从单个光伏电池中收集能量

简化无线通信的分配 仪器仪表、监测和控制应用、电源 设计人员努力实现设备电网独立性。电池， 立即明显的解决方案，提供电网独立的错觉， 但需要更换或充电，这意味着最终 连接到电网和昂贵的人为干预和 保养。进入能量收集，收集能量 从仪器的直接环境中，提供永久 在没有连接到电网且最小或没有连接的情况下运行 维护要求。

可以收集各种环境能源来产生电能 功率，包括机械振动、温差和 入射光。凌力尔特生产电源管理解决方案 解决收集环境低能耗的具体问题， 包括用于振动源的 LTC3588，用于振动源的 LTC3108 / LTC3109 热，现在的LTC3105用于光伏能量收集应用。 光伏能量收集广泛适用，因为光 几乎普遍可用，光伏（PV）电池相对较低 成本，与其他环境相比，它们产生的功率相对较高 能量收集解决方案。由于其相对较高的能量输出， 光伏能量收集可用于为无线传感器供电 节点，以及更高功率的电池充电应用扩展 电池寿命，在某些情况下完全消除联机充电。

虽然串联光伏电池的高压堆栈是多产的， 单个PV电池解决方案很少见，因为难以产生有用的 来自单个光伏电池在负载下产生的低压的电源轨。 相对而言，很少有升压转换器可以从低电压产生输出 高阻抗单光伏电池。The LTC3105, 但是，专为满足这些要求而设计 挑战。其超低的250mV启动电压 和可编程的最大功率 点控制允许它生成典型的 大多数需要电压轨 （1.8V–5V） 来自具有挑战性的光伏来源的应用。

了解光伏电池来源

光伏源可以通过连接的电流源进行电气建模 与二极管并联，如图1所示。更复杂的模型 显示次要效果，但对于我们的目的，这个模型就足够了。

图1.简单的光伏电池模型。

表征光伏电池的两个常见参数是开路 电压和短路电流。光伏电池电流的典型曲线 和电压如图2所示。注意短路电流 是模型电流发生器在开路电压时的输出 是模型二极管的正向电压。随着光照水平的增加， 来自发电机的电流增加，IV曲线向上移动。

图2.典型的光伏电池IV曲线。

为了从光伏电池中提取最大功率，输入电阻的功率 转换器必须与电池的输出电阻匹配，从而导致工作 在最大功率点。图3显示了典型值的功耗曲线 单个光伏电池。为确保最大功率提取，输出电压 的光伏电池应在功率曲线的峰值处运行。The LTC3105 调整输送到负载的输出电流，以维持光伏电池 电压在设定的最大值 电源点控制引脚。因此 单个编程电阻建立 最大功率点并确保 从 光伏电池和峰值输出充电电流。

图3.典型的光伏电池功率曲线。

有多少功率可用？

可以产生的电量 使用光伏电池取决于 许多因素。输出功率 电池与亮度成正比 光落在细胞上，总面积 的细胞，以及细胞的效率。 大多数光伏电池的额定使用量低于 阳光直射（1000W/m2），但这样理想 大多数情况下不太可能发生这种情况 应用。对于从 阳光，峰值功率来自 细胞可以轻松改变十倍 由于天气，季节，每天都有， 雾霾、灰尘和阳光的入射角。 晶体的典型输出功率 电池在全日照下约为 40mW 平方英寸，具体取决于电池特性。 面积为几平方英寸的光伏电池足以运行许多远程 传感器和涓流充电电池。

相比之下，在室内操作的设备 照明的可用能量要少得多 给他们。常见的室内照明是 大约是全日光强度的0.25% （强度的巨大差异 室内照明和阳光很难 由于人眼的能力而感知 适应广泛的照明范围 级别）。极低的光线 适用于室内应用的电平 提出了设计挑战。甚至一个大 高效晶体电池，带 四平方英寸的面积生成 在典型的办公室照明中仅为 860μW。

选择最大功率点控制电压

图 4 显示了最大值的模型 电源点控制机制 由 LTC3105 使用。图 3 显示 光伏电池的功率曲线。请注意， 光伏电池功率从其急剧下降 当电池电压上升到远离 峰值功率。因此，它通常更多 最好在低于理想的一边犯错 控制电压，而不是 电压较高，因为功率曲线 在高边滚动得更厉害。

图4.最大功率点控制机制。

选择MPPC跟踪电压时， 必须具备各种操作条件 考虑。通常，最大功率 点不会实质性移动 照明变化。结果，它是 可选择单个跟踪电压 提供接近最大值的操作 用于各种照明的电源点 水平。即使操作 点不会精确到最大值 极端照明水平下的功率点， 输出功率降低 从理想中通常只有5%-10%。

对于图5所示的功率曲线，一个 0.4V 的 MPPC 电压产生性能 接近最大功率点 照明极端。电压差 从最大功率点 在这两种情况下均约为20mV， 导致功率损耗小于 3%。

图5.在选择最大功率点电压时，请选择较低电压，以避免急剧下降。

根据经验，最大功率 点控制电压应在附近 开路电压的 75%–80% 光伏电池。跟踪电池到此电压 导致电池输出电流 75%–80% 的短路电流。

户外照明中的锂离子电池充电

应用面临的挑战之一 使用光伏源是 黑暗中输入功率不足，以及 弱光条件。适用于大多数应用 这需要使用能源 存储元件，如超级电容器 或大容量的可充电电池 足以提供整个电源 最长的预期黑暗期。

图 7 显示了测量的充电情况 使用 2“ ×1” 多晶的电流曲线 用于为锂离子电池充电的光伏电池 使用 中所示的 LTC3105 电路 图6.图7的上部曲线 显示典型值上的充电电流 晴朗的一天，阳光明媚。下部曲线 显示观察到的充电电流 在一个阴天里。 即使在这些低光照条件下 250μA或更高的充电电流为 全天保持总计 6mAh的电量输送到电池。

图6.锂离子充电电路。

图7.两平方英寸光伏电池的充电曲线。

选择合适的储能设备

有许多存储替代方案 收获的能量，包括各种各样的能量 可充电电池技术以及 高能量密度电容器。没人 技术适用于所有应用。 选择 的存储元素时 您的应用程序，请考虑一些 因素，包括自放电率， 最大充放电电流， 电压灵敏度和循环寿命。

自放电率特别高 在光伏应用中很重要。 鉴于充电量有限 电流可用于大多数光伏 电源应用，自放电高 费率可能会消耗很大一部分 光伏源的可用能量。一些 储能元件，如大型 超级电容器，可能具有自放电功能 电流超过 100μA，可能 大幅降低净费用 在每日充电周期内累积。

另一个关键考虑因素是 储能装置可以是 指控。例如，锂纽扣电池 最大充电电流 300μA 需要一个大电阻器 它和 LTC3105 的输出按顺序排列 以防止过流情况。这 可以限制能量 收获，减少 可用于应用的能量。

在许多情况下，充电速率成比例 另一个重要因素，周期 辈子。存储元件的循环寿命 确定它可以运行多长时间 在现场无需维护。 一般来说，充电和放电更快 降低元件的使用寿命。 超级电容器提供非常好的 循环寿命，而电池充电 相对较高的电流（充电> 1C） 寿命已降低。除了 充放电速率、深度 每个充电/放电循环会影响 电池的使用寿命，更深 循环导致寿命缩短。

具有多种电池类型，尤其是锂 和薄膜，最大值和最小值 电压必须仔细控制。这 最大充电电压得到良好控制 在 LTC3105 应用中，自 转换器在 输出进入调节状态。为了防止 过放电，可使用 LTC3105 与 LTC4071 分流器配合使用 电池充电器如图8所示。

图8.锂离子涓流充电器由单个光伏电池供电。

图9.单节光伏镍氢涓流充电器。

图 10.单节供电的远程无线传感器。

结论

LTC®3105 是一款完整的单芯片解决方案 对于低成本的能量收集， 单个光伏电池。其集成 最大功率点控制和低功率点 电压启动功能可实现直接 从单个光伏电池运行并确保 最佳能量提取。The LTC3105 可用于直接为电路供电 或用于为储能设备充电 允许在黑暗或弱光下操作 时期。LTC3105 使之成为可能 生产自主遥感器 节点、数据收集系统和其他 需要电网独立的应用程序 和最少的维护。

审核编辑：郭婷