DE19720427B4

DE19720427B4 - Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung mit Hochsetzsteller und Regelung des Maximum-Power-Points

Info

Publication number: DE19720427B4
Application number: DE19720427A
Authority: DE
Inventors: Hyun-min Jo; Yong-ho Kim
Original assignee: Fairchild Korea Semiconductor Ltd
Current assignee: Fairchild Korea Semiconductor Ltd
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2017-05-16
Also published as: KR100205229B1; KR970077760A; CN1064789C; US5932994A; JP3904119B2; DE19720427A1; CN1171650A; JPH1023686A

Abstract

Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung, aufweisend: eine Solarzelle (10), die eine Ausgangsspannung (Vin) ausgibt; eine Chopperschaltung (100) zum Umwandeln der Ausgangsspannung (Vin) von der Solarzelle (10) in eine Gleichspannung (Vout), wobei die Chopperschaltung (100) aufweist: eine Induktionsspule (L1), eine Schalteinrichtung (T1) und einen Stromerfassungswiderstand (Rs), die nacheinander zwischen einem Anschlusspunkt für die Ausgangsspannung (Vin) der Solarzelle (10) und eine Erdklemme in swiderstand (Rs) ein dem Ausgangsstrom der Solarzelle proportionales Stromsignal (I) abgreifbar ist, und eine Gleichrichterschaltung mit einer Diode (D1) und einem Kondensator (C4), die parallel zur Schalteinrichtung (T1) nacheinander in Reihe geschaltet sind; eine Batterie (200), die mit der Chopperschaltung (100) verbunden ist und mittels der umgewandelten Gleichspannung (Vout) geladen wird; und eine Impulsdauermodulations-(PWM)-Steuereinrichtung (300), die aufweist: eine Leistungserfassungseinrichtung (310, 20) zum Erfassen der Ausgangsspannung (Vin) und des Stromsignals (I) der Solarzelle (10) und zur Berechnung der Solarzellenleistung mittels eines...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtungen und insbesondere auf eine Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung, die einem maximalen Leistungspunkt folgen kann, der sich entsprechend der Stärke von Sonnenlicht, das auf eine Solarzelle fällt, und einer Umgebungstemperatur ändert.
Unlängst haben Untersuchungen hinsichtlich Vorrichtungen zum wirksamen Ausnutzen von Solar- bzw. Sonnenenergie große Fortschritte gemacht. Eine Solarzelle wird zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie verwendet. Die Leistung der Solarzelle ist entsprechend der Stärke von Sonnenlicht, das auf die Solarzelle einfällt, und der Umgebungstemperatur verschieden, wie dies in den 7 und 8 dargestellt ist. Diese Änderungen hinsichtlich der Leistung bringen eine Änderung bei einer Ausgangsimpedanz der Solarzelle mit sich. Falls eine feste Last durch die Solarzelle angetrieben wird, gibt es eine Impedanz-Fehlanpassung und die Wirksamkeit bzw. der Wirkungsgrad der zur Last übertragenen Leistung wird herabgesetzt. Daher wurden Anstrengungen zum Maximieren des Wirkungsgrads der Energie durch eine maximale Leistungsübertragung unternommen.
Im U.S.-Patent Nr. US 4 873 480 A sind eine Zellenanordnung und eine unabhängige Zelle an einem Solarzellenpanel eingerichtet, wie dies in 9 dargestellt ist. Eine Bezugsspannung wird durch die unabhängige Zelle erzeugt und ein Impulsdauer-Modulationssignal wird durch das Vergleichen der Bezugsspannung mit einer Ausgangsspannung der Zellenanordnung erzeugt. Die Leistung, die einer Last zugeführt wird, wird in Erwiderung auf das Impulsdauer-Modulationssignal. geschaltet. Daher wird eine Ausgangsspannung der Solarzelle auf einem konstanten Spannungspegel beibehalten, und zwar unabhängig von der Stärke des Sonnenlichtes oder der Umgebungstemperatur.
Jedoch verursacht eine solche Technik wie die, die in dem vorstehenden Patent Nr. 4,873,480 offenbart ist, geringfügige Veränderungen hinsichtlich einer Spannung zum Erzeugen eines maximalen Leistungspunkts entsprechend dem Sonnenlicht, wie dies in 7 dargestellt ist. Obwohl der Wirkungsgrad besser ist, als wenn eine konstante Bezugsspannung verwendet wird, ist es schwierig, die Maximalleistung unter jeder Bedingung zu übertragen, und eine zusätzliche, unabhängige Zelle soll vorgesehen werden.
Um Schwankungen bei einer Spannung der Solarzelle entsprechend der Temperatur zu kompensieren, wird beim U.S.-Patent US 4 580 090 A ein Thermistor zum Erfassen der Ausgangsspannung der Solarzelle und zum Kompensieren der erfaßten Spannung hinsichtlich der Temperatur verwendet, wie dies in 10 dargestellt ist. Jedoch wird die Ausgangsspannung der Solarzelle durch Teilen der Spannung durch Widerstände erfaßt, und die Temperatur wird durch das Verwenden des Thermistors kompensiert, der mit diesen Widerständen in Reihe geschaltet ist. Daher wird die Gesamtwirksamkeit bzw. der Gesamtwirkungsgrad herabgesetzt, falls das Sonnenlicht sehr schwach ist.
Im U.S.-Patent Nr. US 4 916 382 A werden die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Solarzelle mittels eines Analog-zu-Digital-Wandlers in digitale Daten umgewandelt, wie dies in 11 dargestellt ist. Die erhaltenen Digitaldaten werden über einen Mikroprozessor programmgesteuert verarbeitet, um den maximalen Leistungspunkt zu speichern. Jedoch ist eine solche Technik beim Schaltungsaufbau aufgrund eines Schnittstellen-Schaltungsaufbaus hinsichtlich des Mikroprozessors kompliziert und erhöht die Kosten.
Die DE 32 45 866 A1 schlägt eine Anordnung zur Regelung alternativer Energiequellen auf maximale Leistung vor. Ein DC/DC-Wandler verbindet Solarzellen mit einer Betterie oder Last. Eine Steuerelektronik verfolgt Strom- und Spannungsänderungen während des Betriebs der Solarzelle. Obere und untere Leistungswerte werden gespeichert und aus diesen wird kontinuierlich eine Differenz gebildet, wobei der Betrag und das Vorzeichen der Differenz die Richtung des momentanen Arbeitspunktes in der I/V-Kurve bezüglich des maximalen Leistungspunkts angibt. Anhand dieser Signale wird das Ansteuern des DC/DC-Wandlers zur Maximierung der Leistung angepasst.
DE 689 05 049 T2 offenbart zwei Konzepte zur Anpassung der Leistung einer Last. Solange die Leistung der Solarzelle höher ist als der Leistungsbedarf der Last, passt der DC/DC-Wandler den Arbeitspunkt der Solarzelle so an, dass deren Leistungsabgabe der Leistungsaufnahme der Last entspricht. Für diesen Modus ist ein Pufferspeicher in Form einer Batterie vorgesehen, die parallel zur Last am Ausgang des Wandlers angeschlossen ist. Beim anderen Betriebsmodus, bei dem der Leistungsbedarf der Last höher ist als der Output der Solarzelle, steuert ein Kontroller den Wandler so, dass die Solarzelle immer beim maximalen Arbeitspunkt arbeitet. Dazu wird ein iterativer Prozess gestartet, bei dem der Kontroller die Ausgangsleistung des Wandlers über die Zeit ändert, bis ein Leistungsmaximum entdeckt wird. Dazu wird der Arbeitspunkt mit allmählich kleiner werdender Amplitude entlang der I/V-Kurve verfahren, bis das Maximum erreicht ist.
Bei der EP 0 653 692 A2 wird ebenfalls eine Ladeanordnung vorgeschlagen, bei der die Energie aus einer Solarzelle einer Batterie unter Zwischenschaltung eines Leistungswandlers vorgesehen ist. Die zeitliche Änderung einer Vielzahl von Strom- und Spannungswerten der Solarzelle werden erfasst und daraus der maximale Arbeitspunkt der Solarzelle abgeschätzt und entsprechend der Leistungswandler angesteuert.
Auch gemäß dem Abstract der JP 03 201 113 A wird auf maximale Leistung der Solarzelle zum Laden einer Batterie geregelt, wobei zum Nachführen ein Integrationsglied zum Integrieren der Solarzellenleistung zum Einsatz kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung zu schaffen, die einem maximalen Leistungspunkt unabhängig von der Stärke von Sonnenlicht und einer Umgebungstemperatur folgen kann.
Ferner soll die Erfindung eine Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung mit einem einfachen Schaltungsaufbau schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung ist hinsichtlich Rauschens innerhalb einer konstanten Zeitdauer oder Schwankungen bei einer momentanen Leistung unempfindlich, da der maximale Leistungspunkt über eine konstante Periode durch das Vergleichen eines vorherigen durchschnittlichen Leistungswertes mit einem momentanen durchschnittlichen Leistungswert während einer konstanten Zeitdauer erfaßt werden kann, wodurch eine Fehlfunktion verhindert werden kann. Ferner kann der maximale Leistungspunkt durch eine relativ einfache analoge Schaltung mit Schaltungselementen, wie Kondensatoren, Vergleichern, Schaltern, Stromquellen etc. erfaßt werden. Daher ist der Schaltungsaufbau einfach und Kosten können reduziert werden.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm einer Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung;
2 ein detaillierteres Schaltungsdiagramm einer Impulsdauer-Modulationssteuereinrichtung, die in 1 dargestellt ist;
3 ein detaillierteres Schaltungsdiagramm einer Maximal-Leistungspunkt-Erfassungseinrichtung, die in 2 dargestellt ist;
4 ein Taktdiagramm, das einen Betriebsablauf der 2 darstellt;
5 ein Taktdiagramm, das einen Betriebsablauf der 3 darstellt;
6 eine Kurve, die die Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung, einem Ausgangsstrom und einer Leistung einer Solarzelle darstellt;
7 eine Kurve, die die Ausgangsspannungs-Kennwerte und die Ausgangsstrom-Kennwerte entsprechend der Stärke von Sonnenlicht darstellt, das auf eine Solarzelle einfällt;
8 eine Kurve, die die Ausgangsspannungs-Kennwerte und Ausgangsstrom-Kennwerte entsprechend einer Umgebungstemperatur einer Solarzelle darstellt;
9 ein Blockdiagramm einer konventionellen Maximalleistungspunkt-Nachfolgevorrichtung;
10 ein Blockdiagramm eines konventionellen Systems zum Maximieren des Wirkungsgrads der Leistungsübertragung und
11 ein Blockdiagramm eines Solarenergiesystems, mit dem eine Abstimmschaltung für eine variable Impedanz kombiniert ist, um den Umwandlungswirkungsgrad einer Leistungsquelle mit einer photoelektrischen Zelle zu verbessern.
Wie aus 1 ersichtlich, umfaßt eine Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung bzw. Solarzellen-Leistungsquellenvorrichtung eine Solarzelle oder eine Solarzellenanordnung 10, eine Zerhacker- bzw. Chopper-Schaltung 100 zum Empfangen einer Ausgangsspannung Vin der Solarzelle 10 und Umwandeln der Ausgangsspannung Vin der Solarzelle 10 in eine verstärkte bzw. geboostete Gleichspannung Vaus bzw. Vout, eine Batterie 200 zum Laden bzw. Bereitstellen der Gleichspannung Vout der Chopper-Schaltung 100 und eine Impulsdauer-Modulations(PWM)-Steuereinrichtung 300 zum Empfangen der Ausgangsspannung Vin und eines Ausgangsstroms der Solarzelle 10, die einen maximalen Leistungspunkt der Solarzelle 10 erfaßt und die Chopper-Schaltung 100 so steuert, daß die Gleichspannung Vout der Chopper-Schaltung 100 auf einem konstanten Pegel beibehalten wird, indem der Ausgangsstrom der Solarzelle 10 dem erfaßten maximalen Leistungspunkt nachfolgt.
Die Chopper-Schaltung 100 umfaßt einen Induktor bzw. eine Induktionsspule L1, die zwischen eine Ausgangsklemme der Solarzelle 10 und eine Erdklemme in Reihe geschaltet ist, einen Verstärkungswechselrichter bzw. Boostinverter, der aus einer Schalteinrichtung T1 und einem Stromerfassungswiderstand Rs besteht, und eine Korrektur- bzw. Gleichrichterschaltung, die aus einer Diode D1 und einem Kondensator C4 besteht, die zwischen den beiden Klemmen der Schalteinrichtung T1 in Reihe geschaltet sind. Kondensatoren C2 und C3 werden zum Beseitigen von Rauschen verwendet. Der Stromerfassungs- bzw. Stromabtastwiderstand Rs wird zum Erfassen des Ausgangsstroms der Solarzelle 10 verwendet.
Die PWM-Steuereinrichtung 300 umfaßt, wie in 2 dargestellt, einen Maximalleistungspunkt-Detektor, bzw. eine Maximalleistungspunkt-Erfassungseinrichtung 310, eine Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung bzw. einen Bezugssignalgenerator 320, einen Vergleicher 330 und einen Schalttreiber 340. Der Maximalleistungspunkt-Detektor 310 empfängt die Ausgangsspannung Vin der Solarzelle 10 und ein momentanes Erfassungssignal bzw. Stromerfassungssignal des Stromerfassungswiderstands Rs und erfaßt den maximalen Leistungspunkt zum Erzeugen eines Maximalleistungspunkt-Erfassungssignals. Der Bezugssignalgenerator 320 integriert das Maximalleistungspunkt-Erfassungssignal und erzeugt das momentane Integrationssignal. Der Vergleicher 330 vergleicht das momentane Integrationssignal mit dem Stromerfassungssignal und erzeugt ein Aus-Steuersignal. Der Schalttreiber 340 schaltet die Schalteinrichtung T1 in Erwiderung auf eine vorgeschriebene Frequenz, z. B. ein Taktsignal CL von 45 kHz ein und schaltet die Schalteinrichtung T1 in Erwiderung auf das Aus-Steuersignal aus.
Der Maximalleistungspunkt-Detektor 310 umfaßt einen Leistungsdetektor 20 zum Erzeugen eines Leistungserfassungssignals, der auf die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom der Solarzelle 10 anspricht, einen Signalgenerator 30 zum Erzeugen eines Abtastsignals und eine Maximalleistungspunkt-Unterscheidungseinrichtung 40. Die Maximalleistungspunkt-Unterscheidungseinrichtung 40 vergleicht eine vorherige Ladungsmenge mit einer momentanen Ladungsmenge, die entsprechend dem Leistungserfassungssignal über eine gegebene Zeit in Erwiderung auf das Abtastsignal geladen wurde. Falls die vorherige Ladungsmenge größer als die momentane Ladungsmenge ist, entscheidet die Maximalleistungspunkt-Unterscheidungseinrichtung 40, daß die Ausgangsleistung der Solarzelle 10 abnimmt und erzeugt ein Unterscheidungssignal.
Der Leistungsdetektor 20 weist einen Spannungsdetektor 22 zum Erzeugen eines Spannungserfassungssignals durch das Erfassen der Ausgangsspannung der Solarzelle 10, einen Stromdetektor 24 zum Erzeugen eines Stromerfassungssignals durch Erfassen des Ausgangsstroms der Solarzelle 10 und einen Vervielfacher bzw. Multiplizierer 26 zum Erzeugen des Leistungserfassungssignals durch Multiplizieren des Spannungserfassungssignals mit dem Stromerfassungssignal auf.
Das Abtastsignal der Signalerzeugungseinrichtung bzw. des Signalgenerators 30 umfaßt ein erstes Schaltsignal S1, ein zweites Schaltsignal S2, ein Taktsignal S3 und ein Setz- bzw. Einstellsignal S4. Das erste Schaltsignal S1 weist ein ”hohes” Intervall bzw. Hochintervall auf, das während jeder Periode von T1, T2 und T3 länger als ein ”tiefes” Intervall bzw. Tiefintervall ist, wie dies in 5 dargestellt ist. Das zweite Schaltsignal S2 wird um das Hochintervall des ersten Schaltsignals S1 verschoben. Das Taktsignal S3 weist die gleiche Periode bzw. Zeitdauer wie das erste und das zweite Schaltsignal S1 bzw. S2 auf, wobei es das ”hohe” Intervall von einer Periode nur während eines Intervalls bzw. Zeitraums aufweist, in dem die Hochintervalle des ersten und des zweiten Schaltsignals S1 bzw. S2 einander überlappen. Das Setzsignal S4 weist die gleiche Periode wie das erste und das zweite Schaltsignal S1 bzw. S2 auf, wobei seine Anstiegs- bzw. Vorderflanke bei einer Abfall- bzw. Hinterflanke des Taktsignals S3 liegt.
In der Maximalleistungspunkt-Unterscheidungseinrichtung 40 ist, wie dies in 3 dargestellt ist, eine erste Stromquelle CS1 zwischen eine invertierende Klemme (–) eines Vergleichers U1 und eine Erdklemme geschaltet, wobei sie sich hinsichtlich ihres Ausgangsstroms in Erwiderung auf das Leistungserfassungssignal ändert, das von dem Leistungsdetektor 20 erzeugt wird. Einen zweite Stromquelle CS2 mit der gleichen Stromstärke, wie der der ersten Stromquelle CS1, ist zwischen eine nicht invertierende Klemme (+) des Vergleichers U1 und die Erdklemme geschaltet, wobei sie sich hinsichtlich ihres Ausgangsstroms in Erwiderung auf das Leistungserfassungssignal ändert. Ein Kondensator C1 ist zwischen die invertierende und die nicht invertierende Klemme des Vergleichers U1 geschaltet. Ein erster Schalter S1, der zwischen die invertierende Klemme (–) des Vergleichers U1 und eine Bezugsspannungsquelle Vref geschaltet ist, wird durch das Hochintervall des ersten Schaltsignals S1 eingeschaltet und durch das Tiefintervall des ersten Schaltsignals S1 ausgeschaltet. Ein zweiter Schalter S2, der zwischen die nicht invertierende Klemme (+) des Vergleichers U1 und die Bezugsspannung bzw. Bezugsspannungsquelle Vref geschaltet ist, wird durch das Hochintervall des zweiten Schaltsignals S2 ein- und durch das Tiefintervall des zweiten Schaltsignals S2 ausgeschaltet. Ein Flip-Flop FF1 hält den Ausgangswert des Vergleichers U1 in Erwiderung auf das Taktsignal S3 und setzt einen Ausgang bzw. Ausgangswert in Erwiderung auf das Setzsignal S4.
Beim Betrieb wird die Ausgangsspannung Vin der Solarzelle 10 an die Chopper-Schaltung 100 angelegt, wie dies in 1 dargestellt ist. Während die Schalteinrichtung T1 eingeschaltet ist, wird die Ausgangsspannung Vin der Solarzelle 10 in dem Induktor L1 gespeichert, und während die Schalteinrichtung T1 ausgeschaltet ist, wird die Energie, die in der Induktionsspule bzw. dem Induktor L1 geladen ist, zur Batterie 200 umgeladen.
Die Ausgangsspannung Vin, d. h., eine Betriebsspannung der Solarzelle 10, und die Gleichspannung Vout der Batterie 200 genügen der nachfolgenden Gleichung (1): Vout = Vin/(1 - D) (1), wo D ein Tastverhältnis bzw. Tastgrad der Chopper-Schaltung 100 ist. Falls die Spannung Vout der Batterie 200 konstant ist, ändert sich die Betriebsspannung Vin der Solarzelle 10 entsprechend dem Tastverhältnis D. Daher kann bestimmt werden, daß die Betriebsspannung Vin bei einer Spannung Vm eines maximalen Leistungspunkts der Solarzelle 10 durch Einstellen des Tastverhältnisses D betrieben wird. D. h., falls der Ausgangsstrom der Solarzelle 10 gesteuert werden kann, so daß er einen Strom Im aufweist, bei dem der maximale Leistungspunkt angenommen wird, dann kann die Solarzelle 10 bei ihrem maximalen Leistungspunkt betrieben werden.
Da die Ausgangsspannung Vin der Solarzelle 10 sich entsprechend der Stärke des Sonnenlichtes und der Umgebungstemperatur ändert, ändert sich die Spannung Vm des maximalen Leistungspunktes. Darüber hinaus ändert sich die Ladungsspannung Vout auch, falls die Batterie 200 über eine längere Zeit geladen wird. Daher sollte das Tastverhältnis so gesteuert werden, daß die Eingangsspannung der Chopper-Schaltung 100 eine Spannung des maximalen Leistungspunktes der Solarzelle 10 selbst dann annimmt, falls die Eingangs- und Ausgangsspannung der Chopper-Schaltung 100 sich ändern.
Beim Erfassen des maximalen Leistungspunktes zum Folgen des maximalen Leistungspunktes erzeugt der Leistungsdetektor 20 der Maximalleistungspunkt-Erfassungseinrichtung 300 das Leistungserfassungssignal mit einer charakteristischen Kurve, die in 6 dargestellt ist, entsprechend der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom der Solarzelle 10. In 6 bezeichnet Isc den Strom, wenn eine Ausgangsklemme der Solarzelle 10 kurzgeschlossen wird, und Vc bezeichnet die Ausgangsspannung, wenn der Ausgang der Solarzelle 10 offen ist. Die Leistung nimmt in einem Bereich A zu und in einem Bereich B ab. Der maximale Leistungspunkt Pmax wird durch das Produkt der Spannung Vm und des Stroms Im erhalten.
Das Leistungserfassungssignal wird der Maximalleistungspunkt-Unterscheidungseinrichtung 40 zugeführt. Da das erste und das zweite Schaltsignal S1 und S2 in einem Hochzustand beibehalten werden, wie dies in 5 gezeigt ist, wird anfangs die Bezugsspannung Vref der invertierenden und der nicht invertierenden Klemme des Vergleichers U1 zugeführt und beide Klemmen des Vergleichers U1 werden bei einem identischen Potential gehalten. Falls beide Klemmen des Vergleichers U1 auf einem identischen Potential liegen, wird der Ausgang des Vergleichers U1 in einem Tiefzustand beibehalten. In einem solchen Fall wird die Spannung über beide Klemmen des Kondensators C1 auf 0 beibehalten.
Während einer Zeitspanne bzw. eines Intervalls Td1, in dem das zweite Schaltsignal S2 in einen Tiefzustand und das erste Schaltsignal S1 in einen Hochzustand gesetzt sind, wird der erste Schalter SW1 eingeschaltet und der zweite Schalter SW2 wird ausgeschaltet. Anfänglich wird der Strom I von der Bezugsspannungsquelle zugeführt. Dann fließt der Strom I/2 durch die erste Stromquelle CS1 und der Strom I/2 fließt über den Kondensator C1 und die zweite Stromquelle CS2. Falls der Kondensator C1 allmählich geladen wird und eine erste Ladungsmenge erreicht, wird das Potential der invertierenden Klemme (–) des Vergleichers U1 auf der Bezugsspannung Vref beibehalten. Das Potential der nicht invertierenden Klemme (+) des Vergleichers U1 wird proportional zur Kapazität des Kondensators C1 allmählich auf –Vc abgesenkt. Während eines Intervalls Td2, bei dem das erste Schaltsignal S1 in einen Tiefzustand und das zweite Schaltsignal S2 in einen Hochzustand gesetzt sind, werden der erste Schalter SW1 aus- und der zweite Schalter SW2 eingeschaltet. Das Potential der nicht invertierenden Klemme (+) des Vergleichers U1 wird auf die Bezugsspannung Vref angehoben und das Potential der invertierenden Klemme (–) des Vergleichers U1 wird auf Vref + Vc angehoben. Die Ladungsmenge, die in den Kondensator C1 geladen wurde, wird über die erste Stromquelle CS1 entladen. Da die Intervalle Td1 und Td2 gleich sind, weist die Stromquelle, die auf das Leistungserfassungssignal beim Intervall Td1 anspricht, die gleiche Ladungsmenge wie die Stromquelle auf, die auf das Leistungserfassungssignal beim Intervall Td2 anspricht, falls das Leistungserfassungssignal auf der gleichen Größe gehalten wird. Daher ist die Ladungsmenge, die in den Kondensator C1 geladen wird, die gleiche, wie die Ladungsmenge, die davon entladen wird. Unmittelbar nach dem Ende des Intervalls Td2 ist das Potential der invertierenden Klemme (–) des Vergleichers U1 identisch mit der Bezugsspannung Vref. Daher wird der Ausgang des Vergleichers U1 in einem Tiefzustand beibehalten. D. h., das Leistungserfassungssignal ändert sich während der Intervalle Td1 und Td2 nicht hinsichtlich der Größe.
Wie dies in 5 dargestellt ist, wird die Spannung über beide Klemmen des Kondensators C1 negativ, falls das Leistungserfassungssignal des Intervalls Td2 in einer Periode T2 größer als das des Intervalls Td1 ist. Mit anderen Worten, das Potential der invertierenden Klemme (–) des Vergleichers U1 ist niedriger als die Bezugsspannung Vref. Da das Potential der nicht invertierenden Klemme (+) des Vergleichers U1 bei der Bezugsspannung Vref beibehalten wird und das Potential der invertierenden Klemme (–) auf einer Spannung niedriger als der Bezugsspannung Vref beibehalten wird, wird der Ausgang des Vergleichers U1 in einen Hochzustand gesetzt. Folglich nimmt die Ausgangsleistung der Solarzelle 10 während eines momentanen Intervalls eher zu als bei einem vorherigen Intervall.
Falls im Gegenteil das Leistungserfassungssignal des Intervalls Td2 in einer Periode T3 kleiner als das des Intervalls Td1 ist, wird die Spannung über beide Klemmen des Kondensators C1 zu einer höheren Spannung als der Bezugsspannung Vref gesetzt. Da das Potential der nicht invertierenden Klemme (+) des Vergleichers U1 bei der Bezugsspannung Vref beibehalten wird und das Potential der invertierenden Klemme (–) auf einer höheren Spannung als der Bezugsspannung Vref beibehalten wird, wird der Ausgang des Vergleichers U1 in einen Tiefzustand gesetzt.
Folglich nimmt die Ausgangsleistung der Solarzelle 10 während eines momentanen Intervalls eher ab, als bei einem vorherigen Intervall.
Das Flip-Flop FF1 hält den Ausgangswert X des Vergleichers U1. Unmittelbar nach dem Ende des Intervalls Td2 hält das Flip-Flop FF1 den Ausgangswert X des Vergleichers U1 bei einer Vorderflanke des Taktsignals S3.
Das Maximalleistungspunkt-Erfassungssignal von der Maximalleistungspunkt-Unterscheidungseinrichtung 40 wird einem T-Flip-Flop 322, das in 2 dargestellt ist, zugeführt und dessen Frequenz halbiert (vgl. 4). Das demultiplizierte bzw. geteilte Signal wird in einer Integrationsschaltung bzw. einem Integrierer 324 integriert und als das momentane Integrationssignal erzeugt. Der Vergleicher 330 vergleicht unter Verwendung des momentanen Integrationssignals als einem Bezugssignal das momentane Integrationssignal mit dem momentanen Erfassungssignal, das dem Ausgangsstrom der Solarzelle 10 entspricht. Der Vergleicher 330 erzeugt das Aus-Steuersignal, wenn das momentane Erfassungssignal größer gleich dem momentanen Integrationssignal ist. Falls die Schalteinrichtung T1 durch den Schalttreiber 340 eingeschaltet wird, dem das Taktsignal zugeführt wird, fließt der Ausgangsstrom der Solarzelle 10 durch die Schalteinrichtung T1 in den Stromerfassungswiderstand Rs. Da das Stromerfassungssignal des Stromerfassungswiderstands Rs in dem Vergleicher 330 wieder mit dem momentanen Integrationssignal verglichen wird, weist der Ausgangsstrom einer Solarzelle 10 eine Welligkeit des Taktsignals auf und folgt dem Bezugssignal nach. Durch solche wiederholte Operationen bzw. Betriebsabläufe nimmt das momentane Integrationssignal zu, bis es den maximalen Leistungspunkt erreicht, und der Ausgangsstrom nimmt auch zu (siehe auch 4).
Falls der maximale Leistungspunkt durchlaufen ist, wird der Maximalleistungspunkt-Detektor 310 zu einem Zeitpunkt T1 in einen Tiefzustand gesetzt und der Ausgang des T-Flip-Flops 322 wird in einen Hochzustand gesetzt. Daher nimmt der Ausgang bzw. der Wert des Ausgangs des Integrierers 324 ab und der Ausgangsstrom, der dem Ausgang des Integrierers 324 nachfolgt, nimmt auch ab. D. h., die Impulsdauer der PWM-Steuereinrichtung 300 nimmt erneut ab und die Eingangsspannung der Chopper-Schaltung 100 nimmt zu. So nimmt die Leistung erneut zu. Falls das Maximalleistungspunkt-Erfassungssignal bei einem Zeitpunkt t2, bei dem der Maximalleistungspunkt durchschritten ist, in einen Tiefzustand gesetzt ist, wird der Ausgang des T- bzw. Trigger-Flip-Flops 322 in einen Hochzustand gesetzt und der Ausgang des Integrierers 324 bzw. dessen Wert nimmt ab. Daher nimmt der Ausgangsstrom, der dem Ausgang des Integrierers 324 folgt, wieder ab. Durch solche wiederholte Operationen fährt die Solarzelle 10 fort, sich um den maximalen Leistungspunkt zu bewegen, und sie wird um den maximalen Leistungspunkt bzw. Betriebspunkt herum betrieben.

Claims

Solarzellen-Spannungsquellenvorrichtung, aufweisend: eine Solarzelle (10), die eine Ausgangsspannung (Vin) ausgibt; eine Chopperschaltung (100) zum Umwandeln der Ausgangsspannung (Vin) von der Solarzelle (10) in eine Gleichspannung (Vout), wobei die Chopperschaltung (100) aufweist: eine Induktionsspule (L1), eine Schalteinrichtung (T1) und einen Stromerfassungswiderstand (Rs), die nacheinander zwischen einem Anschlusspunkt für die Ausgangsspannung (Vin) der Solarzelle (10) und eine Erdklemme in Reihe geschaltet sind, wobei an dem Stromerfassungswiderstand (Rs) ein dem Ausgangsstrom der Solarzelle proportionales Stromsignal (I) abgreifbar ist, und eine Gleichrichterschaltung mit einer Diode (D1) und einem Kondensator (C4), die parallel zur Schalteinrichtung (T1) nacheinander in Reihe geschaltet sind; eine Batterie (200), die mit der Chopperschaltung (100) verbunden ist und mittels der umgewandelten Gleichspannung (Vout) geladen wird; und eine Impulsdauermodulations-(PWM)-Steuereinrichtung (300), die aufweist: eine Leistungserfassungseinrichtung (310, 20) zum Erfassen der Ausgangsspannung (Vin) und des Stromsignals (I) der Solarzelle (10) und zur Berechnung der Solarzellenleistung mittels eines Multiplizierers (26) aus der Ausgangsspannung und dem Stromsignal, wobei der Multiplizierer ein Leistungserfassungssignal ausgibt; eine Leistungsunterscheidungseinrichtung (310, 30, 40), die in einem ersten und darauffolgenden zweiten Zeitintervall (Td1, Td2) das Leistungserfassungssignal als Ladungsmenge integriert, die Ladungsmenge des ersten und zweiten Zeitintervalls mittels eines Vergleichers (U1) vergleicht und ein Vergleichersignal (X, Q) ausgibt; eine Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung (320) zum Integrieren des Vergleichersignals (X, Q) und zum Erzeugen eines momentanen Integrationssignals; eine Vergleichereinrichtung (330) zum Vergleichen des momentanen Integrationssignals mit dem am Stromerfassungswiderstand (Rs) abgegriffenen Stromsignal (I) der Solarzelle (10) und zum Erzeugen eines Aus-Steuersignals; und eine Schalttreibereinrichtung (340) zum Einschalten der Schalteinrichtung (T1) in Erwiderung auf ein Taktsignal (CL, S3) mit einer vorgeschriebenen Frequenz und zum Ausschalten der Schalteinrichtung (T1) in Erwiderung auf das Aus-Steuersignal.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsunterscheidungseinrichtung mittels in einer Signalerzeugungseinrichtung (30) erzeugten Schaltsignalen (S1 ... S4) angesteuert wird; und die Leistungsunterscheidungseinrichtung (40) mittels des Vergleichersignals (X, Q) anzeigt, dass die Ausgangsleistung der Solarzelle (10) abnimmt, wenn die im ersten Zeitintervall (Td1) integrierte Ladungsmenge größer ist als die im zweiten Zeitintervall (Td2) integrierte Ladungsmenge.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schaltsignale der Signalerzeugungseinrichtung (30) aufweisen: ein erstes Schaltsignal (S1) mit einem Hochintervall, das während einer Periode (T1) länger als ein Tiefintervall ist; ein zweites Schaltsignal (S2), das um das Hochintervall des ersten Schaltsignals (S1) verschoben ist; ein Taktsignal (S3) mit der gleichen Periode, wie der des ersten und des zweiten Schaltsignals (S1, S2), und mit dem Hochintervall von einer Periode nur während eines Intervalls, in dem die Hochintervalle des ersten und des zweiten Schaltsignals einander überlappen; und ein Setzsignal (S4) mit der gleichen Periode, wie der des ersten und des zweiten Schaltsignals (S1, S2), und einer Vorderflanke bei einer Hinterflanke des Taktsignals (S3).
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Leistungsunterscheidungseinrichtung (40) aufweist: eine erste Stromquelle (CS1), die zwischen eine invertierende Klemme (–) des Vergleichers (U1) und eine Erdklemme geschaltet ist, wobei die erste Stromquelle (CS1) ihren Ausgangsstrom in Abhängigkeit des Leistungserfassungssignals ändert; eine zweite Stromquelle (CS2), die zwischen eine nicht-invertierende Klemme (+) des Vergleichers (U1) und die Erdklemme geschaltet ist, wobei die zweite Stromquelle (CS2) ihren Ausgangsstrom in Abhängigkeit des Leistungserfassungssignals ändert, wobei bei gleichem Leistungserfassungssignal die erste und zweite Stromquelle einen gleich großen Ausgangsstrom liefern; einen Kondensator (C1), der zwischen die invertierende und die nicht-invertierende Klemme (–, +) des Vergleichers (U1) geschaltet ist; einen ersten Schalter (SW1), der zwischen die invertierende Klemme (–) des Vergleichers (U1) und eine Bezugsspannung (Vref) geschaltet ist, wobei der erste Schalter (SW1) durch das Hochintervall des ersten Schaltsignals (S1) eingeschaltet und durch das Tiefintervall des ersten Schaltsignals (S1) ausgeschaltet wird; einen zweiten Schalter (SW2), der zwischen die nicht-invertierende Klemme (+) des Vergleichers (U1) und die Bezugsspannung (Vref) geschaltet ist, wobei der zweite Schalter (SW2) durch das Hochintervall des zweiten Schaltsignals (S2) eingeschaltet und durch das Tiefintervall des zweiten Schaltsignals (S2) ausgeschaltet wird, und ein Flip-Flop (FF1) zum Halten des Ausgangswerts (X) des Vergleichers (U1) in Erwiderung auf das Taktsignal (S3) und Setzen eines Ausgangs (Q) in Erwiderung auf das Setzsignal (S4).