基于MPPT的太阳能电池功率控制电路的制作方法

本发明涉及太阳能电池最大功率点跟踪技术领域，具体涉及一种基于模拟电路的MPPT交错扰动算法的太阳能电池功率控制电路。

背景技术：

航天器在空间运行时电源系统为航天设备中的所有单机提供高质量的母线电压，其中太阳能电池是电源系统的重要组成部分之一。太阳能电池的输出功率受环境温度、辐照、后端负载等因素影响，其输出的峰值功率点经常发生漂移，从而造成不能最大限度的利用太阳能电池发出的能量。因此，峰值功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术是满足航天器载荷功率变化频繁轻质高效电源的必然要求。

空间电源系统的可靠性要求很高，由于太空辐照的存在，电源系统多采用硬件电路的实现方式。传统的MPPT算法主要存在两个缺点，一是计算量大，软件实现非常容易，硬件实现较难；二是跟踪精度较低，跟踪速度较慢，难以适应MPPT技术的空间应用。

技术实现要素：

本发明提供一种基于MPPT的太阳能电池功率控制电路，解决实现较难和跟踪精度低以及跟踪速度慢的技术难题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于MPPT的太阳能电池功率控制电路，其特点是，该电路包含：

电压扰动电路和电流扰动电路，电压扰动电路采样接收太阳能电池的输出电压，电流扰动电路采样接收太阳能电池的输出电流，对太阳能电池的输出电压和输出电流进行交错扰动处理；

逻辑控制电路，其分别电路连接电压扰动电路和电流扰动电路的输出端，接收经过电压扰动电路和电流扰动电路交错扰动处理的太阳能电池的输出电压和输出电流，输入信号经过触发器的处理后，控制电压扰动电路和电流扰动电路中开关管的通断，且对触发器的后端电容进行充放电，电容电压经过运算放大器跟随输出后得到参考电压信号；

PI调节电路，其输入端电路连接逻辑控制电路的输出端，对逻辑控制电路的输出进行电压环和电流环的双闭环控制后，输出控制信号，控制太阳阵调节器使太阳能电池的工作点不断趋近最大功率点，使太阳能电池的输出功率靠近最大功率点并稳定。

太阳能电池功率控制电路还包含启动电路，其输入端电路连接参考电压和逻辑控制电路的输出，输出端电路连接至逻辑控制电路的输入端，启动电路在太阳能电池功率控制电路启动时，给逻辑控制电路提供一个初始信号，使逻辑控制电路能够按照设定的逻辑开始工作，同时加快逻辑控制电路的启动速度。

上述电压扰动电路包含：第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第一P型开关管M₁、第一电容C₁、第一比较器X₁和第四电阻R₄；

太阳能电池输出电压采样V₁连接第一电阻R₁的一端以及第一比较器X₁的“–”端，第一电阻R₁的另一端与第一P型开关管M₁的源极、第二电阻R₂的一端和第三电阻R₃的一端相连，第二电阻R₂的另一端接地，第三电阻R₃的另一端与第一P型开关管M₁的栅极以及逻辑控制电路相连，第一P型开关管M₁的漏极与第一电容C₁的一端以及第一比较器X₁的“+”端相连，第一电容C₁的另一端接地，第一比较器X₁的输出端通过第四电阻R₄连接逻辑控制电路的输入端。

上述电流扰动电路包含：第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第二P型开关管M₂、第二电容C₂、第二比较器X₂和第八电阻R₈；

太阳能电池输出电流采样I₁连接第五电阻R₅的一端以及第二比较器X₂的“–”端，第五电阻R₅的另一端与第二P型开关管M₂的源极、第六电阻R₆的一端和第七电阻R₇的一端相连，第六电阻R₆的另一端接地，第七电阻R₇的另一端与第二P型开关管M₂的栅极以及逻辑控制电路相连，第二P型开关管M₂的漏极与第二电容C₂的一端以及第二比较器X₂的“+”端相连，第二电容C₂的另一端接地，第二比较器X₂的输出端通过第八电阻R₈连接逻辑控制电路的输入端。

上述逻辑控制电路包含RS触发器、第九电阻R₉、第三电容C₃、第十电阻R₁₀和第一运算放大器EA₁；

RS触发器的输出端与第九电阻R₉的一端相连，第九电阻R₉的另一端与第三电容C₃的一端以及第一运算放大器EA₁的“+”端相连，第三电容C₃的另一端接地，第一运算放大器EA₁的“-”端与第十电阻R₁₀的一端相连，第十电阻R₁₀的另一端电路连接第一运算放大器EA₁的输出端以及PI调节电路。

上述逻辑控制电路包含RS触发器及其外围电路；

电压扰动电路中，第三电阻R₃连接第一P型开关管M₁的栅极的一端电路连接RS触发器的输出端Q；第四电阻R₄电路连接至RS触发器的输入端R。

上述逻辑控制电路包含RS触发器及其外围电路；

电流扰动电路中，第七电阻R₇连接第二P型开关管M₂的栅极的一端电路连接RS触发器的输出端第八电阻R₈电路连接至RS触发器的输入端S。

上述的启动电路包含：第三比较器X₃、第十一电阻R₁₁、第一二极管D₁、第四电容C₄、第四比较器X₄、第十二电阻R₁₂、第二二极管D₂和第五电容C₅；

参考电压V_{ref_L}连接第三比较器X₃的“+”端，参考电压V_{ref_H}连接第四比较器X₄的“-”端，逻辑控制电路的输出信号V_{mppt_ref}连接第三比较器X₃的“-”端以及第四比较器X₄的“+”端，第三比较器X₃的输出端连接第十一电阻R₁₁的一端，第十一电阻R₁₁的另一端连接第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极连接第四电容C₄的一端以及逻辑控制电路的输入端，第四电容C₄的另一端接地，第四比较器X₄的输出端连接第十二电阻R₁₂的一端，第十二电阻R₁₂的另一端连接第二二极管D₂的阳极，第二二极管D₂的阴极连接第五电容C₅的一端以及逻辑控制电路的输入端，第五电容C₅的另一端接地。

上述的逻辑控制电路包含RS触发器及其外围电路；

启动电路中，第一二极管D₁的阴极电路连接至RS触发器的输入端R；第二二极管D₂的阴极电路连接至RS触发器的输入端S。

如权利要求1所述的太阳能电池功率控制电路，其特征在于，所述的PI调节电路包含：第二运算放大器EA₂、第六电容C₆、第七电容C₇、第十三电阻R₁₃、第三运算放大器EA₃、第十四电阻R₁₄和第八电容C₈；

太阳能电池输出电压采样V₁与第二运算放大器EA₂的“+”端相连，第二运算放大器EA₂的“-”端与第七电容C₇的一端以及第十三电阻R₁₃的一端相连，第十三电阻R₁₃的另一端与第六电容C₆的一端相连，第七电容C₇的另一端与第六电容C₆的另一端以及第二运算放大器EA₂的输出端相连，第二运算放大器EA₂的输出端与第三运算放大器EA₃的“+”端相连，滤波后的太阳能电池输出电流采样I₂与第八电容C₈的一端以及第三运算放大器EA₃的“-”端相连，第八电容C₈的另一端与第十四电阻R₁₄的一端相连，第十四电阻R₁₄的另一端与第三运算放大器EA₃的输出端相连。

本发明基于MPPT的太阳能电池功率控制电路和现有技术的太阳能电池能量利用技术相比，其优点在于，本发明设有基于模拟电路的MPPT交错扰动算法电路，，硬件电路组成简单，实现对太阳能电池高可靠性、高精度和高速度的MPPT控制，符合空间MPPT技术的要求。

附图说明

图1为本发明基于MPPT的太阳能电池功率控制电路及太阳阵调节器的电路框图；

图2为太阳能电池的特性曲线；

图3为本发明基于MPPT的太阳能电池功率控制电路的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，是本发明基于MPPT的太阳能电池功率控制电路及太阳阵调节器Superbuck电路的电路框图。基于MPPT的太阳能电池功率控制电路包含电压扰动电路N₁、电流扰动电路N₂、启动电路N₃、逻辑控制电路N₄和PI调节电路N₅。太阳能电池的输出电压采样V₁和输出电流采样I₁分别经过电压扰动电路N₁和电流扰动电路N₂的处理后，进入逻辑控制电路N₄，逻辑控制电路N₄的输出经过PI调节电路N₅的处理后输出控制信号。控制信号通过脉宽调制电路和驱动电路连接至太阳阵调节器中IGBT的基极S。控制信号通过控制太阳阵调节器使太阳能电池的工作点不断逼近最大功率点，最终使太阳能电池的输出功率稳定在最大功率点附近。其中，太阳阵调节器采用降压型电路，其工作拓扑为Superbuck电路形式，通过调节脉宽调制电路输出占空比的大小，来调节太阳能电池的工作点，其优点是输入电流连续，纹波小，效率更高。

如图2所示，是太阳能电池的特性曲线，纵坐标为太阳阵电流和太阳阵功率，横坐标为太阳阵电压。从图中可见，随着太阳能电池输出电压的增大，其输出电流逐渐减小。

如图3所示，为本发明所公开的一种基于MPPT的太阳能电池功率控制电路的实施例，该电路包含：电压扰动电路N₁、电流扰动电路N₂、启动电路N₃、逻辑控制电路N₄和PI调节电路N₅。

电压扰动电路N₁采样接收太阳能电池的输出电压，电流扰动电路N₂采样接收太阳能电池的输出电流，对太阳能电池的输出电压和输出电流进行交错扰动处理。

启动电路N₃输入端电路连接参考电压和逻辑控制电路的输出，输出端电路连接至逻辑控制电路的输入端，启动电路在太阳能电池功率控制电路启动时，给逻辑控制电路提供一个初始信号，使得逻辑控制电路能够按照设定的逻辑开始工作，同时加快控制电路的启动速度。

逻辑控制电路N4接收经过交错扰动处理的太阳能电池的输出电压和输出电流，输入信号经过触发器的处理后，一方面控制电压扰动电路和电流扰动电路中开关管的通断，另一方面对触发器的后端电容进行充放电，电容电压经过运算放大器跟随输出后得到参考电压信号。

PI调节电路N₅电路连接逻辑控制电路的输出端，对逻辑控制电路的输出进行电压环和电流环的双闭环控制后，输出控制信号，控制太阳阵调节器使太阳能电池的工作点不断趋近最大功率点，最终使太阳能电池的输出功率稳定在最大功率点附近，跟踪精度(跟踪功率与最大功率之比)达到99％。

具体的，逻辑控制电路N₄包含RS触发器、第九电阻R₉、第三电容C₃、第十电阻R₁₀和第一运算放大器EA₁。

RS触发器的输出端与第九电阻R₉的一端相连，第九电阻R₉的另一端与第三电容C₃的一端以及第一运算放大器EA₁的“+”端相连，第三电容C₃的另一端接地，第一运算放大器EA₁的“-”端与第十电阻R₁₀的一端相连，第十电阻R₁₀的另一端电路连接第一运算放大器EA₁的输出端以及PI调节电路。

电压扰动电路N₁包含：第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第一P型开关管M₁、第一电容C₁、第一比较器X₁和第四电阻R₄。

太阳能电池输出电压采样V₁连接第一电阻R₁的一端以及第一比较器X₁的“–”端，第一电阻R₁的另一端与第一P型开关管M₁的源极、第二电阻R₂的一端和第三电阻R₃的一端相连，第二电阻R₂的另一端接地，第三电阻R₃的另一端与第一P型开关管M₁的栅极以及RS触发器的输出端Q相连，第一P型开关管M₁的漏极与第一电容C₁的一端以及第一比较器X₁的“+”端相连，第一电容C₁的另一端接地，第一比较器X₁的输出端通过第四电阻R₄连接RS触发器的输入端R的输入端。

电流扰动电路N₂包含：第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇、第二P型开关管M₂、第二电容C₂、第二比较器X₂和第八电阻R₈。

太阳能电池输出电流采样I₁连接第五电阻R₅的一端以及第二比较器X₂的“–”端，第五电阻R₅的另一端与第二P型开关管M₂的源极、第六电阻R₆的一端和第七电阻R₇的一端相连，第六电阻R₆的另一端接地，第七电阻R₇的另一端与第二P型开关管M₂的栅极以及RS触发器的输出端相连，第二P型开关管M₂的漏极与第二电容C₂的一端以及第二比较器X₂的“+”端相连，第二电容C₂的另一端接地，第二比较器X₂的输出端通过第八电阻R₈连接RS触发器的输入端S。

启动电路N₃包含：第三比较器X₃、第十一电阻R₁₁、第一二极管D₁、第四电容C₄、第四比较器X₄、第十二电阻R₁₂、第二二极管D₂和第五电容C₅。

参考电压V_{ref_L}连接第三比较器X₃的“+”端，参考电压V_{ref_H}连接第四比较器X₄的“-”端，逻辑控制电路的输出信号V_{mppt_ref}连接第三比较器X₃的“-”端以及第四比较器X₄的“+”端，第三比较器X₃的输出端连接第十一电阻R₁₁的一端，第十一电阻R₁₁的另一端连接第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极连接第四电容C₄的一端以及RS触发器的输入端R，第四电容C₄的另一端接地，第四比较器X₄的输出端连接第十二电阻R₁₂的一端，第十二电阻R₁₂的另一端连接第二二极管D₂的阳极，第二二极管D₂的阴极连接第五电容C₅的一端以及RS触发器的输入端S，第五电容C₅的另一端接地。

PI调节电路N₅包含：第二运算放大器EA₂、第六电容C₆、第七电容C₇、第十三电阻R₁₃、第三运算放大器EA₃、第十四电阻R₁₄和第八电容C₈；

太阳能电池输出电压采样V₁与第二运算放大器EA₂的“+”端相连，第二运算放大器EA₂的“-”端与第七电容C₇的一端以及第十三电阻R₁₃的一端相连，第十三电阻R₁₃的另一端与第六电容C₆的一端相连，第七电容C₇的另一端与第六电容C₆的另一端以及第二运算放大器EA₂的输出端相连，第二运算放大器EA₂的输出端与第三运算放大器EA₃的“+”端相连，滤波后的太阳能电池输出电流采样I₂与第八电容C₈的一端以及第三运算放大器EA₃的“-”端相连，第八电容C₈的另一端与第十四电阻R₁₄的一端相连，第十四电阻R₁₄的另一端与第三运算放大器EA₃的输出端相连。

进一步的，基于MPPT的太阳能电池功率控制电路的执行过程在时间上可以分为五个时段[0，t₁)、[t₁，t₂)、[t₂，t₃)、[t₃，t₄)和[t₄，+∞)，其具体执行过程如下：

时段1[0，t₁)：上电初始时刻，第一运算放大器EA₁的输出信号V_{mppt_ref}小于参考电压V_{ref_L}和V_{ref_H}，第三比较器X₃输出高电平，第四比较器X₄输出低电平，第一二极管D₁的输出信号Reset为高电平，第二二极管D₂的输出端信号Set为低电平，即RS触发器的输入信号R为高电平，S为低电平，则其输出信号是高电平，Q是低电平，电容C₃充电，信号V_{mppt_ref}迅速上升，第二运算放大器EA₂的“+”端输入电压V₁逐渐增大；第一P型开关管M₁开通，第一电容C₁的电压值逐渐升高，第一比较器X₁输出低电平，信号Reset为低电平，第二P型开关管M₂关断，第二电容C₂的电压值保持为0，第二比较器X₂输出低电平，信号Set为低电平。

时段2[t₁，t₂)：信号V_{mppt_ref}的值逐渐增大，当其大于参考电压V_{ref_L}，小于参考电压V_{ref_H}时，第三比较器X₃和第四比较器X₄的输出都是低电平，信号Reset和信号Set均为低电平，RS触发器的输出保持不变，即为高电平，Q为低电平，信号V_{mppt_ref}的值继续增大，第二运算放大器EA₂的“+”端输入电压V₁继续增大；第一P型开关管M₁开通，第一电容C₁继续充电，第一比较器X₁输出低电平，信号Reset为低电平，第二P型开关管M₂关断，第二电容C₂的电压值保持为0，第二比较器X₂输出低电平，信号Set为低电平。

时段3[t₂，t₃)：t₂时刻，信号V_{mppt_ref}的值等于参考电压V_{ref_H}，第三比较器X₃输出低电平，第四比较器X₄输出高电平，信号Reset为低电平，信号Set为高电平，RS触发器的输出翻转，变为低电平，Q变为高电平，第一P开关管M₁关断，第一比较器X₁的“+”端输入电压保持为kV₁(t₂)(k值由电阻分压而得，其值小于1，可调)，第一比较器X₁的“-”端输入电压是V₁(t₂)，第一比较器X₁输出低电平，第二P型开关管M₂开通，第二比较器X₂输出低电平；(t₂，t₃)时段，信号为低电平，第三电容C3放电，信号V_{mppt_ref}的值不断降低，第二运算放大器EA₂的“+”端输入电压V₁同步逐渐减小，即第一比较器X₁的“-”端输入电压逐渐减小，当其小于kV₁(t₂)时，第一比较器X₁输出高电平，信号Reset为高电平，信号Set保持低电平，RS触发器的输出信号翻转，变为高电平，Q变为低电平。

时段4[t₃，t₄)：t₃时刻，RS触发器的输出信号为高电平，Q为低电平，第一P型开关管M₁开通，第一比较器X₁输出低电平，信号Reset为低电平，第二P型开关管M₂关断，第二比较器X₂的“+”端输入电压保持为kI₁(t₃)，第二比较器X₂的“-”端输入信号是I₁(t₃)，第二比较器X₂输出低电平，信号Set为低电平，RS触发器的输出保持不变，为高电平，Q为低电平；(t₃，t₄)时段，为高电平，第三电容C₃充电，信号V_{mppt_ref}的值不断升高，第二运算放大器EA₂的“+”端输入电压V₁同步逐渐增大，由太阳能电池的特性曲线可得，第二比较器X₂的“-”端输入信号I₁逐渐减小，当其小于kI₁(t₃)时，第二比较器X₂输出高电平，信号Set为高电平，RS触发器的输出信号翻转，变为低电平，Q变为高电平。

时段5[t₄，+∞)：控制电路在t₄时刻的状态与t₂时刻相同，电路循环重复阶段3和阶段4的工作状态。当太阳阵电池的工作点电压大于最大功率点电压时电压下降的形成大于电流下降的形成，太阳阵电池的工作点电压小于最大功率点电压时电流下降的形成大于电压下降的形成，太阳阵的工作点会不断逼近最大功率点，最后在最大功率点附近小范围震荡。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。