• (1)如何将太阳能最有效率地转换为电能，以获取最大能量；





• (2)如何将该转换的电能最有效率储存于电池中，使电池在电化学转换过程的能量损失达到最低。

将太阳能最有效率地转换为电能的控制方法称之为最大功率追踪控制，其能使太阳能板依据不同的工作环境自动调适输出最大功率，使太阳能达到最有效率之转换。故本文提出一兼具最大功率追踪功能之太阳光电储能系统，以盛群半导体之控制器HT46R24为控制核心，其具有追踪太阳能板最大功率点与监控蓄电池状态之功能，其能使太阳能板依据不同工作环境自动调整输出最大功率，并且具有监控储能电池状态之功能，可有效地避免蓄电池有过度充电之情形发生，使其蓄电池之使用寿命可有效地延长。

兼具最大功率追踪功能之电池储能系统

图一为本文所提的兼具太阳能最大功率追踪功能之电池储能系统方块图，其主要以一微控制器为控制核心，搭配一直流/直流转换器等电路所组成。其动作原理如下：一开始，微控制器会透过内部的模拟/数字转换器ADC，读取太阳能电池输出电压vpv和输出电流ipv。其输出电压vpv输出电流ipv数据透过扰动观察法的程序，运算出下一笔的最佳的直流/直流转换器之工作周期，再改变其直流/直流转换器控制讯号，以控制太阳能板之最佳的输出功率。其太阳能电池所输出的能量将对输出端之电池充电，微控制器会透过内部的模拟/数字转换器ADC读取电池电压vbatt以得知电池之状态，确保电池不会有过度充电与过度放电问题之问题，以延长电池使用寿命。

《图一 太阳光电储能系统方块图》

电路动作原理

其直流/直流转换器之电路图如图二所示，其是由两个功率MOSFET S1、S2，一输入电容器Ci、一输出滤波电容器C0、一滤波电感器Lp和一电池组Vb所组成，其中二极管D1和D2为功率MOSFET S1、S2之本体二极管（Body Diode），电路结构可视为一同步降压转换器（Synchronous Buck Converter）。图三为系统电路动作时序图，其电路动作原理如下：

《图二 直流/直流转换器之电路图》

《图三 电路之时序图》

当0≦t≦DTS

等效电路图如图四所示，功率MOSFET S1为导通状态而功率MOSFET S2为截止状态。滤波电感Lp两端电压为Vpv－Vb，并开始以线性模式充电。此时功率MOSFET S2之本体二极管D2为逆向截止。

《图四 0≦t≦DTS等效电路图》

当DTS≦t≦TS

等效电路图如图五所示，功率MOSFET S1为截止状态。其功率MOSFET S2之本体二极管D2因滤波电感器Lp反电动势而顺向导通，接着功率MOSFET S2之闸极与汲极两端送入一驱动电压而导通，其功率MOSFET S2之源极与汲极的两端电压开始减少至0V。此时，滤波电感Lp两端电压为－Vb，其流过滤波电感Lp之电流开始以斜率－Vb/Lp线性下降，其滤波电感Lp开始放电。

《图五 DTS≦t≦TS之等效电路图》

由上述电路动作原理，可推导直流/直流转换器之输入电流Ii等于：

公式一

• Ii＝iLp˙D＝Ib˙D ---（1）





• 其中Ii为直流/直流转换器之输入电流，





• iLp为流经滤波电感Lp之电流，





• Ib为直流/直流转换器之电池充电电流，





• D为功率MOSFET之驱动讯号的工作周期。

由公式一可得知，可藉由控制功率MOSFET之驱动讯号的工作周期D，配合扰动观察法则，以控制其直流/直流转换器之输入电流Ii大小，进而达到太阳能最大功率输出之功能。

改良型扰动观察法

由于太阳能板之输出功率会受日照量、温度等因素影响，为了使太阳能板能在不同工作环境下皆能汲取出最大功率，其控制太阳能电力系统之功率电路需搭配一最大功率追踪法。先前已有许多文献著作提出许多最大功率追踪法，其中以扰动观察法因具有快速之响应、量测参数较少、结构简单和环境适应能力佳等优点，所以被普遍地应用在太阳能的最大功率追踪上。

由于本文所提之兼具太阳能最大功率追踪功能之电池储能系统，因须兼顾太阳能最大功率追踪与电池充电调节等功能，传统扰动观察法因为搜寻速度过慢的问题，故本文所提系统采用一改良式扰动观察法，其保有传统扰动观察法之快速之响应、结构简单和环境适应能力佳等优点，并且改善传统扰动观察法之最大功率点搜寻速度。其图六为改良型扰动观察法之流程图，改良型扰动观察法与传统扰动观察法差别为工作周期之变化量会随着其太阳能板之输出功率差值而改变，以加快最大功率点之搜寻速度。

《图六 改良型扰动观察法之流程图》

电池充电保护机制

铅酸电池自公元1859年法国普朗特（G. Plante）发明以来，至今已130余年，是世上发展最成熟的二次电池，其具有极适合于浮动充电状态使用、瞬间放电率高、价格便宜等的优点，故本文之蓄电池采用铅酸电池。铅酸蓄电池正极使用铅（Pb），负极使用二氧化铅（PbO2），电解液使用稀硫酸。其充放电的化学反应式如公式二所示。从反应式得知，铅酸电池与其他电池不同之处在于电解液（硫酸），在放电时会被消耗，故被称为活性物质（即参与起电/发电的材料），铅酸电池在充电过程由正极所产生的氧气被负极吸收时，会直接与周围的电解液自然反应，负极回复成硫酸盐，亦即原来的放电生成物。

《公式二》

从反应式得知，铅酸电池与其他电池不同之处在于电解液（硫酸），在放电时会被消耗，故被称为活性物质（即参与起电/发电的材料），铅酸电池在充电过程由正极所产生的氧气被负极吸收时，会直接与周围的电解液自然反应，负极回复成硫酸盐，亦即原来的放电生成物。铅酸电池之单颗电池的电压为2V，一般常串联成6V或12V铅酸电池使用。一般常见之充电法有定电流充电法、定电压充电法和定电压定电流充电法，其中以定电压定电流充电法因电路简单、不会有过充电和初始电流过大的优点，所以被普遍地应用在许多产品上。铅酸电池在使用上需注意一颗电池单体的放电终止电压为1.75V，若作超过放电终止电压的深度放电，电池寿命将会缩短。

以定电压定电流充电时，需设定初始电流之大小，若以过大的充电电流对电池充电，其电能无法有效地转换成化学能，其会转换成热能对电池产生温升，影响电池使用寿命，故通常设定初期电流在0.8C以下。在t0～t1期间，电池电压等于电池充电汽化电压时，此时本系统执行定电压充电功能，以定电压对电池充电，以避免电池有过量充电之问题发生。

（a）

（b）

《图七 电池充电保护机制示意图 (a)电池充电电压(b)电池充电电流》

实验结果

为了验证本文所提之兼具最大功率追踪功能之电池储能系统的可行性与优越性，本文实际制作一200W之系统。表一为本系统之相关电气参数，而图八其系统外观图。图九和图十为太阳能板之实际量测出的特性曲线，与本文所提之电池储能系统追踪最大功率点之关系图，从图中可清楚的看到，本文所提之电池储能系统可成功追踪到所实验的太阳能板之最大功率点，使太阳能板产生最大功率之输出。

《图八 本文所提之兼具最大功率追踪功能之电池储能系统外观图》

《图九 太阳能板特性曲线与所追踪的最大功率点之关系图（ipv vs vpv曲线）》

《图十 太阳能板特性曲线与所追踪的最大功率点之关系图（ipv vs Ppv曲线）》

结语

《图十 太阳能板特性曲线与所追踪的最大功率点之关系图（ipv vs Ppv曲线）》

---作者陈良瑞教授现任教于国立彰化师范大学电机工程学系；朱能亿现就读国立台湾科技大学电机工程学系博士班---

参考文献

• ---作者陈良瑞教授现任教于国立彰化师范大学电机工程学系；朱能亿现就读国立台湾科技大学电机工程学系博士班---





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