基于MPPT 方法的微能源光伏系统设计

周涛，尹亚江

（1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192；2.清华大学精密仪器系，北京 100084）

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由散布在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成。无线传感网络节点具有传感、处理和通信功能。这些无线传感器节点能部署在野外恶劣、危险或人类不宜到达的区域，目前已被广泛应用于军事工业监控、安全监控、智能交通、环境与生态监测等领域[1]。对无线传感器实现物联网（ⅠoT）的未来预测显示，2018—2023 年间，无线传感器的需求将增加2 倍，这导致大约500 亿无线传感器对电源的需求显著增加[2]。所以，能源供给成为限制无线传感网络发展的瓶颈。

一个无线传感器网络节点一般由4 个部分组成：供能模块、传感模块、处理模块、无线通信模块[3]。供能模块是传感器节点非常重要的部分，需给其他3 个部分供电，保证其正常运作。然而，无线传感节点往往处在人难以接触的环境中，当电池能量耗尽时，无法更换电池。在无线传感网络节点的组成单元中，通信单元的耗能远高于感知和计算单元[4]。其在休眠期时，节点功耗是微瓦级，但是在数据收发时功率可达几十毫瓦。由于收集到的能量很小，能量收集器不能直接为负载供电，因此，能量收集与存储是研究自供电系统的关键所在[5-6]。

能量收集主要分为两方面，一方面是能量收集技术，另一方面是能量管理。针对能量收集技术，国内外进行了相关研究。马航[7]选择变步长电流观测法作为最大功率点跟踪算法，提高了太阳能利用率。韩蕾等[8]基于开路电压法提出一种可以根据光照强度变化而自适应调整工作性能的跟踪器，从而进一步提高太阳能电池的能量转移效率。KⅠM 等[9]基于具有快速跟踪时间的爬山算法，设计了一种用于无线传感器网络的800 μW 光伏电池高效光伏能量采集器。ALⅠPPⅠ等[10]提出了一种基于太阳能的专为无线传感器节点设计的自适应数字控制MPPT 电路。BRUNELLⅠ等[11]基于分数开路电压法提出了一种适用于低功耗和环保嵌入式系统的光伏收获机，不需要任何数字控制器，降低了成本，缩小了组件尺寸。CHEN 等[12]通过脉冲频率调制调节器开关模块，通过约束控制电路实现最大功率点跟踪，实验结果表明，该系统可以实现较高转换率，最大化地减少系统的休眠时间。KⅠM 等[13]在MPPT 电路中利用逐次逼近并进行反馈的方法，来平衡解决1 mW 级低功耗光伏供电电路中的瞬间响应和稳态震荡的问题。

尽管国内外学者做了很多研究，但系统尺寸、收集效率和MPPT 电路性能之间的矛盾仍然存在。本文重点研究了用于无线传感器网络节点的自供电式太阳能收集电路，具体从微型光伏电源系统的4 个部分讲述，分别为MPPT 控制模块、输入模块、储能模块、输出稳压模块，最后进行结果测试。

1 系统总体设计

微型光伏电源系统主要包括4 个部分，即MPPT控制电路、输入模块、储能模块、输出稳压模块。系统总体结构图如图1 所示。

图1 微型光伏电源系统结构图

1.1 MPPT 的工作原理

基于matlab/simulink搭建了光伏电池的数学模型，仿真得到单晶硅光伏电池在变化光照强度和变化温度下输出特性曲线。输出特性曲线如图2—图5 所示。

图2 变化光照条件下U-I 特性曲线

图4 变化温度条件下U-I 特性曲线

图5 变化温度条件下U-P 特性曲线

对单晶硅光伏电池来说，存在最大功率点，对应特定的Vmpp和Impp，最大功率点受光照强度变化而变化。常用的MPPT 算法包括固定电压法[14]、电导增量法[15]、扰动观察法[16]、爬山法[17]及神经网络算法[18]等。这些算法基本上与跟踪最大功率点的算法相同，在此期间执行迭代扰动和观察，直到实现最大功率点。另一种成熟的方法称为增量电导法，基于光伏电池功率曲线的斜率在最大功率点处为0。在这些方法中，需要进行电压测量和电流测量。与上述几种方法相比，分数开路电压（VOC）方法是一种简单的方法，其既不需要复杂的电流测量，也不需要功耗大的MCU 进行控制，因此MPPT 电路本身消耗的功率较低。这种方法主要采用光伏电池板的VMPP和VOC之间的线性关系，如下式所示。

式中：kFOC为从测试数据中提取出的，近似为一个常数值。

1.2 MPPT 控制电路设计

因为收集的光伏能量是毫瓦级，要实现低功耗，必须保证MPPT 控制电路功耗较低，所以选择了LTV3691 毫微功耗比较器。由于最大功率点的电压与光伏电池的开路电压近似线性关系，为了更加精确地跟踪最大功率点，选用了2 块尺寸大小为30 mm×40 mm、材质都是单晶硅的光伏电池片。其中一块作为参考电池片，提供参考电压。根据如下公式可以设置迟滞窗口大小。

MPPT 控制电路图如图6 所示。

图6 MPPT 控制电路图

1.3 输入模块设计

作为系统输入模块，应该尽量保证收集更多的能量，通过MPPT 控制电路对LTC3632 进行控制，从而保证输入电压稳定在最大功率点时电压值，实现最大功率收集。输入模块电路图如图7 所示。

图7 输入模块电路图

1.4 储能模块设计

收集到的光伏能量为几十毫瓦，对于无线传感节点而言，在发射数据时，峰值功率会达到100 mW 以上。因此，需要储能模块在能量不足时储存能量，以供负载正常运行。储能模块包括锂电池、升压芯片LTC3401、超级电容。首先，光照充足时，收集的能量给锂电池和超级电容共同充电。当光照不足时，超级电容立刻释放电量，然后锂电池通过升压芯片LTC3401 给超级电容充电。当超级电容和锂电池两端电压相等时，锂电池不再进行放电。这样可以防止锂电池过度放电，有利于延长锂电池的寿命。储能模块电路图如图8 所示。

图8 储能模块电路图

1.5 输出稳压模块设计

为了保证负载能够稳定正常地工作，需要输出模块进行稳压处理，保证输出的电压为3.3 V。选用了LTC3388 毫微功耗升降压芯片，具有多种输出电压取值，这里选择3.3 V 输出。输出稳压电路图如图9 所示。

图9 输出稳压电路图

2 实验结果

对太阳能收集电路效率进行测试，测试方案如图10 所示。用直流稳压电源代替太阳能电池，用电位器作为负载。直流电源的电压设为4.8 V，设定最大输入电流在1～20 mA 之间变化，调节电位器的阻值使得输出电压正好略低于能量收集电路的设计输出电压。测量能量收集电路的输入电流和输入电压，从而可以得出输入功率Pin=Vin×Iin。测量电位器两端的电压，从而得出输出功率Pout=Vout2/R。最终可以计算出在不同输出功率下能量收集电路的效率。测试结果如图11 所示。在输出功率为4.8～100.0 mW 的范围内，太阳能收集电路的效率都可以达到88%以上。在一般光照条件下，本研究中太阳能电池的输出功率水平都在此范围内，因而可以实现较高的收集效率。

图10 太阳能收集电路效率测试方案

图11 太阳能收集电路的效率

搭建模拟光源，选用飞利浦LED 投光灯QVF135，负载为温湿度传感节点，使用台湾泰仕TES-1333 太阳能功率表辐照仪光强度检测仪光功率计。在光照强度为1 000 W/m2以及温度为25 ℃的条件下，测得光伏电池输出电压VF，如图12 所示。超级电容和稳压输出电压分别为Vcap和Vout，如图13、图14 所示。可以看出在光照强度充足条件下，光伏电池输入电压稳定在4.75 V 左右，也就是稳定在最大功率点时的电压，保证收集最大功率。超级电容可以被充至4.2 V，确保能够将超级电容充满。输出稳压在3.3 V，满足负载正常工作时的电压。

图12 光伏电池输出电压

图13 超级电容两端电压

图14 稳压输出电压

3 结束语

基于matlab/simulink 仿真，得出光伏电池片最大功率点电压与开路电压的关系，从而得出比例系数。采用开路电压法设计了MPPT 控制电路，可以根据光照强弱，保证光伏电池输出电压稳定在最大功率点电压附近。通过测试，基于MPPT 控制的光伏电源系统收集效率在88%以上。选用毫微功耗芯片，实现了低功耗，进一步提高能量收集效率。整个系统的尺寸为5.4 cm×3.3 cm，实现了能量收集设备朝着小型化方向发展。储能模块电路可以有效保护锂电池过度放电，为无线传感器网络提供一种简单、高效的能量收集方法。同时，可以有效应用在国防安全、智慧农业、工业4.0、智能家居等领域。