本發(fā)明涉及太陽能電池最大功率點跟蹤技術領域，具體涉及一種基于模擬電路的MPPT交錯擾動算法的太陽能電池功率控制電路。

背景技術：

航天器在空間運行時電源系統(tǒng)為航天設備中的所有單機提供高質量的母線電壓，其中太陽能電池是電源系統(tǒng)的重要組成部分之一。太陽能電池的輸出功率受環(huán)境溫度、輻照、后端負載等因素影響，其輸出的峰值功率點經常發(fā)生漂移，從而造成不能最大限度的利用太陽能電池發(fā)出的能量。因此，峰值功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術是滿足航天器載荷功率變化頻繁輕質高效電源的必然要求。

空間電源系統(tǒng)的可靠性要求很高，由于太空輻照的存在，電源系統(tǒng)多采用硬件電路的實現(xiàn)方式。傳統(tǒng)的MPPT算法主要存在兩個缺點，一是計算量大，軟件實現(xiàn)非常容易，硬件實現(xiàn)較難；二是跟蹤精度較低，跟蹤速度較慢，難以適應MPPT技術的空間應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于MPPT的太陽能電池功率控制電路，解決實現(xiàn)較難和跟蹤精度低以及跟蹤速度慢的技術難題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于MPPT的太陽能電池功率控制電路，其特點是，該電路包含：

電壓擾動電路和電流擾動電路，電壓擾動電路采樣接收太陽能電池的輸出電壓，電流擾動電路采樣接收太陽能電池的輸出電流，對太陽能電池的輸出電壓和輸出電流進行交錯擾動處理；

邏輯控制電路，其分別電路連接電壓擾動電路和電流擾動電路的輸出端，接收經過電壓擾動電路和電流擾動電路交錯擾動處理的太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，輸入信號經過觸發(fā)器的處理后，控制電壓擾動電路和電流擾動電路中開關管的通斷，且對觸發(fā)器的后端電容進行充放電，電容電壓經過運算放大器跟隨輸出后得到參考電壓信號；

PI調節(jié)電路，其輸入端電路連接邏輯控制電路的輸出端，對邏輯控制電路的輸出進行電壓環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制后，輸出控制信號，控制太陽陣調節(jié)器使太陽能電池的工作點不斷趨近最大功率點，使太陽能電池的輸出功率靠近最大功率點并穩(wěn)定。

太陽能電池功率控制電路還包含啟動電路，其輸入端電路連接參考電壓和邏輯控制電路的輸出，輸出端電路連接至邏輯控制電路的輸入端，啟動電路在太陽能電池功率控制電路啟動時，給邏輯控制電路提供一個初始信號，使邏輯控制電路能夠按照設定的邏輯開始工作，同時加快邏輯控制電路的啟動速度。

上述電壓擾動電路包含：第一電阻R₁、第二電阻R₂、第三電阻R₃、第一P型開關管M₁、第一電容C₁、第一比較器X₁和第四電阻R₄；

太陽能電池輸出電壓采樣V₁連接第一電阻R₁的一端以及第一比較器X₁的“–”端，第一電阻R₁的另一端與第一P型開關管M₁的源極、第二電阻R₂的一端和第三電阻R₃的一端相連，第二電阻R₂的另一端接地，第三電阻R₃的另一端與第一P型開關管M₁的柵極以及邏輯控制電路相連，第一P型開關管M₁的漏極與第一電容C₁的一端以及第一比較器X₁的“+”端相連，第一電容C₁的另一端接地，第一比較器X₁的輸出端通過第四電阻R₄連接邏輯控制電路的輸入端。

上述電流擾動電路包含：第五電阻R₅、第六電阻R₆、第七電阻R₇、第二P型開關管M₂、第二電容C₂、第二比較器X₂和第八電阻R₈；

太陽能電池輸出電流采樣I₁連接第五電阻R₅的一端以及第二比較器X₂的“–”端，第五電阻R₅的另一端與第二P型開關管M₂的源極、第六電阻R₆的一端和第七電阻R₇的一端相連，第六電阻R₆的另一端接地，第七電阻R₇的另一端與第二P型開關管M₂的柵極以及邏輯控制電路相連，第二P型開關管M₂的漏極與第二電容C₂的一端以及第二比較器X₂的“+”端相連，第二電容C₂的另一端接地，第二比較器X₂的輸出端通過第八電阻R₈連接邏輯控制電路的輸入端。

上述邏輯控制電路包含RS觸發(fā)器、第九電阻R₉、第三電容C₃、第十電阻R₁₀和第一運算放大器EA₁；

RS觸發(fā)器的輸出端與第九電阻R₉的一端相連，第九電阻R₉的另一端與第三電容C₃的一端以及第一運算放大器EA₁的“+”端相連，第三電容C₃的另一端接地，第一運算放大器EA₁的“-”端與第十電阻R₁₀的一端相連，第十電阻R₁₀的另一端電路連接第一運算放大器EA₁的輸出端以及PI調節(jié)電路。

上述邏輯控制電路包含RS觸發(fā)器及其外圍電路；

電壓擾動電路中，第三電阻R₃連接第一P型開關管M₁的柵極的一端電路連接RS觸發(fā)器的輸出端Q；第四電阻R₄電路連接至RS觸發(fā)器的輸入端R。

上述邏輯控制電路包含RS觸發(fā)器及其外圍電路；

電流擾動電路中，第七電阻R₇連接第二P型開關管M₂的柵極的一端電路連接RS觸發(fā)器的輸出端第八電阻R₈電路連接至RS觸發(fā)器的輸入端S。

上述的啟動電路包含：第三比較器X₃、第十一電阻R₁₁、第一二極管D₁、第四電容C₄、第四比較器X₄、第十二電阻R₁₂、第二二極管D₂和第五電容C₅；

參考電壓V_{ref_L}連接第三比較器X₃的“+”端，參考電壓V_{ref_H}連接第四比較器X₄的“-”端，邏輯控制電路的輸出信號V_{mppt_ref}連接第三比較器X₃的“-”端以及第四比較器X₄的“+”端，第三比較器X₃的輸出端連接第十一電阻R₁₁的一端，第十一電阻R₁₁的另一端連接第一二極管D₁的陽極，第一二極管D₁的陰極連接第四電容C₄的一端以及邏輯控制電路的輸入端，第四電容C₄的另一端接地，第四比較器X₄的輸出端連接第十二電阻R₁₂的一端，第十二電阻R₁₂的另一端連接第二二極管D₂的陽極，第二二極管D₂的陰極連接第五電容C₅的一端以及邏輯控制電路的輸入端，第五電容C₅的另一端接地。

上述的邏輯控制電路包含RS觸發(fā)器及其外圍電路；

啟動電路中，第一二極管D₁的陰極電路連接至RS觸發(fā)器的輸入端R；第二二極管D₂的陰極電路連接至RS觸發(fā)器的輸入端S。

如權利要求1所述的太陽能電池功率控制電路，其特征在于，所述的PI調節(jié)電路包含：第二運算放大器EA₂、第六電容C₆、第七電容C₇、第十三電阻R₁₃、第三運算放大器EA₃、第十四電阻R₁₄和第八電容C₈；

太陽能電池輸出電壓采樣V₁與第二運算放大器EA₂的“+”端相連，第二運算放大器EA₂的“-”端與第七電容C₇的一端以及第十三電阻R₁₃的一端相連，第十三電阻R₁₃的另一端與第六電容C₆的一端相連，第七電容C₇的另一端與第六電容C₆的另一端以及第二運算放大器EA₂的輸出端相連，第二運算放大器EA₂的輸出端與第三運算放大器EA₃的“+”端相連，濾波后的太陽能電池輸出電流采樣I₂與第八電容C₈的一端以及第三運算放大器EA₃的“-”端相連，第八電容C₈的另一端與第十四電阻R₁₄的一端相連，第十四電阻R₁₄的另一端與第三運算放大器EA₃的輸出端相連。

本發(fā)明基于MPPT的太陽能電池功率控制電路和現(xiàn)有技術的太陽能電池能量利用技術相比，其優(yōu)點在于，本發(fā)明設有基于模擬電路的MPPT交錯擾動算法電路，，硬件電路組成簡單，實現(xiàn)對太陽能電池高可靠性、高精度和高速度的MPPT控制，符合空間MPPT技術的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于MPPT的太陽能電池功率控制電路及太陽陣調節(jié)器的電路框圖；

圖2為太陽能電池的特性曲線；

圖3為本發(fā)明基于MPPT的太陽能電池功率控制電路的電路原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖，進一步說明本發(fā)明的具體實施例。

如圖1所示，是本發(fā)明基于MPPT的太陽能電池功率控制電路及太陽陣調節(jié)器Superbuck電路的電路框圖?；贛PPT的太陽能電池功率控制電路包含電壓擾動電路N₁、電流擾動電路N₂、啟動電路N₃、邏輯控制電路N₄和PI調節(jié)電路N₅。太陽能電池的輸出電壓采樣V₁和輸出電流采樣I₁分別經過電壓擾動電路N₁和電流擾動電路N₂的處理后，進入邏輯控制電路N₄，邏輯控制電路N₄的輸出經過PI調節(jié)電路N₅的處理后輸出控制信號。控制信號通過脈寬調制電路和驅動電路連接至太陽陣調節(jié)器中IGBT的基極S?？刂菩盘柾ㄟ^控制太陽陣調節(jié)器使太陽能電池的工作點不斷逼近最大功率點，最終使太陽能電池的輸出功率穩(wěn)定在最大功率點附近。其中，太陽陣調節(jié)器采用降壓型電路，其工作拓撲為Superbuck電路形式，通過調節(jié)脈寬調制電路輸出占空比的大小，來調節(jié)太陽能電池的工作點，其優(yōu)點是輸入電流連續(xù)，紋波小，效率更高。

如圖2所示，是太陽能電池的特性曲線，縱坐標為太陽陣電流和太陽陣功率，橫坐標為太陽陣電壓。從圖中可見，隨著太陽能電池輸出電壓的增大，其輸出電流逐漸減小。

如圖3所示，為本發(fā)明所公開的一種基于MPPT的太陽能電池功率控制電路的實施例，該電路包含：電壓擾動電路N₁、電流擾動電路N₂、啟動電路N₃、邏輯控制電路N₄和PI調節(jié)電路N₅。

電壓擾動電路N₁采樣接收太陽能電池的輸出電壓，電流擾動電路N₂采樣接收太陽能電池的輸出電流，對太陽能電池的輸出電壓和輸出電流進行交錯擾動處理。

啟動電路N₃輸入端電路連接參考電壓和邏輯控制電路的輸出，輸出端電路連接至邏輯控制電路的輸入端，啟動電路在太陽能電池功率控制電路啟動時，給邏輯控制電路提供一個初始信號，使得邏輯控制電路能夠按照設定的邏輯開始工作，同時加快控制電路的啟動速度。

邏輯控制電路N4接收經過交錯擾動處理的太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，輸入信號經過觸發(fā)器的處理后，一方面控制電壓擾動電路和電流擾動電路中開關管的通斷，另一方面對觸發(fā)器的后端電容進行充放電，電容電壓經過運算放大器跟隨輸出后得到參考電壓信號。

PI調節(jié)電路N₅電路連接邏輯控制電路的輸出端，對邏輯控制電路的輸出進行電壓環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制后，輸出控制信號，控制太陽陣調節(jié)器使太陽能電池的工作點不斷趨近最大功率點，最終使太陽能電池的輸出功率穩(wěn)定在最大功率點附近，跟蹤精度(跟蹤功率與最大功率之比)達到99％。

具體的，邏輯控制電路N₄包含RS觸發(fā)器、第九電阻R₉、第三電容C₃、第十電阻R₁₀和第一運算放大器EA₁。

RS觸發(fā)器的輸出端與第九電阻R₉的一端相連，第九電阻R₉的另一端與第三電容C₃的一端以及第一運算放大器EA₁的“+”端相連，第三電容C₃的另一端接地，第一運算放大器EA₁的“-”端與第十電阻R₁₀的一端相連，第十電阻R₁₀的另一端電路連接第一運算放大器EA₁的輸出端以及PI調節(jié)電路。

電壓擾動電路N₁包含：第一電阻R₁、第二電阻R₂、第三電阻R₃、第一P型開關管M₁、第一電容C₁、第一比較器X₁和第四電阻R₄。

太陽能電池輸出電壓采樣V₁連接第一電阻R₁的一端以及第一比較器X₁的“–”端，第一電阻R₁的另一端與第一P型開關管M₁的源極、第二電阻R₂的一端和第三電阻R₃的一端相連，第二電阻R₂的另一端接地，第三電阻R₃的另一端與第一P型開關管M₁的柵極以及RS觸發(fā)器的輸出端Q相連，第一P型開關管M₁的漏極與第一電容C₁的一端以及第一比較器X₁的“+”端相連，第一電容C₁的另一端接地，第一比較器X₁的輸出端通過第四電阻R₄連接RS觸發(fā)器的輸入端R的輸入端。

電流擾動電路N₂包含：第五電阻R₅、第六電阻R₆、第七電阻R₇、第二P型開關管M₂、第二電容C₂、第二比較器X₂和第八電阻R₈。

太陽能電池輸出電流采樣I₁連接第五電阻R₅的一端以及第二比較器X₂的“–”端，第五電阻R₅的另一端與第二P型開關管M₂的源極、第六電阻R₆的一端和第七電阻R₇的一端相連，第六電阻R₆的另一端接地，第七電阻R₇的另一端與第二P型開關管M₂的柵極以及RS觸發(fā)器的輸出端相連，第二P型開關管M₂的漏極與第二電容C₂的一端以及第二比較器X₂的“+”端相連，第二電容C₂的另一端接地，第二比較器X₂的輸出端通過第八電阻R₈連接RS觸發(fā)器的輸入端S。

啟動電路N₃包含：第三比較器X₃、第十一電阻R₁₁、第一二極管D₁、第四電容C₄、第四比較器X₄、第十二電阻R₁₂、第二二極管D₂和第五電容C₅。

參考電壓V_{ref_L}連接第三比較器X₃的“+”端，參考電壓V_{ref_H}連接第四比較器X₄的“-”端，邏輯控制電路的輸出信號V_{mppt_ref}連接第三比較器X₃的“-”端以及第四比較器X₄的“+”端，第三比較器X₃的輸出端連接第十一電阻R₁₁的一端，第十一電阻R₁₁的另一端連接第一二極管D₁的陽極，第一二極管D₁的陰極連接第四電容C₄的一端以及RS觸發(fā)器的輸入端R，第四電容C₄的另一端接地，第四比較器X₄的輸出端連接第十二電阻R₁₂的一端，第十二電阻R₁₂的另一端連接第二二極管D₂的陽極，第二二極管D₂的陰極連接第五電容C₅的一端以及RS觸發(fā)器的輸入端S，第五電容C₅的另一端接地。

PI調節(jié)電路N₅包含：第二運算放大器EA₂、第六電容C₆、第七電容C₇、第十三電阻R₁₃、第三運算放大器EA₃、第十四電阻R₁₄和第八電容C₈；

太陽能電池輸出電壓采樣V₁與第二運算放大器EA₂的“+”端相連，第二運算放大器EA₂的“-”端與第七電容C₇的一端以及第十三電阻R₁₃的一端相連，第十三電阻R₁₃的另一端與第六電容C₆的一端相連，第七電容C₇的另一端與第六電容C₆的另一端以及第二運算放大器EA₂的輸出端相連，第二運算放大器EA₂的輸出端與第三運算放大器EA₃的“+”端相連，濾波后的太陽能電池輸出電流采樣I₂與第八電容C₈的一端以及第三運算放大器EA₃的“-”端相連，第八電容C₈的另一端與第十四電阻R₁₄的一端相連，第十四電阻R₁₄的另一端與第三運算放大器EA₃的輸出端相連。

進一步的，基于MPPT的太陽能電池功率控制電路的執(zhí)行過程在時間上可以分為五個時段[0，t₁)、[t₁，t₂)、[t₂，t₃)、[t₃，t₄)和[t₄，+∞)，其具體執(zhí)行過程如下：

時段1[0，t₁)：上電初始時刻，第一運算放大器EA₁的輸出信號V_{mppt_ref}小于參考電壓V_{ref_L}和V_{ref_H}，第三比較器X₃輸出高電平，第四比較器X₄輸出低電平，第一二極管D₁的輸出信號Reset為高電平，第二二極管D₂的輸出端信號Set為低電平，即RS觸發(fā)器的輸入信號R為高電平，S為低電平，則其輸出信號是高電平，Q是低電平，電容C₃充電，信號V_{mppt_ref}迅速上升，第二運算放大器EA₂的“+”端輸入電壓V₁逐漸增大；第一P型開關管M₁開通，第一電容C₁的電壓值逐漸升高，第一比較器X₁輸出低電平，信號Reset為低電平，第二P型開關管M₂關斷，第二電容C₂的電壓值保持為0，第二比較器X₂輸出低電平，信號Set為低電平。

時段2[t₁，t₂)：信號V_{mppt_ref}的值逐漸增大，當其大于參考電壓V_{ref_L}，小于參考電壓V_{ref_H}時，第三比較器X₃和第四比較器X₄的輸出都是低電平，信號Reset和信號Set均為低電平，RS觸發(fā)器的輸出保持不變，即為高電平，Q為低電平，信號V_{mppt_ref}的值繼續(xù)增大，第二運算放大器EA₂的“+”端輸入電壓V₁繼續(xù)增大；第一P型開關管M₁開通，第一電容C₁繼續(xù)充電，第一比較器X₁輸出低電平，信號Reset為低電平，第二P型開關管M₂關斷，第二電容C₂的電壓值保持為0，第二比較器X₂輸出低電平，信號Set為低電平。

時段3[t₂，t₃)：t₂時刻，信號V_{mppt_ref}的值等于參考電壓V_{ref_H}，第三比較器X₃輸出低電平，第四比較器X₄輸出高電平，信號Reset為低電平，信號Set為高電平，RS觸發(fā)器的輸出翻轉，變?yōu)榈碗娖剑琎變?yōu)楦唠娖?，第一P開關管M₁關斷，第一比較器X₁的“+”端輸入電壓保持為kV₁(t₂)(k值由電阻分壓而得，其值小于1，可調)，第一比較器X₁的“-”端輸入電壓是V₁(t₂)，第一比較器X₁輸出低電平，第二P型開關管M₂開通，第二比較器X₂輸出低電平；(t₂，t₃)時段，信號為低電平，第三電容C3放電，信號V_{mppt_ref}的值不斷降低，第二運算放大器EA₂的“+”端輸入電壓V₁同步逐漸減小，即第一比較器X₁的“-”端輸入電壓逐漸減小，當其小于kV₁(t₂)時，第一比較器X₁輸出高電平，信號Reset為高電平，信號Set保持低電平，RS觸發(fā)器的輸出信號翻轉，變?yōu)楦唠娖?，Q變?yōu)榈碗娖健?/p>

時段4[t₃，t₄)：t₃時刻，RS觸發(fā)器的輸出信號為高電平，Q為低電平，第一P型開關管M₁開通，第一比較器X₁輸出低電平，信號Reset為低電平，第二P型開關管M₂關斷，第二比較器X₂的“+”端輸入電壓保持為kI₁(t₃)，第二比較器X₂的“-”端輸入信號是I₁(t₃)，第二比較器X₂輸出低電平，信號Set為低電平，RS觸發(fā)器的輸出保持不變，為高電平，Q為低電平；(t₃，t₄)時段，為高電平，第三電容C₃充電，信號V_{mppt_ref}的值不斷升高，第二運算放大器EA₂的“+”端輸入電壓V₁同步逐漸增大，由太陽能電池的特性曲線可得，第二比較器X₂的“-”端輸入信號I₁逐漸減小，當其小于kI₁(t₃)時，第二比較器X₂輸出高電平，信號Set為高電平，RS觸發(fā)器的輸出信號翻轉，變?yōu)榈碗娖剑琎變?yōu)楦唠娖健?/p>

時段5[t₄，+∞)：控制電路在t₄時刻的狀態(tài)與t₂時刻相同，電路循環(huán)重復階段3和階段4的工作狀態(tài)。當太陽陣電池的工作點電壓大于最大功率點電壓時電壓下降的形成大于電流下降的形成，太陽陣電池的工作點電壓小于最大功率點電壓時電流下降的形成大于電壓下降的形成，太陽陣的工作點會不斷逼近最大功率點，最后在最大功率點附近小范圍震蕩。

盡管本發(fā)明的內容已經通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。