2 2 电子科技 采用单片机的太阳能电池 最大功率点跟踪控制器 合肥工业大学能源研究所 (合肥 230009) 　欧阳名三 　余世杰 　沈玉 　　摘 　要 　文章介绍了一种采用 Motorola 单片机实现太阳能电池最大功率点跟踪 (MPP T) 控制 的精简设计 。在这个设计中提出了采用“电压扰动法”来实现 MPP T 控制 ,并给出了实验方法 。实 验结果表明 ,控制器达到了 MPP T 的目的 。 　　关键词 　单片机 　MPP T 控制 　太阳能电池 1 　概述 太阳能的光伏利用日益被人们重视 ,世界各国 都投入大量的人力 、物力 、财力争相发展 。在光伏控 制技术上 ,由于 CV T (恒定电压跟踪器) 的制造相对 简单 ,许多产品仍然采用这种跟踪方式以代替相对 复杂一些的 MPP T (Maximum Power Point Tracking 最大功率点跟踪) ,但这种方式所带来的功率损失随 着近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的价格 大幅度降低 ,已经显得很不经济[ 1 ] 。 因此具有太阳能 MPP T 功能的控制器是光伏 利用技术上的提高 ,采用高性能价格比的单片机来 实现 MPP T 的控制将会比 CV T 控制带来更大的效 益 。 2 　太阳能电池的光伏特性 光伏电池由于其受外界影响因素 (温度 、光照 等) 很多 ,且它的输出具有非线性特性 ,如图 1 的伏 安(电压 功率) 特 性 。 电流) 特性和图 2 的伏瓦 (电压 从图可以看到 ,在常温下 ,200W/ m2 日照时 ,最 大功率点发生在电压为 380V ;而 1 000W/ m2 日照 时 ,最大功率点发生在电压为 430V ,如图 1 (a) 和图 2 (a) 中的虚线所示 。 上式中 R x 中包括 R 18以及线路上所有纯阻阻抗 ,虽 然这两种电阻的值都未知 ,但从上式中可以看到 , X 是阻抗减去 R x 后的值 ,因此可以先在专用标准电 容仪上标定 C 的值 ,求得 R x 之后 ,在实际测试系统 中将求得的 R x 剔除 ,从而测出电容 C 的值 。可见 这种测试方法的前提是 : (1) 整批产品的离散性比 较小 ; (2) R 18的阻值与容抗相比小得多 ,这样 ,即便 R x 在生产时有一定的波动 ,也不至于对 C 的测试 影响太大 。 本系统采用上述阻抗测量法后 ,经实际测试 ,它 的正确度与原系统中专用电容测试仪在同一级别 上 。 5 　结束语 的 ,正确 、高效 、经济是系统追求的目标 ,这套系统的 性价比之高 ,是传统仪器无法相比的 ,从中也折射出 虚拟仪器的生命力 ; 由于使用 LabV IEW 作软件平 台 ,程序编写十分容易 ,系统中的测试报告 ,直接传 送到 Excel ,编写一个规范的报告易如反掌 ,而且用 LabV IEW 设计的界面十分友好 ;虚拟仪器的使用也 提高了测试效率 。如果采用双工位结构 ,当一个工 位工作时 ,另一工位可更换被测产品 ,这样测试效率 将更高 。 参 考 文 献 1 　N I. Function and V I Reference Manual [ R ] , National In strument ,1998 2 　N I. Data Acquisition Basics Manual [ R ] , National Instru ment ,1998 本系统是为厚膜集成电路大批量生产测试设计 3 　汪敏生等. LabV IEW 基础教程. 电子工业出版社 ,2002 《电子技术》2002 年第 12 期 　　　　 　中国传感器 　http :/ / www. sensor. com. cn (753) 49 

(a) 　常温不同日照 (b) 　相同日照不同温度 图 1 　太阳能电池的伏安特性 (a) 　常温不同日照 图 2 　太阳能电池的伏瓦特性 (b) 　相同日照不同温度 　　在同一日照下 ,温度为 50 °C时 ,最大功率点发 生在电压为 380V ;温度为 0 °C时 ,最大功率点发生 在电压为 520V ,如图 1 (b) 和图 2 (b) 中的虚线所示 。 可知 ,CV T 技术是不能满足太阳能电池在各种 日照和温度下的最大功率输出要求的 。 3 　MPPT 控制的实现 3. 1 　控制方法 为了实现 MPP T 功能 ,这里采用输出功率比较 法 (电压扰动法) ,原则是电压的变化始终是让太阳 能输出功率朝大的方向改变 。即首先让太阳能电 图 3 　MPPT 控制流程图 池以某个电压输出 ,测得它的输出功率 ,然后在这个 电压基础上增加或者减少一定的幅值 ,再测量输出 功率 ,比较测得的两个功率值 ,按照以上原则决定下 次输出电压增加或者减少 。MPP T 控制流程框图如 图 3 所示 。 3. 2 　单片机实现 3. 2. 1 　硬件 Motorola 68HC908 单片机具有功能强大 、体积 小 、价格低 、功耗低等优点 。它的内部有 4 K 字节的 Flash 程序存贮单元以及 128 字节的 RAM 空间 。 同时还有 5 路与 I/ O 口复用的 A/ D 转换和 2 路与 I/ O 口复用的 PWM 口 ,因而不需要对存贮空间 、A/ D 转换与 D/ A 转换扩展 ,能够实现真正的单片机功 能 。 采用其中两路 A/ D 转换输入通道作为太阳能 电池的输出电压和电流的采集通路 ,为了降低设计 的费用 ,电流的传感器采用分流器 ,电压采用电阻分 压 。但是需要注意的是分流器和分压电阻要共地 , 最好它们的地就是太阳能电池的负极 。电压 、电流 传感器的接线如图 4 所示 ,其中的两个稳压管用来 保护单片机 ,稳压值为 5. 1V 。R3 与 C1 、R5 与 C2 作为抗干扰用 。 　　由于要控制太阳能电池的输出功率 ,同时又因 为被控制器件或者物理量不同 ,单片机根据功率的 50 (754) 中国自动化 　http :/ / www. automation. com. cn 　　　　　　 《电子技术》2002 年第 12 期 

2 2 实验中通过改变负载电阻 、电源串联电阻和电源电 压来观察 MPP T 的跟踪效果 。测得实验数据如表 1 所列 。初始状态是电源电压 Vs 为 60V ,电源串联电 阻 W1 为 72Ω ,负载电阻 W2 为 36Ω。 图 6 　实验原理图 　　从表可知 ,测得负载电压基本在电源电压的一 半 ,这正好是 MPP T 作用的结果 。因为 DC/ DC 转 换器可以看成是一个阻抗变换器 ,它与 W2 可以看 成为一个电阻 ,只要这个电阻等于 W1 ,即可取得最 大功率 。这时 b 点的电压正好等于 a 点的一半 。实 验结 果 中 b 点 的 电 压 在 一 定 范 围 变 化 , 是 因 为 MPP T 控制器利用扰动法在不停地搜寻 。 5 　结论 采用 MPP T 控制技术 ,特别是在温差变化较大 场合 ,能有效提升太阳能电池的输出 。实验证明由 68HC908J K3 单片机构成的 MPP T 控制器能实现太 阳能电池的最大功率输出 ,并具有体积小 、价格低和 接线简单等优点 ,因而具有实用价值 ,已在充电器上 得到应用 。 参 考 文 献 1 　余世杰 ,何慧若 ,曹仁贤. 光伏水泵系统中 CV T 及 MPPT 的控制比较[J ]. 太阳能学报 ,1998. 19 (4) :94～98 2 　京特. 莱纳 ,汉斯. 卡尔著. 余世杰 ,何慧若译. 太阳能的光 伏利用[ M ]. 合肥 :合肥工业大学 ,1991. 9 3 　刘慧银等编著. Motolora 微控制器 MC68HC08 原理及其 嵌入式应用[ M ]. 北京 :清华大学出版社 ,2001. 8 4 　C Hua , J Lin , C Shen. Implementation of a DSP photovoltaic system with peak power tracking [ J ]. Trans. Ind. Electron , Feb. 1998 ,Vol. 45 :99 controlled IEEE 107. 5 　Eftichios Koutroulisal. Development of a Microcontroller Based Photovoltaic Maximum Power Point Trackng Control IEEE Trans. Power Electronics ,2001. 16 (1) : System[J ]. 46～54. 图 4 　电压 、电流传感接线图 变化从它的 PWM 口输出一个 1kHz 的 PWM 波 。 这个 PWM 波可以直接用于控制开关器件 ,也可以 经低通滤波得到一个直流电压 ,用于作为控制信号 的给定 。 3. 2. 2 　软件 MPP T 的控制流程如图 3 所示 。数据采集采用 定时中断下的查询方式 , PWM 波输出是以溢出中 断方式改变 。为防止 PWM 输出改变时产生的不稳 定 ,采用带缓冲的 PWM 输出方式 ,因而在输出时通 过判断交替送出脉宽至通道 0 和 1 。 在主程序中主要是完成对 I/ O 、定时器以及 PWM 的初始化 。在定时中断程序中完成对数据采 集 、处理和输出 ,它是程序的关键部分 ,它的流程图 如图 5 所示 。 图 5 　定时中断流程框图 4 　模拟实验及分析 实验采用一直流电源加滑线电阻模拟太阳能电 池 ,一个可控的 DC/ DC 转换器 (Buck 电路) 作为被 控器件 ,一个可变电阻做负载 。实验电路框图如图 6 所示 。 　　MPP T控制器输出给DC/ DC转换器的控制端 。 检测点 状态 电源电压 (V) (a 点) 负载电压 (V) (b 点) 表 1 　实验数据 W1 = 42Ω W2 = 36Ω 60 W1 = 72Ω W2 = 24Ω 60 初始 60 W1 = 36Ω W2 = 24Ω 60 29. 5～31. 3 30. 2～31. 6 29. 2～31. 2 28. 8～30. 4 W1 = 72Ω ,W2 = 36Ω 改变 a 点电压为 72V 72 35～36. 4 《电子技术》2002 年第 12 期 　　　　 　中国传感器 　http :/ / www. sensor. com. cn (755) 51