基于最大功率点跟踪算法的便携式光伏移动电源设计

赵相泽

（云南省电子信息产品检验院 云南省昆明市 650031）

光伏发电的实质是利用半导体材料实现对太阳光的接收，并通过相应的转换使其产生伏特效应，这一技术的应用实现了将太阳光能到电能的直接转换。在光伏发电结构当中，核心结构是光伏电源装置，而这种装置是一种能够实现太阳能到电能直接转换的装置。当前由于各类设备、装置的用电需求量不断提升，同时在充电过程中必须保证供电的稳定性，不会对用电设备的正常运行造成影响，在此基础上还对供电电源的便携性提出了更高的要求，要求其能够在更多的场所中实现对设备的供电。因此，基于这一需要，当前相关领域研究人员逐渐将研究重点转向了对便携式光伏移动电源的设计研发当中。光伏电源在运行的过程中具备典型的非线性特征，因此，在外界环境条件发生变化时，电源的最大功率点也会随之发生改变，进而造成若没有实现对功率点很好地跟踪，则输出功率将无法满足最大要求。针对这一问题，为了确保光伏电源的输出，需要针对其运行过程中的最大功率点进行跟踪。而最大功率点跟踪算法是实现对目标的动态自寻优，能够充分满足光伏移动电源的运行要求，并且其跟踪策略能够为对光伏移动电源输出功率的实时检测提供更可靠依据。基于此，在充分考虑光伏移动电源在运行过程中其输出功率受外界环境和内部结构影响的基础上，引入最大功率点跟踪算法对便携式光伏移动电源开展设计研究。

1 基于最大功率点跟踪算法的便携式光伏移动电源设计

1.1 便携式光伏移动电源总体结构设计

为提高光伏电源供电的便利性，在引入最大功率点跟踪算法的基础上，尝试设计一种便携式的光伏移动电源。电源总体结构中包含充电电路、充放电保护、DC-DC 变换电路等，图1 为便携式光伏移动电源的总体结构组成示意图。

图1：便携式光伏移动电源总体结构组成示意图

在便携式光伏移动电源的结构当中，其充电电路主要用于实现对蓄电池的充电，太阳能电池板的应用使得电源能够更加适用于户外充电环境当中，而市电也可实现在光照不强的室内完成充电，以此能够有效避免遇到连续阴雨天气电源无法充电的问题。除此之外，在该电源结构当中DC-DC转换电路的主要功能是将蓄电池当中的电压提升到5V，以此为电子产品提供其所需充电电压。

在明确该电源的总体结构后，针对结构当中的各个组件进行选型设计说明。首先，针对电源中的太阳能电池组件进行选型。在太阳能电池当中，构成电池组的单体电压只能在0.45V～0.5V 范围内变化，而正常情况下电流位置在20mA～25mA 范围内，通过单体无法满足电源运行的供电要求。因此，针对这一问题需要将所有的单体电池通过串联的方式连接，并以此形成一个完整的太阳能电池板，以便提升便携式光伏移动电源输出功率，从而充分满足电源的使用功能。根据上述分析，选用ZD92*55-490 型号优质PET 承压太阳能电池板作为本文便携式光伏移动电源中的太阳能电池组件。该型号太阳能电池板的开路电压为6.4V，最大短路电流为120mA，工作电压为5V，最大工作电流为100mA最大功率为0.9W；尺寸为115mm*51mm（长×宽），能够充分适用于便携式的电子产品当中。同时，本文选用的太阳能电池板当中包含了sunpower、单晶、多晶硅等多种先进的材料，且在旁路上安装了二极管结构，能够确保电源整体在运行过程中不受影响，避免热斑损失。在电池板的表面还采用了PET/TEFE 封装结构，能够有效减少太阳光的反射，同时提升光学透射率，以此促进整个便携式光伏移动电源转换效率的提升。该型号太阳能电池板的使用寿命超过5 年，且衰减小于20%，能够进一步提高电源的使用水平。

在完成对电源中的太阳能电池组件选型后，针对电源内的蓄电池型号进行选择。使用HD468-4064 型号3.7V2400mAh 锂离子锂电池作为本文电源的内置蓄电池，其额定容量为2400mAh，理论上能够为容量为1200mAh容量的电子设备提供两次充满电的条件。HD468-4064 型号锂离子锂电池的内阻为120mΩ；重量为30g；储存温度在-22℃ ～+30℃范围内；充电截止电压为4.2V；充电电流为0.2C～0.5C；出厂电压为3.6V；符合国家GB31241-2014电芯标准。HD468-4064 型号锂离子锂电池本身具备过充保护、过放保护、过流保护、短路保护等功能，因此将其应用到本文便携式光伏移动电源当中能够为其运行可靠性和安全性提供更有利条件。在实际应用中，若HD468-4064 型号锂离子锂电池需要长时间存储，则应当将其充电到50%电量的状态下，其电压约为3.8V，将其放置在合理的存储环境当中。同时，对于HD468-4064 型号锂离子锂电池而言，每6 个月至少需要完成一次完整的充放电循环，以此确保电池的运行性能。

最后，针对本文便携式光伏移动电源中的MCU 控制芯片进行选型设计说明。综合本文电源的使用要求，选择将HOLT9491-4690 型号的HT46R052B 单片机作为电源的MCU 控制芯片。该型号单片机具备高性能精简指令集，并且与其他相似功能的单片机相比，具备低功耗、I/O 转换灵活等优势。当前HT46R052B 单片机被广泛应用在工业生产、家用电器等领域当中，实现对其运行控制。在完成对MCU控制芯片的选型后，还需要对其引脚功能进行意义对应，并按照表1 内容确定各引脚名称、功能以及具体说明。

表1：MCU 控制芯片引脚说明

MCU 控制芯片在正常运行且不存在负载情况时，其工作电流在1.5mA 左右。当MCU 控制芯片进入到休眠状态时，其工作电流将低于10μA。因此，本文设计的便携式光伏移动电源在不适用的情况下，应当通过对MCU 控制芯片的控制，使其进入到休眠状态当中，避免出现资源浪费的现象。当MCU 控制芯片进入到休眠状态当中后，通过下述几种方式能够实现对其唤醒。首先，可以通过外部复位端口直接唤醒，其次可以通过外部中断和PA 口下降的方式唤醒。当MCU 控制芯片从休眠状态中被唤醒时，需要一定延时时间恢复到正常的运行状态，因此在后续对便携式光伏移动电源的运行程序设置时，需要增加一个延时程序。

1.2 基于最大功率点跟踪算法的电源内部电路结构设计

在上述电源总体结构设计基础上，引入最大功率点跟踪算法，针对电源内部电路结构进行优化设计。由于电源内部的太阳能蓄电池极易受到周围环境的影响，而电源在运行过程中其输出功率与其自身输出电压有着一定相关性，此时输出功率曲线稳定在某一节点上时，则该节点即为最大功率点。根据这一特性，针对电源内部的电路结构进行设计。在电源处于负载或电源内阻相等的情况下，其负载能够获取到最大的功率，但此时便携式光伏移动电源内阻也会随着光照强度的改变和环境温度的改变而发生变化，因此此时无法确定最佳的负载大小。因此，针对这一问题，尝试在内部太阳能蓄电池和负载之间增加一个Boost 变换电路，并结合PWM 调制技术实现对电路整体的调控，并实现对电源内部电路的驱动控制，从而实现对电源输出最大功率点的跟踪。图2 为本文电源内部电路结构图。

图2：基于最大功率点跟踪算法的电源内部电路结构图

在图2 所示的电源内部电路结构当中，通过改变开关的占空比，实现对便携式光伏移动电源输出电压的调节，并以此达到最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制算法的效果。在这一过程中，为了方便分析，可将开关占空比的变化数值看作是其步长的变化量，其中占空比的计算公式为：

公式（1）中，δ 表示为开关占空比的变化数值；t 表示电源中开关管的导通时间；T 表示开关时间。在上述公式（1）的基础上，确定便携式光伏移动电源输入电压与输出电压之间的关系，如公式（2）所示：

公式（2）中，U表示为便携式光伏移动电源输出电压；U表示为便携式光伏移动电源输入电压。根据上述公式，确定输入电压与输出电压之间的关系，并以此为依据，为后续电源输出电压、电流控制提供依据。

1.3 便携式光伏移动电源输出电压、电流控制

为了进一步提高便携式光伏移动电源的运行稳定性，根据实际运行状态对其输出电压及电流进行控制。引入一种MPPT 控制算法逻辑，将控制逻辑集合通过推理和转换，以一种数学函数的形式展示。利用该数学函数，反映便携式光伏移动电源输入和输出变量之间的关系。通常情况下，在对其电压和电流控制时，将误差量以及误差的具体变化量作为数学函数的输入变量，在经过MPPT 控制算法逻辑的判断后，将最终的输出变量结果计算得出。上述论述当中，输入变量中的误差量计算公式为：

公式（3）中，e 表示为输入变量当中的误差量数值；p(n)表示为在某一时刻n 时获取到的便携式光伏移动电源输出功率数值；I(n)表示为在某一时刻n 时获取到的便携式光伏移动电源输出电流数值；p(n-1)表示为在前一时刻获取到的便携式光伏移动电源输出功率数值；I(n-1)表示为在前一时刻获取到的便携式光伏移动电源输出电流数值。输入变量当中的误差变化量数值可通过如下公式计算得出：

公式（4）中，e表示为输入变量中误差变化量数值；e(n)表示为在某一时刻n 时获取到的便携式光伏移动电源输出误差量；e(n-1)表示为在前一时刻获取到的便携式光伏移动电源输出误差量。在上述公式（3）和公式（4）的基础上，若实际应用中便携式光伏移动电源在运行过程中的最大功率点为0 时，则此时通过MPPT 控制算法逻辑可以进一步分析得出，此时误差变化量数值也为0。

根据上述论述，将公式（3）和公式（4）计算得出的数据结果作为依据，在电源内部结构当中增加一个控制器。确定该控制器的输入量即为上述公式计算结果。将实现电源最大功率输出作为控制目标，因此控制器输出的内容应为误差变化量为0 时的输出功率数值。在明确输入和输出后，构建一个MPPT 控制算法逻辑，其基本思路为：在距离最大功率点最远时，此时可选用较大的步长用于实现对上述设计的电源内部Boost 电路占空比的控制；在距离最大功率点最近时，此时可选用较小的步长用于实现对电源内部Boost 电路占空比的控制。基于上述控制逻辑，确保最终便携式光伏移动电源能够通过对电流和电压的控制，实现对最大功率的输出，提高便携式光伏移动电源的应用性能。

1.4 便携式光伏移动电源充、放电程序与指示灯设计

在完成对便携式光伏移动电源输出电压、电流控制设计后，最后还需要明确电源充电时和放电时的程序，并针对其指示灯显示进行设计。将便携式光伏移动电源的充电过程划分为两个阶段，其中第一个阶段为恒流状态充电，此时充电电压能够达到始终保持稳定，数值不会发生改变。当达到一定阈值后，电源充电进入到第二个状态，恒压充电状态，此时充电电流会随着时间的变化而表现出逐渐降低的趋势。当充电电流逐渐降低到0.1mA 时，认为此时便携式光伏移动电源已经充电到了额定容量的95%以上，此时可以看作便携式光伏移动电源电量基本充满。若继续处于充电状态，则电流会逐渐降低，直到变为0 为止，此时便携式光伏移动电源处于充满电的状态。在这一过程中，充电指示灯始终亮起。当电源处于充满电的状态时，此时充饱指示灯亮起，充电指示灯熄灭。为了实现对两种指示灯更好的区分，充电状态下的指示灯亮起为红色，充饱状态下的指示灯亮起为绿色。

本文设计的便携式光伏移动电源内部安装了太阳能蓄电池，以此能够实现对外接电池的充电，同时也可将该电源直接作为供外接电子设备使用。因此，为了确保便携式光伏移动电源在运行时具有更高的稳定性，针对两种供电功能都设置相应的过流保护，从而保证电源运行安全。在具体过流保护时，利用本文上述选用的HT46R052B 单片机对太阳能蓄电池的放电电流和过流保护信息进行采集，并通过MPPT 控制算法前端太阳能蓄电池充电电路的通断，从而达到过流保护的目的。

2 对比实验

在本文上述论述基础上，为了验证上述基于最大功率点跟踪算法的便携式光伏移动电源设计方案的可行性，按照本文上述思路完成对便携式光伏移动电源的开发，并将其应用到真实的运行环境当中，对比该设计方案设计出的便携式光伏移动电源与传统基于模糊控制的便携式光伏移动电源在应用中的效果。设置本文提出的基于最大功率点跟踪算法的便携式光伏移动电源为实验组，将基于模糊控制的便携式光伏移动电源作为对照组。针对两种便携式光伏移动电源，分别在无光照条件下和有光照条件下，对其性能进行测试。

2.1 暗特性比较

首先，对比两种便携式光伏移动电源的暗特性。在无光照的情况下，将两种便携式光伏移动电源放置在25℃和12℃的环境当中，针对两种电源在运行过程中电压和电流的变化情况，并将结果记录如表2 所示。

表2：两种便携式光伏移动电源暗特性测试结果

从表2 中记录的数据可以看出，在无光照的条件下，在25℃环境当中和在12℃环境当中实验组便携式光伏移动电源的电流随着电压的增加呈现出平稳的上升趋势，电压越大，电流越大。而对照组便携式光伏移动电源的电流随着电压的增加虽然也呈现出上升趋势，但是随着电压的增大，电流增长幅度较小。由上述记录的数据可以看出，在两种便携式光伏移动电源运行过程中，实验组电源电压与电流变化曲线符合暗特性中电压与电流的变化规律，而对照组电源不满足这一特性。通过上述初步证明，实验组的便携式光伏移动电源在实际应用中能够实现在无光照条件下供电，并能够保证供电的稳定性，解决了传统基于模糊控制的便携式光伏移动电源无法在无光照条件下供电的问题。

2.2 电路性能及充电对比

根据本文上述论述内容，在完成了对两种便携式光伏移动电源暗特性的对比后，在正常光照条件下，对两种电源的充电情况进行对比，以此实现对便携式光伏移动电源电路性能的检验。为了确保实验结果的客观性，对两种便携式光伏移动电源设定了相同的条件：首先通过充放电设备对两种便携式光伏移动电源进行完全充电，然后在对其进行放电0.5Ah，最后把两种便携式光伏移动电源放置在多云天气的环境下进行光伏充电试验（时间从上午7:30 ～13:30，照度在4300lx ～129000 lx），充电采用变流恒压模式，在恒压充（5V）电阶段，设定当充电电流小于等于50mA时充电结束。实验数据记录如表3 所示。

表3：实验组与对照组便携式光伏移动电源充电对比

结合表3 中的数据进一步得出，在实验组和对照组两种便携式光伏移动电源充电过程中，在7:30～13:30 时间内，实验组电源电流在13:30 时达到了50.0mA，完成了充电，而对照组电源在13:30 时电流只降低到97.2mA，仍然处于恒压充电状态，未完成充电。因此，通过这一组数据能够看出，在相同的环境条件下，实验组充电电流更大，电压上升也较快，实验组更快速的完成了充电，因此在13:30 时显示灯为绿色。而对照组电源充电电流明显偏小，电压上升相对缓慢，充电时间也更长，因此，通过最终充电结果证明，实验组便携式光伏移动电源在充电过程中的充电效率更高。

综合上述从便携式光伏移动电源在无光照条件下不同温度的暗特性实验结果和充电过程中电源运行情况得出的实验结果综合证明，本文提出的基于最大功率点跟踪算法的便携式光伏移动电源在实际应用中运行稳定性更强，充电效率更高。与模糊控制便携式光伏移动电源相比各项应用性能更优。

3 结束语

当前便携式光伏移动电源已经被作为一种全新的绿色环保能源，为了向更多的电子设备提供更加便利的供电条件，本文在引入最大功率点跟踪算法的基础上，提出了一种全新的便携式光伏移动电源设计思路，并结合实验测试验证了该电源的应用可行性，以及与其他电源相比存在的优势。但在研究过程中，未考虑到便携式光伏移动电源中蓄电池自身放电与温度之间的关系，因此便携式光伏移动电源在实际应用中可能会存在无法保证最高供电效率的问题。因此，在后续的研究当中，针对这一方面问题还将进行更加深入研究，并尝试给出合理的高效补偿策略，从而促进便携式光伏移动电源的应用适应性进一步提升。