從單個(gè)光伏電池中收集能量

簡(jiǎn)化無線通信的分配 儀器儀表、監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用、電源 設(shè)計(jì)人員努力實(shí)現(xiàn)設(shè)備電網(wǎng)獨(dú)立性。電池， 立即明顯的解決方案，提供電網(wǎng)獨(dú)立的錯(cuò)覺， 但需要更換或充電，這意味著最終 連接到電網(wǎng)和昂貴的人為干預(yù)和 保養(yǎng)。進(jìn)入能量收集，收集能量 從儀器的直接環(huán)境中，提供永久 在沒有連接到電網(wǎng)且最小或沒有連接的情況下運(yùn)行 維護(hù)要求。

可以收集各種環(huán)境能源來產(chǎn)生電能 功率，包括機(jī)械振動(dòng)、溫差和 入射光。凌力爾特生產(chǎn)電源管理解決方案 解決收集環(huán)境低能耗的具體問題， 包括用于振動(dòng)源的 LTC3588，用于振動(dòng)源的 LTC3108 / LTC3109 熱，現(xiàn)在的LTC3105用于光伏能量收集應(yīng)用。 光伏能量收集廣泛適用，因?yàn)楣?幾乎普遍可用，光伏（PV）電池相對(duì)較低 成本，與其他環(huán)境相比，它們產(chǎn)生的功率相對(duì)較高 能量收集解決方案。由于其相對(duì)較高的能量輸出， 光伏能量收集可用于為無線傳感器供電 節(jié)點(diǎn)，以及更高功率的電池充電應(yīng)用擴(kuò)展 電池壽命，在某些情況下完全消除聯(lián)機(jī)充電。

雖然串聯(lián)光伏電池的高壓堆棧是多產(chǎn)的， 單個(gè)PV電池解決方案很少見，因?yàn)殡y以產(chǎn)生有用的 來自單個(gè)光伏電池在負(fù)載下產(chǎn)生的低壓的電源軌。 相對(duì)而言，很少有升壓轉(zhuǎn)換器可以從低電壓產(chǎn)生輸出 高阻抗單光伏電池。The LTC3105, 但是，專為滿足這些要求而設(shè)計(jì) 挑戰(zhàn)。其超低的250mV啟動(dòng)電壓 和可編程的最大功率 點(diǎn)控制允許它生成典型的 大多數(shù)需要電壓軌 （1.8V–5V） 來自具有挑戰(zhàn)性的光伏來源的應(yīng)用。

了解光伏電池來源

光伏源可以通過連接的電流源進(jìn)行電氣建模 與二極管并聯(lián)，如圖1所示。更復(fù)雜的模型 顯示次要效果，但對(duì)于我們的目的，這個(gè)模型就足夠了。

圖1.簡(jiǎn)單的光伏電池模型。

表征光伏電池的兩個(gè)常見參數(shù)是開路 電壓和短路電流。光伏電池電流的典型曲線 和電壓如圖2所示。注意短路電流 是模型電流發(fā)生器在開路電壓時(shí)的輸出 是模型二極管的正向電壓。隨著光照水平的增加， 來自發(fā)電機(jī)的電流增加，IV曲線向上移動(dòng)。

圖2.典型的光伏電池IV曲線。

為了從光伏電池中提取最大功率，輸入電阻的功率 轉(zhuǎn)換器必須與電池的輸出電阻匹配，從而導(dǎo)致工作 在最大功率點(diǎn)。圖3顯示了典型值的功耗曲線 單個(gè)光伏電池。為確保最大功率提取，輸出電壓 的光伏電池應(yīng)在功率曲線的峰值處運(yùn)行。The LTC3105 調(diào)整輸送到負(fù)載的輸出電流，以維持光伏電池 電壓在設(shè)定的最大值 電源點(diǎn)控制引腳。因此 單個(gè)編程電阻建立 最大功率點(diǎn)并確保 從 光伏電池和峰值輸出充電電流。

圖3.典型的光伏電池功率曲線。

有多少功率可用？

可以產(chǎn)生的電量 使用光伏電池取決于 許多因素。輸出功率 電池與亮度成正比 光落在細(xì)胞上，總面積 的細(xì)胞，以及細(xì)胞的效率。 大多數(shù)光伏電池的額定使用量低于 陽(yáng)光直射（1000W/m2），但這樣理想 大多數(shù)情況下不太可能發(fā)生這種情況 應(yīng)用。對(duì)于從 陽(yáng)光，峰值功率來自 細(xì)胞可以輕松改變十倍 由于天氣，季節(jié)，每天都有， 霧霾、灰塵和陽(yáng)光的入射角。 晶體的典型輸出功率 電池在全日照下約為 40mW 平方英寸，具體取決于電池特性。 面積為幾平方英寸的光伏電池足以運(yùn)行許多遠(yuǎn)程 傳感器和涓流充電電池。

相比之下，在室內(nèi)操作的設(shè)備 照明的可用能量要少得多 給他們。常見的室內(nèi)照明是 大約是全日光強(qiáng)度的0.25% （強(qiáng)度的巨大差異 室內(nèi)照明和陽(yáng)光很難 由于人眼的能力而感知 適應(yīng)廣泛的照明范圍 級(jí)別）。極低的光線 適用于室內(nèi)應(yīng)用的電平 提出了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。甚至一個(gè)大 高效晶體電池，帶 四平方英寸的面積生成 在典型的辦公室照明中僅為 860μW。

選擇最大功率點(diǎn)控制電壓

圖 4 顯示了最大值的模型 電源點(diǎn)控制機(jī)制 由 LTC3105 使用。圖 3 顯示 光伏電池的功率曲線。請(qǐng)注意， 光伏電池功率從其急劇下降 當(dāng)電池電壓上升到遠(yuǎn)離 峰值功率。因此，它通常更多 最好在低于理想的一邊犯錯(cuò) 控制電壓，而不是 電壓較高，因?yàn)楣β是€ 在高邊滾動(dòng)得更厲害。

圖4.最大功率點(diǎn)控制機(jī)制。

選擇MPPC跟蹤電壓時(shí)， 必須具備各種操作條件 考慮。通常，最大功率 點(diǎn)不會(huì)實(shí)質(zhì)性移動(dòng) 照明變化。結(jié)果，它是 可選擇單個(gè)跟蹤電壓 提供接近最大值的操作 用于各種照明的電源點(diǎn) 水平。即使操作 點(diǎn)不會(huì)精確到最大值 極端照明水平下的功率點(diǎn)， 輸出功率降低 從理想中通常只有5%-10%。

對(duì)于圖5所示的功率曲線，一個(gè) 0.4V 的 MPPC 電壓產(chǎn)生性能 接近最大功率點(diǎn) 照明極端。電壓差 從最大功率點(diǎn) 在這兩種情況下均約為20mV， 導(dǎo)致功率損耗小于 3%。

圖5.在選擇最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，請(qǐng)選擇較低電壓，以避免急劇下降。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最大功率 點(diǎn)控制電壓應(yīng)在附近 開路電壓的 75%–80% 光伏電池。跟蹤電池到此電壓 導(dǎo)致電池輸出電流 75%–80% 的短路電流。

戶外照明中的鋰離子電池充電

應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一 使用光伏源是 黑暗中輸入功率不足，以及 弱光條件。適用于大多數(shù)應(yīng)用 這需要使用能源 存儲(chǔ)元件，如超級(jí)電容器 或大容量的可充電電池 足以提供整個(gè)電源 最長(zhǎng)的預(yù)期黑暗期。

圖 7 顯示了測(cè)量的充電情況 使用 2“ ×1” 多晶的電流曲線 用于為鋰離子電池充電的光伏電池 使用 中所示的 LTC3105 電路 圖6.圖7的上部曲線 顯示典型值上的充電電流 晴朗的一天，陽(yáng)光明媚。下部曲線 顯示觀察到的充電電流 在一個(gè)陰天里。 即使在這些低光照條件下 250μA或更高的充電電流為 全天保持總計(jì) 6mAh的電量輸送到電池。

圖6.鋰離子充電電路。

圖7.兩平方英寸光伏電池的充電曲線。

選擇合適的儲(chǔ)能設(shè)備

有許多存儲(chǔ)替代方案 收獲的能量，包括各種各樣的能量 可充電電池技術(shù)以及 高能量密度電容器。沒人 技術(shù)適用于所有應(yīng)用。 選擇 的存儲(chǔ)元素時(shí) 您的應(yīng)用程序，請(qǐng)考慮一些 因素，包括自放電率， 最大充放電電流， 電壓靈敏度和循環(huán)壽命。

自放電率特別高 在光伏應(yīng)用中很重要。 鑒于充電量有限 電流可用于大多數(shù)光伏 電源應(yīng)用，自放電高 費(fèi)率可能會(huì)消耗很大一部分 光伏源的可用能量。一些 儲(chǔ)能元件，如大型 超級(jí)電容器，可能具有自放電功能 電流超過 100μA，可能 大幅降低凈費(fèi)用 在每日充電周期內(nèi)累積。

另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是 儲(chǔ)能裝置可以是 指控。例如，鋰紐扣電池 最大充電電流 300μA 需要一個(gè)大電阻器 它和 LTC3105 的輸出按順序排列 以防止過流情況。這 可以限制能量 收獲，減少 可用于應(yīng)用的能量。

在許多情況下，充電速率成比例 另一個(gè)重要因素，周期 輩子。存儲(chǔ)元件的循環(huán)壽命 確定它可以運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間 在現(xiàn)場(chǎng)無需維護(hù)。 一般來說，充電和放電更快 降低元件的使用壽命。 超級(jí)電容器提供非常好的 循環(huán)壽命，而電池充電 相對(duì)較高的電流（充電> 1C） 壽命已降低。除了 充放電速率、深度 每個(gè)充電/放電循環(huán)會(huì)影響 電池的使用壽命，更深 循環(huán)導(dǎo)致壽命縮短。

具有多種電池類型，尤其是鋰 和薄膜，最大值和最小值 電壓必須仔細(xì)控制。這 最大充電電壓得到良好控制 在 LTC3105 應(yīng)用中，自 轉(zhuǎn)換器在 輸出進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)。為了防止 過放電，可使用 LTC3105 與 LTC4071 分流器配合使用 電池充電器如圖8所示。

圖8.鋰離子涓流充電器由單個(gè)光伏電池供電。

圖9.單節(jié)光伏鎳氫涓流充電器。

圖 10.單節(jié)供電的遠(yuǎn)程無線傳感器。

結(jié)論

LTC?3105 是一款完整的單芯片解決方案 對(duì)于低成本的能量收集， 單個(gè)光伏電池。其集成 最大功率點(diǎn)控制和低功率點(diǎn) 電壓?jiǎn)?dòng)功能可實(shí)現(xiàn)直接 從單個(gè)光伏電池運(yùn)行并確保 最佳能量提取。The LTC3105 可用于直接為電路供電 或用于為儲(chǔ)能設(shè)備充電 允許在黑暗或弱光下操作 時(shí)期。LTC3105 使之成為可能 生產(chǎn)自主遙感器 節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和其他 需要電網(wǎng)獨(dú)立的應(yīng)用程序 和最少的維護(hù)。

審核編輯：郭婷