基于MPPT的一体化航标灯充电电路设计

苏伟达，王廷银，李汪彪，吴允平

(福建师范大学光电与信息工程学院，福建 福州 350117)

航标灯是船只安全通航的助航标志，是保障水路运输畅通和船舶安全航行的重要设施[1]。一体化航标灯是一种集成度较高的航标灯，不仅有LED灯、控制电路，还将光伏电池板及蓄电池也包含在内，无需外部供电，能够自给自足，具有可靠性高、现场安装及维护方便的特点[2]。但由于一体化航标灯体积限制了光伏电池的使用面积，日发电量十分有限，因此较适合替代小功率航标灯使用。传统一体化航标灯的充电电路十分简单，在不增加光伏电池面积的情况下，若能进一步提高一体化航标灯的光伏电池板的利用率，即提高充电效率，将更容易满足持续阴天的工作天数要求，提高恶劣天气适应能力，保障船舶交通安全。一种能够发挥光伏电池板最大利用率的方法应运而生，即最大功率点跟踪(maximum power point tracking， MPPT)，它能使光伏电池始终工作在最大功率点上，不受温度及光照强度变化等因素呈现非线性特性的影响，成为了目前研究的热点。

目前实现MPPT功能方法常用的有恒定电压法、电导增量法、扰动观测法以及改进的算法，各有优点。代相波[3]提出一种基于滞环比较的新型扰动观测法，具有启动速度快、跟踪精度高、在最大功率点处振幅小、不易产生误判等优点。杨立宏[4]提出了一种采用双BUCK电路的太阳能光伏发电控制器的方法，降低了控制器的温升，提高了电路可靠性，改进的MPPT算法能够迅速响应追踪太阳能电池最大功率点，提高了太阳能电池的能量利用率。吴雷[5]提出一种滑模控制与∑-△调制器相结合的最大功率点跟踪控制策略，相比于传统扰动观测法鲁棒性更强，减少了系统稳态时的功率损失，在光照突变情况下能快速跟踪到最大功率点，有效地改善了MPPT控制效果。以上研究成果虽然具有较好MPPT效果，但是需要微处理器及较多的外围电路构成，电路较为复杂，需要软硬件配合才能实现，难度大，成本高，同时也增加了较大功耗，如果使用MPPT对蓄电池充电时增加的能量小于MPPT自身损耗的能量，采用MPPT就失去意义，不适合在一体化航标灯中应用。因此急需设计一种无需微处理器、电路简单、成本低且具有MPPT功能的充电电路以满足一体化航标灯的需求，本文设计了一种充电电路，能够符合上述需求。

1 一体化航标灯系统组成

一体化航标灯系统由MCU、看门狗电路、撞击传感器、调试接口、充电电路及充电电流采集、蓄电池电压及灯器电流采集、灯质/电流设置、RS-485、GPS/BeiDou双模定位模块、LED驱动电路、光照度传感器及扩展模块组成，如图1所示。其中作为核心控制器的MCU采用STM32嵌入式处理器，为了提高航标灯长期工作的可靠性，外接了看门狗电路实现上电复位及异常冷启动复位功能。撞击传感器主要作用是实时检测航标灯受撞击事件及姿态，若有异常，将触发系统向控制中心发送报警信息。用于光伏电池板的充电电路能够向蓄电池充电，并防止反灌。灯质及电流设置采用多位拨码开关，以方便操作。针对不同类型的LED灯器设置不同的驱动电流。RS-485接口实现与外部智能助航设备的通信，采集相应数据。GPS/BeiDou双模定位模块实现对航标灯定位并将位置信息通过4G模块、NB-IOT模块或北斗通信模块发射至控制中心，可及时发现位置偏移的航标灯。为了方便现场对航标灯参数的设置，可通过蓝牙模块或Wi-Fi模块在手机上进行设置。光照度传感器实时检测环境亮度，根据测量结果MCU来判断是白天或晚上，航标灯白天关闭，晚上开启。

图1 一体化航标灯系统框图充电电路设计

一体化航标灯系统设计时，除了要考虑兼容性和灵活性的问题外，还要考虑充电效率应尽可能高，提高光伏电池的利用率，在满足阴天持续工作的天数需求下，可适当减少配置电池的容量，从而降低硬件成本。

1.1 无MPPT功能充电电路

为了减少开发工作量，降低成本，在一体化航标灯中采用的电路如图2所示。光伏电池板正极经过一个防反向电流的隔离二极管后，直接连接到蓄电池上，其优点是成本低、可靠性高，但由于光伏电池板的电压被蓄电池电压钳位了，无法工作在最大功率点上，使得该电路充电效率较低。

图2 无MPPT功能充电电路

1.2 具有MPPT功能的充电电路设计

充电电路由LDO稳压器U1、集成运算放大器U2、DC-DC模块(可选用升压模块、降压模块或升降压模块)、二极管D1以及少量阻容器件组成，如图3所示。根据光伏电池板最大输出功率与输出电压关系曲线[6]可明显看出，最大输出功率点发生在输出开路电压的0.78倍附近，但会受到光照、温度等环境因素影响。当光伏电池板有太阳照射开始发电时，经LDO稳压器降压后为运算放大器提供稳定的电压。电阻R1、R2对光伏电池板所输出的电压进行分压后送到运算放大器的反相端作为采样电压；电阻R3、R4,二极管D1对LDO稳压器U1所输出的电压进行分压后送到运算放大器U2的同相端作为基准电压。运算放大器根据同相端和反相端的电压进行放大后，由运算放大器的输出端输出电压送到DC-DC模块的反馈端FB，来控制DC-DC模块输出电压的大小，同样也改变了蓄电池的充电电流，从而使光伏电池板的输出电压稳定在预设值。预设值可通过改变电阻R1、R2及电阻R3、R4的分压比来调整，设置在光伏电池板开路电压的0.78倍附近。确定最大输出功率点所对应的电压值：

(1)

其中，UA为最大输出功率点所对应的电压，UO为开路电压。根据UA的值可以查看光伏电池板铭牌上的参数。通过运算放大器及DC-DC模块组成的负反馈放大器的目的是让光伏电池板输出电压始终稳定在UA的大小。确定各电阻的参数值：

(2)

若光伏电池板因太阳照射增强使得输出电压有升高的趋势，经电阻R1、R2分压所得到的采样电压也升高，由于是反相输入端电压上升，因此运算放大器放大后输出压降低，DC-DC模块受反馈端FB电压下降的控制，输出电压会升高，此时，蓄电池的充电电流也随之增大，使光伏电池板的输出电压快速下降到预设值。若光伏电池板因太阳照射减弱使得输出电压有降低的趋势，经电阻R1、R2分压得到的采样电压也降低，由于是反相输入端电压降低，因此运算放大器放大后输出压升高，DC-DC模块受反馈端FB电压升高的控制，输出电压会降低，此时，蓄电池的充电电流也随之减小，使光伏电池板的输出电压快速上升到预设值，实现了光伏电池板始终工作在最大功率点的目的。

图3 具有MPPT功能的充电电路

二极管D1作为温度补偿，当温度发生变化时，可以自动改变运算放大器的同相端的基准电压。温度升高时，基准电压降低，使光伏电池板的输出电压预设值降低；温度降低时，基准电压升高，使光伏电池板的输出电压预设值升高，可克服光伏电池板受温度影响最大功率点电压变化问题。当光伏电池板不发电时，LDO稳压器、运算放大器、DC-DC模块均不工作，不会消耗蓄电池的电能，充电电路所消耗的全部电能均来自光伏电池板。

2 性能测试

根据以上原理及电路图制作无MPPT充电电路及MPPT充电电路，测试用的一体化航标灯如图4所示。

图4 测试用的一体化航标灯

图5 无MPPT充电电路与MPPT充电电路测试数据对比

测试时两种电路用光伏电池板和蓄电池，为了方便快速地切换不同电路，将两种电路的输入端及输出端分别接入一个双刀双掷开关，且在电池正极接线上串入电流表。通过移动光伏电池板改变不同光照强度，其测试数据对比如图5所示。其中光伏电池板为4片9 V、200 mA、MPPT充电电路的最大功率点电压设为7.8 V，蓄电池为4V60AH磷酸铁锂电池组。

实验结果表明，在同样的测试条件下，MPPT充电电路的充电电流有明显提升，光伏电池板的利用率提高22%以上，且随光照强度的增大有所上升，因此增加了电能的存储量。

3 结论

本文设计的电路较简易,充电电路的光伏电池板利用率提高22%以上，与其它MPPT硬件及算法相比，优点如下：(1)采用通用的LDO稳压器、运算放大器、DC-DC模块及少量外围电路，实现成本低；(2)电路为纯硬件方式实现的MPPT功能，无需微处理器控制，无需设计软件，调试简易，开发周期短，也不会出现死机现象，工作稳定可靠；(3)增加了温度补偿的设计，克服了恒定电压法的不足。因此所设计的电路能满足一体化航标灯的应用需求。