MPPT第三代太陽能控制器
Controller of Photovoltaic Power Systems
接觸太陽能控制器只是去年(2019)的事，當時我也不知道買的是第幾代控制器，直到第一次長途車泊時，因為使用1200W吹風機將深循環電池的壓降到10.2V，這一壓降竟然造成這個太陽能控制器的負載輸出斷路，大半夜立馬拆開檢查，但也查不到任何問題，直到把控制器接電池的那端重新接回後，負載輸出又恢復正常，但想換一個更好的控制器已經萌生了，上網選購時，才留意到”PWM” “MPPT”類型的標示，研究後才知道原來這是太陽能控制器演進的軌跡
第一代太陽能控制器
我暫時找不到可以找到任何標示的第一代太陽能控制器(所以左邊的圖只是一個暫時替代性的)，那麼第一代太陽能控制器的工作原理:工作原理是直接把太陽能電池板的輸出接到電池埠，當蓄電池充足後就斷開，因為蓄電池內阻的原因，很難把蓄電池充滿，太陽能電池板沒有完全利用起來，這種產品已經逐步退出了市場。
也聽說了第一代的內部應該是屬於機械控制的，而且充電模式應該屬於直充，沒有涓充或浮充的功能，所以電瓶容易充不飽
第二代太陽能控制器 PWM(脈衝寬度調製)
PWM太陽能控制器是第二代技術，現在市場上最多，工作方式是採用PWM控制方式，相對於普通太陽能控制器，已經進步了很多，可以解決電池不滿的問題，充電轉換效率為75～80%，但太陽能電池板沒有完全利用起來。
第三代太陽能控制器 MPPT(最大功率點跟蹤)
Maximum Power Point Tracking
MPPT太陽能控制器是第三代技術，最高端的太陽能控制器。MPPT太陽能控制器,是指具備“最大功率點跟蹤”（MaximumPowerPointTracking）功能的太陽能控制器，是PWM太陽能控制器的升級換代產品，MPPT太陽能控制器能夠實時檢測太陽能板電壓和電流，並不斷追蹤最大功率（P=U*I），使系統始終以最大功率對蓄電池進行充電，MPPT跟蹤效率為99%，整個系統發電效率高達到97%，並且對電池擁有優秀的管理，分為MPPT充電、恆壓均充電和恆壓浮充電。隨著技術的進步和能源的節約，MPPT太陽能控制器取代傳統PWM太陽能控制器的趨勢是不可逆轉的。
這是2025年購入，與上一台的外型幾乎相同，主要差別是前者為40A，現在這款為100A，選擇電池種類時前者並無磷酸鋰鐵電池的選項，但現在買的就有。
特徵:
1. 工業級主芯片，16 個 AD 採樣精度，溫度，充電電流,放電電流準確實時顯示，發電一目了然。
2. 自動對焦跟踪充電，充電效率高，不間斷檢測充電過程中，雙向聚焦跟踪。
3. 大屏幕液晶顯示屏，可調式充電和放電參數。 Uitra 寬充電放電可調，只要您了解電池的特性設置相應的充電參數，可以為電池充電。 輸出關閉時，時間可調節，更方便。
4. 完整的三相充電管理，有效保護電池，電池更佳耐用。
5. 內置過熱，過流短路，開路保護，反向連接保護，消除故障時，控制器會自動恢復，不損壞那個裝置
6. 雙向 MoS 管防回流電路，大功率充電模式，超低熱量。
7. R5. 0 個太陽能充電直流插頭，R5 。 0 直流燈輸出直流插頭，連接方便。
產品特點：
太陽能充電控制器：與普通太陽能充電控制器相比，此款太陽能充電控制器的效率提高了10%-30%。
自動聚焦跟蹤充電，充電效率高，充電過程中不間斷檢測，雙向聚焦跟蹤。
大螢幕液晶顯示，充放電參數可調。
該控制器具有完善的SOC功能，控制充電電流，為負載供電。
防止電池在夜間過度充電、過度放電和對太陽能電池板進行反向充電。
功能:
1. 始終保持電池處於填充電壓狀態。
2. 防止電池過度充電。
3. 防止電池過度放電。
4. 防止電池在過程中反向充電到太陽能電池板
5. 電池反極性保護
6. 太陽能電池板的反極性保護
7. 電池電壓低時，控制器將自動切斷系統的負載。 如果電壓電池恢復正常，負載將重新啟動。
8. 根據電池電壓等級，控制器可以自動設置充電關閉電壓，負載關閉電壓,負載 – 恢復電壓。 (參數默認低於 25℃）
9. 控制器將自動補償溫度充電電壓根據環境溫度的變化而定。
PWM與MPPT的效率比較
舉例100w=工作電壓18v成工作電流5.55a（根據電池板生產商數據有所差異）
pwm充電時直接將18v電壓壓降成（12至14.2v根據電瓶無電和滿電而定），充電時電流不變5.55a，這個過程造成了浪費，使其轉換功率只有原有的百分之70左右可用
（12v至14.2v)*5.55a=66.6w至78w( 百分之66至78之間）100w的電池板變成了70w左右（整體充電效果）
mppt控制器在充電式充分利用了這個壓降電壓，轉換為電流，使其得到更高的效能
舉例100w=工作電壓18v成工作電流5.55a（根據電池板生產商數據有所差異）
mppt一般轉換功率為百分之95至99之間
以百分之95計算得到的電壓和電流是12v7.9a充電 比原有電池板5.5a大了（切記這裡不是永動機的操作）這裡只是把一部分電壓轉換成了電流而已，過程中也會有損耗大約百分之5左右
100w電池板變成了95w（整體充電效果），很明顯的可以看出 mppt充電效率高於pwm
在一定的日照強度和環境溫度下，光伏陣列(太陽能板)可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列(太陽能板)的輸出功率才能達到最大值，這時光伏陣列(太陽能板)的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點。
一、MPPT控制器具有更高的充電效率
一般MPPT控制器充電效率比PWM控制器高出10-30%， 主要表現在同一個太陽能板，能產生更高的充電電流。如果實際測量的話，蓄電池端的充電電流會大於太陽能板端的電流。而PWM控制器則兩邊電流一樣。
二、MPPT控制器輸入太陽能板電壓範圍更大
例如： PWM控制器給12V蓄電池充電，太陽能板的工作電壓一般在17.5V左右，這樣效率最高，如果電壓太高或者太低都不合適。如果是24V電池，工作電壓是12V的兩倍. 也就是說PWM控制器要求太陽能板的工作電壓是固定的。MPPT控制器就不一樣，只要太陽能板的輸入電壓小於控制器額定的電壓都可以充電。例如： 一款MPPT控制器的最高輸入電壓是50V，那麼只要輸入電壓小於50V都可以給12V或者24V蓄電池充電，這樣太陽能板的選擇餘地就很大，可以自由的串聯和並聯工作。
三、MPPT控制器相比PWM控制器，技術難度更大，軟體算法更複雜
MPPT採用最大太陽能板功率追蹤算法，確保太陽能板在任何情況下都能達到最大發電效率。成本比PWM控制器更高。所以在一些的項目中，採用哪種控制器還需要綜合考慮性價比。
MPPT控制器的全稱是「最大功率點跟蹤」（Maximum Power Point Tracking）太陽能控制器，為傳統太陽能充放電控制器的升級換代產品。MPPT控制器能夠即時偵測太陽能板的發電電壓，並追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統以最大功率輸出對蓄電池充電。應用於太陽能光伏系統中，協調太陽能電池板、蓄電池、負載的工作，是光伏系統的大腦。
MPPT的概述
MPPT系統是一種通過調節電氣模組的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統，能夠將太陽能電池板發出的直流電有效地貯存在蓄電池中，可有效地解決常規電網不能覆蓋的偏遠地區及旅遊地區的生活和工業用電，不產生環境污染。
光伏電池的輸出功率與MPPT控制器的工作電壓有關，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有個唯一的最大值。
日照強度為1000W/下，U=24V,I=1A；U=30V,I=0.9A；U=36V,I=0.7A；可見30的電壓下輸出功率最大。
MPPT的原理
給蓄電池充電，太陽板的輸出電壓必須高於電池的當前電壓，如果太陽能板的電壓低於電池的電壓，那麼輸出電流就會接近0。所以，為了安全起見，太陽能板在製造出廠時，太陽能板的峰值電壓（Vpp）大約在17V左右，這是以環境溫度為25°C時的標準設定的。當天氣非常熱的時候，太陽能板的峰值電壓Vpp會降到15V左右，但是在寒冷的天氣裡，太陽能的峰值電壓Vpp可以達到18V。
傳統的太陽能充放電控制器就有點象手動檔的變速箱，當發動機的轉速增高的時候，如果變速箱的檔位不相應提高的話，勢必會影響車速。但是對於傳統控制器來說，充電參數都是在出廠之前就設定好的，就是說，MPPT控制器會即時跟蹤太陽能板中的最大的功率點，來發揮出太陽能板的最大功效。電壓越高，通過最大功率跟蹤，就可以輸出更多的電量，從而提高充電效率。理論上講，使用MPPT控制器的太陽能發電系統會比傳統的效率提高50%，但是跟據我們的實際測試，由於周圍環境影響與各種能量損失，最終的效率也可以提高20%-30%。
從這個意義上講，MPPT太陽能充放電控制器，勢必會最終取代傳統太陽能控制器
MPPT的功能
MPPT控制器主要功能：檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽能陣列的輸出功率，並實現對最大功率點的追蹤。擾動電阻R和MOSFET串連在一起，在輸出電壓基本穩定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產生了電流的擾動。同時，光伏電池的輸出電流電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前後光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一週期的擾動方向，當擾動方向正確時太陽能光能板輸出功率增加，下週期繼續朝同一方向擾動，反之，朝反方向擾動，如此，反復進行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達最大功率點。
電池到電池板的進化
太陽能電池板是由先串聯然後再並聯的單個太陽能電池組成。同樣地，太陽能電池板陣列是由先串聯然後再並聯的單個太陽能電池板組成。太陽能電池串聯是為了提高輸出電壓，太陽能電池並聯是為了提高輸出電流。因此，如果每塊電池的正向壓降是0.5V，額定光能產生100mA電流，則50塊電池串聯可形成一串25V的電池組。然後，再把這串電池組中的60個電池並聯，可產生一個25V、6A的太陽能電池板。如果每個太陽能電池板的輸出功率是150W，在屋頂上安裝50塊太陽能電池板可輸出7.5kW電能。
太陽能電池板的四個重要參數：
Voc是當Iout=0時的開路電壓。Pout=0
Isc是當Vout=0時的短路電流。Pout=0
Vmp是當峰值功率被提取時的輸出電壓。
Imp是當峰值功率被提取時的輸出電流。
如左圖所示，紅色曲線表示電流與電壓的函數關係，綠線表示功率與電壓是函數關係，電流－電壓曲線上還標明了最大功率點。
在太陽能電池(或太陽能電池板)等效電路上，當Vout=0時，電流－電壓曲線的斜率受並聯電阻Rp的影響。最理想的是，太陽能電池板的Rp=∞，且斜率為零。當Vout=Voc時，功率－電壓曲線的斜率受串聯電阻Rs的影響。最理想地是，Rs=0，且斜率無限大。
從太陽能電池板輸出最大功率
目標是找到最大功率點(MPP)，使電池板電壓和電流保持在那個功率點。MPP點的變化與輻照度和溫度有關。當輻照度降低時，Isc電流也隨著變低。隨著Isc降低，MPP向低壓轉移。當溫度升高時，Vmp和最大功率都會降低。Voc、Isc、Vmp、Imp和溫度影響都列在太陽能電池板廠商的資料手冊內。亟待解決的難題是，當太陽能電池板的環境變化時，需要動態跟蹤這些參數的變化，不管外部環境因素如何，確保太陽能電池板始終工作在最大功率點上。
既然太陽能電池板的等效電路可表示為有串聯電阻和並聯電阻的電流源，則Thevenin等效電路可表示為只有一個串聯電阻的電壓源。要想將最大功率從電壓源輸送到負載，負載電阻必須與電壓源的電阻相等。左圖所示是斜率正確的負載線路電阻R2與I-V曲線相交於最大功率點。
由洗車想到的原理
洗車是一個解釋為什麼需要最大輸出功率的實例。我們知道，在用花園澆水用的水管代替高壓水槍洗車時，如果擋泥板上覆蓋一層厚厚的堅硬泥土，就必須用大拇指堵住管口提高水流的沖涮力才能沖淨擋泥板。用拇指堵住管口的作用相當於阻抗匹配裝置，可以從水管主管釋放最大的壓力。
如果把拇指從管口移開，水的流量(電流)就會變大，但是水壓(電壓)則會降低，沖洗力量減弱。把管口幾乎完全堵住，雖然可以換得更大的水壓，但幾乎失去了水流和沖洗力量。只有水管開口大小最佳時，才能產生理想的水壓和流量，獲得最大的沖洗力量。
把這個原理應用到太陽能電池上，我們得到一個內建MPPT功能的直流－直流升壓轉換器，這是一個主動式功率優化器，設計目的是提高太陽能電池板的輸出電壓，同時把太陽能電池板的輸入電壓同步調至Vmp。從而優化或最大化太陽能電池板的輸出功率。使用者設置轉換器的輸出電壓，擾動和觀察MPPT演算法決定轉換器的占空比，占空比就是你潛意識地調節水管的開口大小，直到水管對汽車輸出最大的沖洗力。轉換器的輸入電壓(即太陽能電池板的輸出電壓)是因變數，由下面的公式決定：
Vin=Vout* (占空比等於1)
在被施加太陽電池板的輸入電壓時，SPV1020的占空比初始值很低，僅5%。MPPT演算法就是測量輸入電壓和輸入電流，計算功率，然後，提高占空比。測量新的輸入電壓，計算輸入功率。如果新的功率大於上一次功率，則再次提高占空比。這個過程一直持續到新功率沒有變化或小於上一次功率為止。如果新功率沒有變化，則該功率就是最大功率點。如果新功率小於上一次功率，占空比就會降低；這個過程一直重複到新功率等於上一次功率為止，則該功率被確定為最大功率點。在這種情況下，轉換器將工作在功率－電壓曲線的上方，如左圖所示。
擾動與觀察演算法連續運轉，週期是開關週期的256倍。預設開關頻率為100kHz。開關週期是10微秒，MPPT演算法更新頻率是2.56毫秒。
擾動與觀察演算法採用狩獵方法尋找最大功率點，但是，這的確是阻抗匹配方法。轉換器的典型輸出為35V直流，而電網逆變器工作在350V直流電壓，因此驅動逆變器需要安裝10塊太陽能電池板。每塊太陽能電池板驅動一個轉換器，每塊電池板都執行最大功率點跟蹤功率優化演算法。把10塊轉換器的輸出串聯，以產生350V直流電壓。
電網逆變器在轉換器輸出端產生負載，用RL表示。SPV1020的輸入電阻Rin與該負載和轉換器占空比是函數關係。
輸入電阻：
Rin=RL * (1-duty cycle)2
輸入電阻等於太陽能電池板的輸出電阻。