如何从单节光伏电池收集能量
中心议题：
- 了解光伏电池电源结构特性
- 讨论从单节光伏电池收集能量的方法
- 选择合适的能量存储器件
- 采用LTC3105是一种解决方案
为了简化仪器、监视和控制应用的无线通信所需的配电系统，电源设计师努力寻找不依赖电网的器件。电池显然是立即能想到的解决方案，让人们产生了能不依赖电网的幻想，但是电池需要更换或再充电，这意味着最终还是要连接到电网上，而且需要昂贵的人工干预和维护。我们提出用能量收集的方法，使用这种方法时，能量是从紧挨着仪器的环境中收集的，无需连接到电网就可以使仪器永久运行，而且最大限度地减少或消除了维护需求。
可以收集各种环境能源以产生电能，包括机械振动、温度差和入射光。其中，光伏能量收集有广泛的适用范围，因为光几乎到处都有，光伏(PV)电池价格相对较低，而且与其他环境能量收集解决方案相比，能产生相对较高的功率。因为光伏能量收集方法提供相对较高的能量输出，所以可用来给无线传感器节点供电，还可用来给较高功率的电池充电应用供电，以延长电池寿命，从而在某些情况下完全无需有线充电。
串联连接的高压光伏电池组能提供充足的功率，但单节光伏电池解决方案却很少见，因为单节光伏电池在有负载情况下产生的电压很低，从这么低的电压难以产生有用的电源轨。几乎没有升压型转换器能从电压很低、阻抗相对较高的单节光伏电池产生输出。不过，LTC3105是专门为应对这类挑战而设计。该器件具有超低的250mV启动电压和可编程最大功率点控制，能从富有挑战性的光伏电源产生大多数应用所需的典型电压轨(1.8～5V)。
了解光伏电池电源
可以用一个电流源与一个二极管并联来建立光伏电源的电模型，如图1所示。更复杂的模型可显示一些次要影响，但是就我们的目的而言，这个模型足够充分了。
图1 简单的光伏电池模型
反映光伏电池特性的两个常见参数是开路电压和短路电流。光伏电池的典型电流和电压曲线如图2所示。请注意，短路电流是该模型电流发生器的输出，而开路电压是该模型二极管的正向电压。随着光照射量的增加，该发生器产生的电流也增加，同时 IV 曲线向上移动。
图2 典型的光伏电池I-V曲线
为了从光伏电池抽取最大功率，电源转换器的输入阻抗必须与电池的输出阻抗匹配，从而使系统能在最大功率点上工作。图3显示了一个典型的单节光伏电池的功率曲线。为了确保抽取最大功率，光伏电池的输出电压应该与功率曲线的峰值点相对应。LTC3105 调节提供给负载的输出电流，以保持光伏电池的电压等于最大功率点控制引脚设定的电压。因此可用单个电阻器设定最大功率点，并确保从光伏电池抽取最大功率和峰值输出充电电流。
图3 典型光伏电池的功率曲线
可提供多少功率?
用光伏电池可产生多少功率取决于多种因素。电池的输出功率与投射到电池上的光强度、电池的总面积以及电池的效率成正比。大多数光伏电池都规定在完全直射的太阳光 (1000W/m2) 下使用，但是在大多数应用中，不可能有这么理想的条件。就依靠太阳光工作的设备来说，可从电池获得的峰值功率可能非常容易变化，由于天气、季节、烟雾、灰尘和太阳光入射角的变化，今天与明天相比有可能相差10倍。在充足的太阳光照下，晶体电池视电池特性的不同而有所不同，典型输出功率约为每平方英寸40mW。面积为几平方英寸的光伏电池足够给多个远程传感器供电以及给电池涓流充电了。
相比之下，靠室内照明光工作的设备可用能量要少得多。常见的室内照明光的强度约为充足太阳光的0.25%(室内照明光强度与太阳光强度的巨大差别难以察觉，因为人眼能适应很宽的光照强度范围)。室内应用可用的光照量低得多，因此呈现了一些设计上的挑战。即使面积为4平方英寸的大型高效率晶体电池，在典型办公室照明条件下，也仅能产生860μW功率。
选择最大功率点控制电压
图4显示了LTC3105 使用的最大功率点控制机制的模型。图3显示了光伏电池的功率曲线。请注意，当电池电压上升而离开峰值功率点时，光伏电池的功率就会从峰值点急剧下降。因此，一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制电压，因为功率曲线在高压端下降得更快。
图4 最大功率点控制机制
当选择MPPC跟踪电压时，各种不同的工作条件都必须考虑。一般情况下，最大功率点不会随着照明条件的变化而显着移动。因此，有可能做到的是，选择一个跟踪电压，以在很宽的照明强度范围内，保持靠近最大功率点工作。即使在极端照明情况下，工作点可能不是准确地位于最大功率点上，输出功率相比理性情况的降低通常也仅为5%～10%。
就图5所示功率曲线而言，0.4V的MPPC电压在两种极端照明条件下都产生接近最大功率点的性能。在这两种情况下，与最大功率点之间的电压差约为20mV，从而产生了不到3%的功率损失。
图5 当选择最大功率点电压时，选择较低的电压以避免电压陡降
作为一个经验法则，最大功率点控制电压应该约为光伏电池开路电压的75%～80%。让电池跟踪这样的电压，所产生的电池输出电流为短路电流的75%～80%。
在室外照明情况下给锂离子电池充电
使用光伏电源的应用面临的挑战之一是，在黑暗和光照量较低的情况下，输入功率不足。就大多数应用而言，这种挑战使得有必要使用能量存储组件，例如足够大的超级电容器或可再充电电池，以在最长预期黑暗时间内也能正常供电。
利用图6所示的LTC3105电路和一个2英寸×1英寸的多晶光伏电池给锂离子电池充电，所测得的充电电流曲线如图7所示。图7中上面的曲线显示，在天气晴朗、阳光充足的典型情况下的充电电流；下面的曲线则显示，在阴云密布时观察到的充电电流。即使在这类光照量很低的情况下，在整个白天也能保持250μA或更大一些的充电电流，这相当于给电池提供了总共 6mAh 的充电。
图 6 锂离子电池充电电路
图 7 两平方英寸光伏电池的充电曲线
选择合适的能量存储器件
就储存收集的能量而言，有很多可选方案，包括种类繁多的可再充电电池技术和高能量密度电容器。没有一种技术能适用于所有应用。为应用选择存储组件时，要考虑很多因素，包括自放电速率、最大充电和放电电流、电压灵敏度和周期寿命。
在光伏应用中，自放电速率尤其重要。在大多数光伏电源应用中，可用充电电流都很有限，高的自放电速率可能消耗大部分来自光伏电源的可用能量。有些能量存储组件 (例如大型超级电容器)自放电电流也许超过100μA，这又可能显着减少白天充电周期积累的净电荷。
另一个关键考虑因素是能量存储器件的充电速率。例如，最大充电电流为300μA的锂离子币形电池需要在电池和 LTC3105输出之间有一个大的电阻器，以防止过流情况。这可能限制能收集的能量，从而减少可用于应用的能量。
在很多情况下，充电速率与另一个重要因素“周期寿命”成正比。存储组件的周期寿命决定该组件不用维护可以在现场工作多长时间。一般而言，更快的充电和放电会缩短组件的工作寿命。超级电容器拥有非常长的周期寿命，而用相对较高的电流(电荷>1C)给电池充电会缩短寿命。除了充电和放电速率，每个充电/放电周期的深度也可能影响电池寿命，周期越深，寿命越短。
某些类型的电池，尤其是锂离子电池和薄膜电池，最高和最低电压都必须仔细控制。在LTC3105应用中，最高充电电压得到了良好控制，因为当输出进入稳定状态后，转换器终止充电。为了防止过充电，LTC3105可与LTC4071并联电池充电器一起使用，如图8所示。
图8 用单节光伏电池工作的锂离子涓流充电器
图9 单节光伏电池镍氢金属电池涓流充电器
图10 单节电池供电的远程无线传感器
结论
LTC3105是一款完整的单芯片解决方案，适用于从低成本、单节光伏电池收集能量。其集成的最大功率点控制和低压启动功能允许直接用单节光伏电池工作，并确保最佳能量抽取。LTC3105可用来直接给电路供电，或给能量存储器件充电，以允许在黑暗或光照很少时工作。LTC3105使其有可能实现自主远程传感器节点、数据收集系统，以及其他要求不依赖电网和最低限度维护的应用。
