✎ 太阳能充电控制模块 [小脚丫STEP开源社区]

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### 9. 太阳能MPPT控制模块

#### 模块描述
太阳能MPPT（最大功率点跟踪）控制模块用于太阳能光伏发电系统，实时跟踪太阳能电池板的最大功率点，最大化能量转换效率。采用DC-DC变换器（Buck或Buck-Boost）配合MCU或专用MPPT芯片（如CN3722、LT3652），通过扰动观察法、增量电导法等算法动态调整工作点。相比直连方式，MPPT可提升20-30%的发电效率。适用于电赛中的光伏发电、新能源、微电网等题目，是可再生能源应用的关键技术。

#### 工作原理
```
[太阳能板] → [MPPT控制器] → [蓄电池/负载]
  18V/2A         ↓              12V/2.5A
              [采样电路]
              Vpv, Ipv
                 ↓
              [MCU/MPPT芯片]
                 ↓
           [MPPT算法] → [PWM调节]
                           ↓
                    [Buck变换器]

MPPT算法（扰动观察法）：
1. 测量当前功率P(n) = V(n) × I(n)
2. 扰动电压ΔV（调整PWM占空比）
3. 测量新功率P(n+1)
4. 如果P(n+1) > P(n)，继续同方向扰动
5. 如果P(n+1) < P(n)，反向扰动
6. 循环执行，跟踪最大功率点

输出功率：Pout = Pin × ηMPPT × ηDC-DC
```

#### 技术指标
- **控制芯片**: CN3722 (专用MPPT), 或STM32+Buck
- **输入电压**: 12-36V (太阳能板开路电压)
- **输出电压**: 12V/24V (铅酸)/14.4V (锂电三串)
- **输出电流**: 最大5-10A
- **MPPT效率**: >99% (算法效率)
- **转换效率**: >95% (DC-DC效率)
- **跟踪速度**: <1s (稳定光照)
- **算法**: 扰动观察法/增量电导法/电导增量法
- **工作频率**: 50-500kHz (开关频率)
- **充电模式**: MPPT+恒压+浮充三段式

#### 接口管脚定义
| 接口 | 名称 | 功能 | 规格 |
|------|------|------|------|
| PV+/- | 光伏输入 | 太阳能板 | 12-36V |
| BAT+/- | 电池输出 | 蓄电池 | 12V/24V |
| LOAD+/- | 负载输出 | 可选负载输出 | 可控开关 |
| V_PV | 电压采样 | 光伏电压 | ADC输入 |
| I_PV | 电流采样 | 光伏电流 | 分流器+运放 |
| V_BAT | 电池电压 | 电池电压 | ADC输入 |
| PWM | PWM输出 | 驱动MOS | 占空比控制 |

#### 板上设置和信号指示
- **输入端**: 防反接二极管或MOS
- **电流采样**: 0.01Ω分流器+INA181放大器
- **电压采样**: 分压电阻+ADC
- **功率MOS**: IRFZ44N或同等品
- **续流二极管**: 快恢复二极管SS54或同步整流
- **滤波电感**: 47-100μH/10A
- **输出电容**: 1000μF/25V低ESR
- **显示屏**: OLED显示Vpv, Ipv, Ppv, Vbat
- **状态LED**: 充电/满电/故障指示

#### 电气指标
- **光伏输入**: 12-36V, 最大10A
- **最大输入功率**: 200W (20V×10A)
- **电池电压**: 12V (10.8-14.4V), 24V系统加倍
- **充电电流**: 0.1-10A可调
- **MPPT精度**: ±1% MPP
- **电压采样精度**: 0.1V
- **电流采样精度**: 0.01A
- **转换效率**: >95% @额定功率
- **静态功耗**: <10mA
- **工作温度**: -20°C至+60°C
- **保护**: 输入过压、输出过压、过流、反接、过温

#### 使用说明
1. **太阳能板选择**: 开路电压18V，工作电压约15V，功率50-200W
2. **电池匹配**: 12V铅酸（14.4V充满）或3串锂电（12.6V）
3. **参数设置**: 设定电池类型、充电电流、截止电压
4. **MPPT调试**: 示波器观察PWM占空比变化，功率表验证MPP
5. **遮挡测试**: 部分遮挡时测试MPPT响应速度
6. **效率测试**: 输入功率计+输出功率计，计算η=Pout/Pin
7. **温度补偿**: 锂电池无需，铅酸需温度补偿（-3mV/°C/单体）
8. **数据记录**: 记录Vpv, Ipv, Vbat曲线，分析MPPT性能

#### 全国大学生电子设计竞赛相关赛题
- **2009年A题**: 光伏并网发电模拟装置（MPPT核心）
- **2017年A题**: 微电网模拟系统（光伏发电单元）
- **2015年**: 新能源发电与控制（太阳能部分）
- **2013年**: 简易电能质量监测装置（可加光伏输入）

#### 应用技术要点总结
1. **算法优化**: 扰动观察法简单，增量电导法快速，可变步长提高效率
2. **采样精度**: 高精度ADC和低偏置运放，保证MPPT精度
3. **快速跟踪**: 光照突变时快速响应，步长自适应
4. **局部阴影**: 多峰值功率曲线需全局扫描算法
5. **三段充电**: MPPT阶段→恒压阶段→浮充阶段
6. **并网**: 逆变后并网需同步锁相和功率因数控制
7. **储能配合**: 光伏+储能+负载协调控制
8. **数据监控**: 实时显示发电数据，上传云端

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