近年來(lái)，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注利用可再生的清潔能源太陽(yáng)能進(jìn)行街道照明。典型太陽(yáng)能街道照明系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、充電控制器、蓄電池、光源以及燈桿等組成，如圖1所示。
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圖1:典型的太陽(yáng)能供電街道照明系統(tǒng)示意圖。
相比較而言，發(fā)光二極管(LED)被視作照明光源的第四個(gè)重要階段。LED的能效及光輸出性能已大幅提升，公開(kāi)宣稱的最強(qiáng)白光LED研發(fā)能力已經(jīng)達(dá)到132至136流明/瓦(lm/W)，這種能效水平已經(jīng)高于傳統(tǒng)的熒光燈和HID金屬燈。特別是到2008年，白光LED已實(shí)現(xiàn)大批量商業(yè)化生產(chǎn)，為L(zhǎng)ED更大規(guī)模地進(jìn)軍太陽(yáng)能街燈應(yīng)用打開(kāi)了大門。
采用最大峰值功率追蹤技術(shù)提升太陽(yáng)能板能效
對(duì)于太陽(yáng)能街燈而言，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效(目前僅為約30%)非常重要。太陽(yáng)能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中吸取最大量的電能非常困難。這需要太陽(yáng)能LED街燈的充電控制器及其它相關(guān)電子電路(一般采用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn))盡可能采用有效的控制方法以提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。
基本型的充電控制器設(shè)計(jì)用于保護(hù)電池免受過(guò)充或欠充影響，并防止反向電流。脈寬調(diào)制(PWM)型控制器會(huì)控制對(duì)電池充電的電量，并可實(shí)現(xiàn)細(xì)流充電(trickle charge)，從而保護(hù)電池并延長(zhǎng)使用壽命。而最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對(duì)太陽(yáng)能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。
具體而言，當(dāng)我們實(shí)際上無(wú)法改變負(fù)載時(shí)，MPPT功能使太陽(yáng)能電池“認(rèn)為”負(fù)載正在發(fā)生變化;通過(guò)這種方式，MPPT“欺騙”太陽(yáng)能板輸出希望所得到的電壓和電流，從而允許更多電能輸入至蓄電池。
安森美半導(dǎo)體針對(duì)太陽(yáng)能板電池充電控制應(yīng)用解決方案，其核心采用CS51221增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器，支持最大峰值功率追蹤，輸入電壓為12至24 V,輸出電流為12 V@2 A,并提供可調(diào)節(jié)逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過(guò)壓鎖定等保護(hù)特性。該控制器提供輔助輸入端，用于遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控;能夠適應(yīng)功率高至90 W的太陽(yáng)能板應(yīng)用。
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圖2:安森美半導(dǎo)體CS51221控制器的太陽(yáng)能板充電控制應(yīng)用示意圖
在應(yīng)用電路中，需要針對(duì)CS51221選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要能夠在一個(gè)蓄電池的情況下將太陽(yáng)能板輸出電壓降至12 V,而在有兩個(gè)或多個(gè)蓄電池情況下，也能輕易修改，支持升壓至24 V. CS51221本身能夠配置為正激、反激或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。安森美半導(dǎo)體針對(duì)太陽(yáng)能板充電控制應(yīng)用所推出的參考設(shè)計(jì)中，選擇的是反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在應(yīng)用中，通過(guò)在ISET引腳動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)電流限制，從而實(shí)現(xiàn)最大峰值功率追蹤功能。一旦輸入電壓逐脈沖下降，電流限制就會(huì)被降低，直至輸入電壓恢復(fù)。這種方式消除了使用價(jià)格昂貴的微控制器(MCU)的需要。這樣實(shí)現(xiàn)的充電控制器會(huì)發(fā)現(xiàn)峰值功率點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使其符合不斷變化的電源特性。
通過(guò)采用最大峰值功率追蹤技術(shù)，可以有約30%的額外電荷從太陽(yáng)能板傳輸至蓄電池，這樣就可以使太陽(yáng)能街燈系統(tǒng)采用尺寸更小的太陽(yáng)能板。如在獲得相同電能的情況下，可以采用帶MPPT功能的60 W功率太陽(yáng)能板來(lái)替代采用基本充電控制器的90 W功率太陽(yáng)能板。按照輸出每瓦電能需要約價(jià)值4美元的太陽(yáng)能板來(lái)計(jì)算，功率減少30 W所帶來(lái)的太陽(yáng)能板成本節(jié)省就可達(dá)到120美元，從而帶來(lái)顯著的成本降低收益。