基于锂离子电池充电器IC的最大功率点跟踪系统

系统概述

本参考设计是基于MP2731IC来自MPS，带有MC96F1206控制器(低成本的8051 MCU)。适用于中小型太阳能充电方案。与传统的MPPT系统相比，基于mp2731的系统集成了VIN连接开关、ADC和电压/电流传感电路，显著降低了系统成本。系统设计采用扰动观察(P&O)算法进行MPPT，跟踪精度达到98%以上。

图2给出了参考设计的系统框图。系统的主要模块包括MP2731、MC96F1206单片机、电池、系统负载。

图2:MPPT系统框图

MP2731的特点包括在9V输入5W系统中高达93%的效率，98%的MPPT精度，较小的25mmx25mm核心电路面积，完全集成的电源开关，内置强大的充电保护，包括JEITA和可编程安全定时器，以及用于灵活的系统参数设置和状态报告的I2C接口(见图3)．

图3:MPPT控制系统PCB

系统设计

MPPT理论

太阳能电池板的输出功率由以下几个因素决定:辐照度水平、电池板的工作电压和电流以及负载。太阳能电池板向系统输出最优功率时存在一个最大功率点(见图4)．最大功率点跟踪技术，如P&O或增量电导方法，用于在不断变化的辐照条件下，积极地保持太阳能电池板在MPPT下运行。

图4:太阳能板P-V和I-V曲线

在基于功率的P&O MPPT算法中，采用光伏板功率对电压dP/dV的导数作为跟踪参数。用式(1)计算MPP何时达到:

$$\frac{dP_{in}}{dV{in}} = 0$$

硬件实现

通常使用DC/DC变换器来确保系统内部的MPP优化。高度集成的开关充电器(本参考设计中来自MPS的MP2731)连接在PV面板和电池负载之间。

图5:MP2731的功能块

当电池板处于低辐照度下时，一个反向阻塞FET Q1用于阻塞从电池负载到光伏电池板的路径。IC的输入电压/电流和输出电压/电流通过8位ADC进行采样。该集成电路支持I2C通信，因此可以方便地将数字化的电流和电压信息传输到外部MCU。

软件实现

P&O MPPT算法在ABOV半导体公司的20针8位MC96F1206单片机中实现。与MP2731， MCU中的I2C外设被激活。

图6:系统级软件流程图

注:更新前I_抵消，关闭连接在MP2731的SYS引脚的其他设备，以确保I_抵消正确校准。

图6显示系统级软件流程。当V_在低于欠压阈值。当V_在恢复时，它发送一个中断(INT)来唤醒MCU。然后MCU读取MP2731寄存器并启动这些寄存器(见表1)．

注册地址	值(十六进制)	值(本)	描述
0 x00	0 x7f	0111 1111	将输入电流限制设置为3.25A(最大)
0 x02	0 xdc	1101 1100	自动输入电流优化被禁用
0 x03	0×50	0101 0000	开启ADC连续转换
(	0 x84	1000 0100	终止已启用，WTD和安全时间已禁用
0 x0b	0 xc0	1100 0000	USB检测被禁用

表1:操作寄存器

通过将输入电流限制设置为最大值，面板电压仅由输入电压限制环控制。通过调整输入电压限制环基准，可以调整光伏板的电压。初始化MP2731后，读取ADC初始值，然后启用充电。

检查VIN_STAT是否等于1。如果它不等于1，则将VIN_REG增加一个单位，然后返回VIN_STAT的前一个值。当VIN_REG达到最大限制时，VIN_STAT仍然不等于1。充电电流逐渐减小，回到VIN_STAT之前设置的值。

当VIN_REG集达到极限时，ICC被设置为最小值。如果VIN_STAT值仍然不等于1，则MCU进入睡眠模式MP2731的充电功能被禁用，直到INT中断功能唤醒MCU。

局部阴影处理局部MPP

如果光伏板被部分覆盖，并且可以使用传统的P&O MPPT算法跟踪本地MPP，则每当输入电压标志发生变化时，MCU都会启动扫描。MCU调整MP2731的输入调节电压基准，从面板开路电压的50% (V_OC)至80% V_OC扫描最佳功率点。

在初始扫描后，将光伏面板设置为在最大功率点运行。为了在不同的负载和辐照度条件下继续跟踪最优点，P&O算法在单片机上每256ms运行一次(见图7)．

图7:P&O MPPT算法

实验结果

图8下图为MPP为(8V, 500mA)的光伏板的MPPT过程。t0前，空载时，光伏板以开路电压输出12V。MP2731 IC和MCU上电后，光伏板以MCU设定的6V输入电压运行。从t0到t2, MCU扫描MPP。

在t1时，MPP被定位，但扫描算法继续扫描输入电压，直到功率下降到t2时记录峰值功率的85%。t2后，单片机将面板电压设置为扫描到的峰值功率电压，然后启动实时P&O算法。

图9显示了锂离子电池的完整充电行为。从t0到t1，系统上电，扫描MPP。从t1到t2，随着电池充电电流从恒流变为低值，电池经历CC和CV阶段。当电池接近充满电时，光伏板电压开始再次上升到开板电压。由于电池在充满电时消耗的负载电流较小，因此存在轻载状态。

采用低电阻集成mosfet，基于mp2731的MPPT系统在各种条件下也能实现高效率(参见图10)．

图10:面板效率数据(5V, 9V, 12V)

图11:部分阴影的跟踪性能

图11为部分遮阳条件下光伏板的跟踪性能。在t0出现部分遮阳条件时，光伏板电压和电流降低。在t1时，当部分遮阳被移除时，MPPT将光伏板电压调整回MPP水平。

图12:自然光照环境下的跟踪性能

图12为室外自然阳光下光伏板的跟踪性能。太阳辐照度上下波动，影响光伏板输出电流。然而，MPP面板电压通常不受辐照度水平的影响(在本例中约为8V)。图12结果表明，有效的MPPT算法能够在改变辐照度的情况下保持在8V下的MPP跟踪。

结论

MP2731锂离子电池充电器IC通过从BOM中消除离散的电压和电流传感电路，有效地降低了户外物联网系统的成本。高集成低R_DS(上)允许高效率的系统与紧凑的PCB区域。未来的产品开发计划包括适应更高功率、更高电压应用的设计，进一步降低系统静态功耗，以及为多面板系统开发解决方案。188比分直播吧

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