線[6]可明顯看出，最大輸出功率點發生在輸出開路電壓的0.78倍附近，但會受到光照、溫度等環境因素影響。當光伏電池板有太陽照射開始發電時，經LDO穩壓器降壓后為運算放大器提供穩定的電壓。電阻R1、R2對光伏電池板所輸出的電壓進行分壓后送到運算放大器的反相端作為采樣電壓；電阻R3、R4,二極管D1對LDO穩壓器U1所輸出的電壓進行分壓后送到運算放大器U2的同相端作為基準電壓。運算放大器根據同相端和反相端的電壓進行放大后，由運算放大器的輸出端輸出電壓送到DC-DC模塊的反饋端FB，來控制DC-DC模塊輸出電壓的大小，同樣也改變了蓄電池的充電電流，從而使光伏電池板的輸出電壓穩定在預設值。預設值可通過改變電阻R1、R2及電阻R3、R4的分壓比來調整，設置在光伏電池板開路電壓的0.78倍附近。確定最大輸出功率點所對應的電壓值：

(1)

其中，UA為最大輸出功率點所對應的電壓，UO為開路電壓。根據UA的值可以查看光伏電池板銘牌上的參數。通過運算放大器及DC-DC模塊組成的負反饋放大器的目的是讓光伏電池板輸出電壓始終穩定在UA的大小。確定各電阻的參數值：

(2)

若光伏電池板因太陽照射增強使得輸出電壓有升高的趨勢，經電阻R1、R2分壓所得到的采樣電壓也升高，由于是反相輸入端電壓上升，因此運算放大器放大后輸出壓降低，DC-DC模塊受反饋端FB電壓下降的控制，輸出電壓會升高，此時，蓄電池的充電電流也隨之增大，使光伏電池板的輸出電壓快速下降到預設值。若光伏電池板因太陽照射減弱使得輸出電壓有降低的趨勢，經電阻R1、R2分壓得到的采樣電壓也降低，由于是反相輸入端電壓降低，因此運算放大器放大后輸出壓升高，DC-DC模塊受反饋端FB電壓升高的控制，輸出電壓會降低，此時，蓄電池的充電電流也隨之減小，使光伏電池板的輸出電壓快速上升到預設值，實現了光伏電池板始終工作在最大功率點的目的。

圖3 具有MPPT功能的充電電路

二極管D1作為溫度補償，當溫度發生變化時，可以自動改變運算放大器的同相端的基準電壓。溫度升高時，基準電壓降低，使光伏電池板的輸出電壓預設值降低；溫度降低時，基準電壓升高，使光伏電池板的輸出電壓預設值升高，可克服光伏電池板受溫度影響最大功率點電壓變化問題。當光伏電池板不發電時，LDO穩壓器、運算放大器、DC-DC模塊均不工作，不會消耗蓄電池的電能，充電電路所消耗的全部電能均來自光伏電池板。

2 性能測試

根據以上原理及電路圖制作無MPPT充電電路及MPPT充電電路，測試用的一體化航標燈如圖4所示。

圖4 測試用的一體化航標燈

圖5 無MPPT充電電路與MPPT充電電路測試數據對比

測試時兩種電路用光伏電池板和蓄電池，為了方便快速地切換不同電路，將兩種電路的輸入端及輸出端分別接入一個雙刀雙擲開關，且在電池正極接線上串入電流表。通過移動光伏電池板改變不同光照強度，其測試數據對比如圖5所示。其中光伏電池板為4片9 V、200 mA、MPPT充電電路的最大功率點電壓設為7.8 V，蓄電池為4V60AH磷酸鐵鋰電池組。

實驗結果表明，在同樣的測試條件下，MPPT充電電路的充電電流有明顯提升，光伏電池板的利用率提高22%以上，且隨光照強度的增大有所上升，因此增加了電能的存儲量。

3 結論

本文設計的電路較簡易,充電電路的光伏電池板利用率提高22%以上，與其它MPPT硬件及算法相比，優點如下：(1)采用通用的LDO穩壓器、運算放大器、DC-DC模塊及少量外圍電路，實現成本低；(2)電路為純硬件方式實現的MPPT功能，無需微處理器控制，無需設計軟件，調試簡易，開發周期短，也不會出現死機現象，工作穩定可靠；(3)增加了溫度補償的設計，克服了恒定電壓法的不足。因此所設計的電路能滿足一體化航標燈的應用需求。