太阳能转换器和控制太阳能转换器的方法.pdf

一种控制器（306）执行控制太阳能转换器（20，300）的方法（400），该太阳转换器经连接以从太阳能源（10）接收输出功率。该方法包含：测量（430）太阳能源的断路电压（VOC）；确定太阳能源所输出的短路电流（ISC）；利用（440）所测量的断路电压（VOC）和所测量的短路电流（ISC）来确定太阳能源的电压最大功率点（VMPP）的估计，该电压最大功率点对应于用于将输出功率从太阳能源传送至负载的最大功率点（MPP）；从所估计的VMPP开始执行（450）扰动观察算法（500），以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP；以及在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作（470）太阳能转换器。

权利要求书
1.  一种控制太阳能转换器（20，300）的方法（400），所述太阳能转换器经连接以从太阳能源（10）接收输出功率，所述方法包括：
测量（430）所述太阳能源（10）的断路电压（VOC）；
跨所述太阳能源的输出应用（430）短路；
在跨所述太阳能源的输出应用短路的同时，确定（430）所述太阳能源（10）输出的短路电流（ISC）；
从跨所述太阳能源的输出移除（430）短路；
利用（440）所测量的断路电压（VOC）和所测量的短路电流（ISC）来确定所述太阳能源的电压最大功率点（VMPP）的估计，所述电压最大功率点对应于用于将输出功率从所述太阳能源传送至负载（30）的最大功率点（MPP）；
从所估计的VMPP开始执行（450）扰动观察算法（500），以确定（460）用于将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载的实际VMPP；以及
在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作（470）所述太阳能转换器。

2.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的变化来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的变化。

3.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括周期性地重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以周期性地更新实际VMPP。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括求解参数方程，所述参数方程将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压（301）关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线（210，220），所述预定曲线将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压（301）关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。

6.  根据权利要求1所述的方法，其中从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法以确定用于将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载的实际VMPP包括控制升降压转换器（304），以将所述太阳能源的输出电压（301）转换成被提供至所述负载的所述太阳能转换器的输出电压（308）。

7.  根据权利要求6所述的方法，其中控制所述升降压转换器包括调整所述升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载。

8.  根据权利要求6所述的方法，其中执行扰动观察算法包括在将输出功率从所述太阳能源传送至所述负载的同时，重复地测量所述太阳能源的输出电压和所述太阳能源的输出电流。

9.  一种装置（300），包括：
输入端口（310），其被配置成接收太阳能源（10）的输出电压（301）；
输出端口（320），其被配置成连接至负载（30）；
短路（302），其被配置成跨所述输入端口可选择地连接和断开连接；
电流测量设备（307）；
电压测量设备（307）；
传送设备（304），其被配置成将所述太阳能源的输出电压转换成所述负载处的负载电压（308）；以及
控制器（306），其被配置成使所述装置执行算法，所述算法包括：
利用所述电压测量设备测量（430）所述太阳能源的断路输出电压（VOC）；
跨所述输入端口连接（430）短路；
在跨所述输入端口连接短路的同时，确定（430）所述太阳能源输出的短路电流（ISC）；
从跨所述输入端口移除（430）短路；
利用（440）所测量的断路电压（VOC）和所测量的短路电流（ISC）来确定所述太阳能源的电压最大功率点（VMPP）的初始估计，所述电压最大功率点对应于用于将功率从所述太阳能源传送至所述负载的最大功率点（MPP）；
从所估计的VMPP开始执行（450）扰动观察算法（500），以确定（460）用于将功率从所述太阳能源传送至所述负载的实际VMPP；以及
在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作（470）所述传送设备。

10.  根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器被进一步配置成使所述装置重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的变化来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的变化。

11.  根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器被进一步配置成使所述装置周期性地重复所述测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以周期性地更新实际VMPP。

12.  根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过求解参数方程来确定所估计的VMPP，所述参数方程将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。

13.  根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线来确定所估计的VMPP，所述预定曲线将所述太阳能源的输出电流与所述太阳能源的输出电压关联起来，并且将所述太阳能源的输出电压与所述太阳能源的输出功率关联起来。

14.  根据权利要求9所述的装置，其中所述传送设备包括升降压转换器（304）。

15.  根据权利要求14所述的装置，其中所述升降压转换器包含至少一个开关设备，并且其中所述控制器被配置成调整所述升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以使所述传送设备在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将功率从所述太阳能源传送至所述负载。

16.  根据权利要求14所述的装置，其中所述升降压转换器被配置成在所述输入端口处所接收的太阳能源的输出电压小于负载电压时操作于升压转换模式中，并且在所述输入端口处所接收的太阳能源的输出电压大于负载电压时操作于降压转换模式中。

17.  根据权利要求9所述的装置，进一步包括所述太阳能源（10）。

18.  根据权利要求17所述的装置，进一步包括所述负载（30），其中所述负载包含电池和光源中的至少一个。

19.  根据权利要求9所述的装置，进一步包括所述负载，其中所述负载包含一个或多个电池。

20.  根据权利要求9所述的装置，其中执行扰动观察算法包括在所述装置将功率从所述太阳能源传送至所述负载的同时，利用所述电压测量设备重复地测量所述太阳能源的输出电压并利用所述电流测量设备重复地测量所述太阳能源的输出电流。

说明书太阳能转换器和控制太阳能转换器的方法
技术领域
本发明一般地涉及太阳能转换器和控制太阳能转换器的方法。更特别地，本文公开的多种创造性方法和装置涉及用于从太阳能产生设备最大化功率转换的装置和方法。
背景技术
太阳能源被用于多种应用。随着传统化石燃料能源的成本的增加并且由于环境影响而使这些能源受到更少的关注，太阳能源的使用持续扩展。
采用太阳能面板、能量传送设备、能量存储设备的太阳能系统变得广泛用于地面能量系统中，包括并网和离网的太阳能系统。在太阳能产生系统中，太阳能面板被用来通过光伏效应产生电。太阳能辐射是太阳能系统的输入，并且能量存储设备（诸如一个或多个电池）是太阳能系统的输出。太阳能系统的一个优点在于，其独立于任何电力分布网络并且可用于固定器件和移动器件二者中。
通常，来自太阳能源的输出功率具有特性曲线，其中输出功率在本文限定为电压最大功率点（VMPP）的特定输出电压处达到最大功率，该最大功率在本文限定为最大功率点（MPP）。在MPP以外的任何其他点处从太阳能源传送功率将比在MPP处操作时效率更低。
然而通常，太阳能源的MPP将从一个太阳能源到另一个太阳能源变化。此外，给定太阳能源的MPP将随时间变化，特别地由于改变环境条件，并且特别地由于太阳能源所接收的太阳能的量因为所接收的阳光量的改变而改变。
因此，可能期望的是提供一种方法和装置，其可从具有可变输出功率的能源（诸如太阳能源）提供最大功率传送。进一步可能有利的是提供这样的方法和装置，其可相对快速且准确地收敛于(converge on)最大功率点而无需采用复杂算法。
发明内容
本公开涉及用于太阳能转换器的创造性方法和装置，以及操作太阳能转换器的方法。例如，在某些实施例中，太阳能转换器采用最大功率点追踪算法，该算法采用从太阳能源的断路电压和短路电流来对最大功率点进行初始估计。
一般而言，在一个方面，提供一种用于控制太阳能转换器的方法，该太阳能转换器经连接以从太阳能源接收输出功率。该方法包括：测量太阳能源的断路电压（VOC）；跨太阳能源的输出应用短路；在跨太阳能源的输出应用短路的同时，确定太阳能源所输出的短路电流（ISC）；从跨太阳能源的输出移除短路；利用所测量的断路电压（VOC）和所测量的短路电流（ISC）来确定太阳能源的电压最大功率点（VMPP）的初始估计，该电压最大功率点对应于用于将输出功率从太阳能源传送至负载的最大功率点（MPP）；从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法，以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP；以及在该实际VMPP处或近似于该实际VMPP处操作太阳能转换器。
在一个或多个实施例中，该方法进一步包括重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的改变来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的改变。
在一个或多个实施例中，该方法进一步包括周期性地重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以周期性地更新实际VMPP。
在一个或多个实施例中，利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括求解参数方程，该参数方程将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
在一个或多个实施例中，利用所测量的VOC和所测量的ISC来确定所估计的VMPP包括将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线，该预定曲线将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
在一个或多个实施例中，从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP包括控制升降压转换器，以将太阳能源的输出电压转换成被提供至负载的太阳能转换器的输出电压。
根据这些实施例的一个可选特征，控制升降压转换器包括调整该升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将输出功率从太阳能源传送至负载。
根据这些实施例的另一可选特征，执行扰动观察算法包括在将输出功率从太阳能源传送至负载的同时，重复地测量太阳能源的输出电压和太阳能源的输出电流。
一般而言，在另一方面，一种装置包括：输入端口，其被配置成接收太阳能源的输出电压；输出端口，其被配置成连接至负载；短路，其被配置成跨输入端口可选择地连接和断开连接；电流测量设备；电压测量设备；传送设备，其被配置成将太阳能源的输出电压转换成负载处的负载电压；以及控制器，其被配置成控制该装置。该控制器被配置成使该装置执行算法，该算法包含：利用电压测量设备测量太阳能源的断路输出电压（VOC）；跨输入端口连接短路；在跨输入端口连接短路的同时，确定太阳能源所输出的短路电流（ISC）；从跨输入端口移除短路；利用所测量的断路电压（VOC）和所测量的短路电流（ISC）来确定太阳能源的电压最大功率点（VMPP）的初始估计，该电压最大功率点对应于用于将功率从太阳能源传送至负载的最大功率点（MPP）；从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法，以确定用于将功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP；以及在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作传送设备。
在一个或多个实施例中，控制器被进一步配置成使该装置重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤，以随环境条件的改变来更新实际VMPP，从而导致实际VMPP的改变。
在一个或多个实施例中，控制器被进一步配置成使该装置周期性地重复该测量、应用、确定、移除、利用和执行步骤以周期性地更新实际VMPP。
在一个或多个实施例中，控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过求解参数方程来确定所估计的VMPP，该参数方程将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
在一个或多个实施例中，控制器利用所测量的VOC和所测量的ISC以通过将所测量的VOC和所测量的ISC拟合到预定曲线来确定所估计的VMPP，该预定曲线将太阳能源的输出电流与太阳能源的输出电压关联起来，并且将太阳能源的输出电压与太阳能源的输出功率关联起来。
在一个或多个实施例中，传送设备包括升降压转换器。
根据这些实施例的一个可选特征，升降压转换器包括至少一个开关设备，其中控制器被配置成调整升降压转换器中的开关设备的占空因数和开关频率中的至少一个，以使传送设备在执行扰动观察算法时在实际MPP处或近似于实际MPP处将功率从太阳能源传送至负载。
根据这些实施例的另一可选特征，升降压转换器被配置成在输入端口处所接收的太阳能源的输出电压小于负载电压时操作于升压转换模式中，并且在输入端口处所接收的太阳能源的输出电压大于负载电压时操作于降压转换模式中。
在一个或多个实施例中，该装置包括太阳能源。根据这些实施例的一个可选特征，该装置进一步包括负载，其中该负载包括电池和光源中的至少一个。
在一个或多个实施例中，执行扰动观察算法包括在该装置将功率从太阳能源传送至负载的同时，利用电压测量设备重复地测量太阳能源的输出电压并利用电流测量设备重复地测量太阳能源的输出电流。
如出于本公开的目的而在本文中使用的，术语“LED”应理解为包括任何电致发光二极管，或者能够响应于电信号而产生辐射的载流子注入/基于结的其他类型系统。因此，术语LED包括但不限于响应于电流而发光的多种基于半导体的结构、发光聚合物、有机发光二极管（OLED）、电致发光带等。特别地，术语LED指所有类型的发光二极管（包括半导体和有机发光二极管），其可被配置成产生在红外光谱、紫外光谱、和可见光谱的各部分（通常包括从大概380纳米到大概780纳米的辐射波长）中的一个或多个中的辐射。LED的某些示例包括但不限于多种类型的红外LED、紫外LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙色LED、和白色LED（以下进一步讨论）。还应理解，LED可被配置和/或控制成产生具有给定光谱（例如，窄带宽、宽带宽）的各种带宽（例如，半高全宽，或FWHM），和给定一般颜色分类中的多个主要波长的辐射。
例如，被配置成产生基本上白色光的LED（例如，白色LED）的一个实现可包括多个管芯，其分别发射不同的电致发光谱，这些电致发光谱通过组合而混合形成基本上白色光。在另一实现，白色光LED可与磷光体材料相关联，该磷光体材料将具有第一光谱的电致发光转换成不同的第二光谱。在该实现的一个示例中，具有相对短波长和窄带宽光谱的电致发光“泵浦”磷光体材料，该磷光体材料继而辐射具有略微更宽光谱、更长波长的辐射。还应理解，术语LED不限制LED的物理和/或电学封装类型。例如，如上所讨论的，LED可指具有多个管芯的单个发光设备，该多个管芯被配置成分别发射不同的辐射谱。
术语“光源”应理解为是指多种辐射源中的任何一个或多个，其包括但不限于基于LED的源（包括如上所限定的一个或多个LED）、白炽光源（例如，白炽灯、卤钨灯）、荧光源、磷光源、高强度放电源（例如，钠蒸汽灯、汞蒸汽灯、和金属卤化物灯）、激光、其他类型的电致发光源、焦致发光源（例如，火焰）、烛光源（例如，气灯罩、碳弧辐射源）、光致发光源（例如，气体放电源）、使用电子饱和的阴极发光源、流电发光源、结晶发光源、运动发光源、热发光源、摩擦发光源、声纳发光源、辐射发光源及发光聚合物。
术语“控制器”在本文中通常用来描述涉及功率转换器的操作的各种装置。控制器可以多种方式（例如，诸如使用专用硬件）实现以执行本文所讨论的各种功能。“处理器”为控制器的一个示例，其采用可使用软件（例如，微代码）编程的一个或多个微处理器来执行本文所讨论的各种功能。这样的微代码可存储在与处理器相关联的存储设备（例如，静态存储设备）中。可在采用或不采用处理器的情况下实现控制器，并且控制器也可实现为执行一些功能的专用硬件与执行其它功能的处理器的组合（例如，一个或多个编程的微处理器及相关电路）。可在本公开的多种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路（ASIC）、以及现场可编程门阵列（FPGA）。控制器还可包括一个或多个相关设备，诸如驱动器、模拟数字转换器（ADC）、比较器等。
应当理解，当元件被称为“连接”或“耦合”至另一元件时，其可直接连接或耦合至另一元件或者可能存在中间元件。相反地，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在中间元件。
如本文所使用的，词语“近似”应意指在±2%以内。如本文所使用的，当第一值被称为“大约为”第二值时，应意指第一值在第二值的±10%以内。
应当了解，前述概念与下文更详细地讨论的附加概念的所有组合（假如这些概念并非相互不一致）被预期为本文所公开的创造性主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的所要求保护的主题的所有组合被预期为本文所公开的创造性主题的一部分。还应了解，在本文中明确采用的并且也可出现在通过引用而并入的任何公开内容中的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
在附图中，相同参考字符在不同视图中通常是指相同部分。另外，附图未必按比例绘制，替代地通常加有强调以图示本发明的原理。
图1图示了太阳能系统的示例性布置。
图2图示了太阳能源的示例性性能曲线。
图3为太阳能转换器的示例性实施例的功能框图。
图4为图示操作太阳能转换器的方法的示例性实施例的流程图。
图5为图示可在图4所示方法中采用的扰动观察算法的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
如上所讨论的，通常来自太阳能源的输出功率具有特性曲线，其中输出功率在本文限定为电压最大功率点（VMPP）的特定输出电压处达到最大功率，该最大功率在本文限定为最大功率点（MPP）。在MPP以外的任何其他点处从太阳能源传送功率将比在MPP处操作时效率更低。
因此，本发明人已经认识并理解到可能有利的是提供一种方法和装置，其能够在最大功率点处或近似于最大功率点处将功率从太阳能源传送至负载。进一步可能有利的是提供这样的方法和装置，其可相对快速且准确地收敛于最大功率点而无需采用复杂算法。
鉴于以上所述，本发明的多种实施例和实现涉及用于在太阳能源的最大功率点处或其附近将功率从太阳能源传送至负载的方法和装置。
图1图示了太阳能系统100的示例性布置。太阳能系统100包括太阳能源10、太阳能转换器20、和负载30。太阳能源10从光源（通常为太阳）接收太阳能，并且响应于此而产生输出电压和输出电流，该输出电压和输出电流一起限定输出功率。在某些实施例中，太阳能源10包括一个或多个太阳能电池，包括例如一个太阳能电池或太阳能电池阵列，诸如一个或多个太阳能面板。太阳能电池（常常称为光伏电池或光电池）通常为固态电气设备，其通过光伏效应将光能直接转换成电。
太阳能转换器20控制输出功率从太阳能源10至负载30的传送。太阳能转换器20的示例性实施例将在下文更详细地描述，特别地结合图3-5描述。
在某些实施例中，负载30包括电池系统，其包括一个或多个电池，该电池可通过经由太阳能转换器20而从太阳能源10提供的功率来充电。在某些实施例中，替代于或附加于电池系统，负载30可附加地或替代性地包括一个或多个光源。这些光源可包含一个或多个固态光源，诸如基于发光二极管（LED）的光源。
如上所述，通常来自太阳能源10的输出功率具有特性曲线，其中输出功率在本文限定为电压最大功率点（VMPP）的特定输出电压处达到最大功率，该最大功率在本文限定为最大功率点（MPP）。
图2图示了太阳能源（诸如太阳能系统100中的太阳能源10）的示例性性能曲线200。特别地，图2图示了曲线210，其绘出太阳能源10的输出电流（I）作为输出电压（V）的函数（即，I对V的关系），并且图示了曲线220，其绘出太阳能源10的输出功率（P）作为输出电压（V）的函数（即，P对V的关系）。此处输出功率P理解为输出电压V和输出电流I的乘积：P=V*I。如图2所示，当输出电压为零时所发生的短路电流标为ISC，并且当输出电流为零时所发生的断路电压标为VOC。
如图2所示，曲线220在点222处呈现最大值，其在本文称为最大功率点（MPP）。该点为太阳能源10输出最大输出功率（本文称为功率最大功率点（PMPP））的操作点，并且因此所有其他等价替代表示太阳能系统100的最有效操作点。图2还示出了电压最大功率点（VMPP），其为对应于最大功率点的输出电压V的值。图2还示出了在短路电流点ISC（V=0）和断路电压点VOC（I=0）两处的输出功率为零。
如图2还图示的，曲线210具有其中输出电压V等于VMPP的点212，在该点处输出电流I等于电流最大功率点（IMPP），其为对应于最大功率点的输出电流I的值。即：PMPP=VMPP*IMPP。
如上所述，通常太阳能源10的MPP将从一个设备到另一个设备变化。此外，给定太阳能源10的MPP将随时间变化，特别地由于改变环境条件，并且特别地由于太阳能源所接收的太阳能的量因为所接收的阳光量的变化而变化。
因此，期望的是太阳能转换器20定位并追踪太阳能转换器10的MPP，并且控制输出功率从太阳能转换器20至负载30的传送以在MPP处操作。这在本文中被称为最大功率点追踪（MPPT）。
多种不同方案已被考虑用于控制太阳能转换器。这些方案有：（1）恒压控制技术（CVT）；（2）扰动观察（P&O）技术；以及（3）电导增量技术（IncCond）。这些技术的多种组合也已被考虑。这些技术中的每一个呈现特定的优点和缺点，如下文表1所示。
表1

本发明人已经设想到MPPT方法，其为修改的P&O方法并且其可相对快速且准确地收敛于MPP而无需采用复杂算法。如下文结合图3-5更详细地描述的，MPPT方法确定短路电流ISC和断路电压VOC，并且从ISC和VOC对MPP和VMPP做出初始估计。然后MMPT方法利用这些初始估计作为P&O算法的入口点，这些初始估计通常将分别相对接近于实际MPP和实际VMPP。这种估计允许太阳能转换器相对快速且准确地收敛于实际MPP和VMPP而无需采用复杂算法。
图3为太阳能转换器300的示例性实施例的功能框图。太阳能转换器300包括（多个）断路和短路302、输入电路303、传送电路304、输出电路305、控制器306、和感测电路307。太阳能转换器300还包括输入端口310和输出端口320。太阳能转换器300可为图1的太阳能转换器20的一个实施例。
输入端口310可连接至太阳能源（例如，太阳能源10）的输出，以从该太阳能源接收输出电压301、输出电流、和输出功率。
（多个）断路和短路302被配置成跨输入端口310选择性地提供断路，并且替代性地跨输入端口310选择性地提供短路，例如响应于来自控制器306的一个或多个控制信号。由于输入端口310可连接至太阳能源的输出，由此得出（多个）断路和短路302被配置成跨该太阳能源的输出选择性地提供断路，并且替代性地跨该太阳能源的输出选择性地提供短路。应当理解，短路可能不是理想的或完美的短路，但替代地可包含非常低的阻抗，借助于此短路电流ISC可被采样或测量。类似地，应当理解，断路可能不是理想的或完美的断路，但替代地可包含非常高的阻抗，借助于此断路电压VOC可被采样或测量。在某些实施例中，短路可包含跨输入端口310连接的开关设备，其可在太阳能转换器300的正常操作中打开，并且在期望提供短路时关闭。在某些实施例中，断路可通过与输入端口310的一个终端串联的开关来提供，该开关可在太阳能转换器300的正常操作中关闭，并且在期望提供断路时打开。
输入电路303、传送电路304、和输出电路305将经由输入端口310而从太阳能源接收的功率传送至负载（例如负载30），其可连接至输出端口320。负载可包含电池系统，其包括一个或多个电池，该电池可通过经由太阳能转换器300而从太阳能源提供的功率来充电。在某些实施例中，替代于或附加于电池系统，负载可附加地或替代性地包括一个或多个光源。这些光源可包含一个或多个固态光源，诸如基于发光二极管（LED）的光源。
在某些实施例中，输入电路303、传送电路304、和输出电路305可一起包含DC至DC功率转换器。特别地，输入电路303、传送电路304、和输出电路305可一起包含升降压转换器，其能够在输入端口310处的输入电压301小于输出端口320处的输出电压或负载电压308时操作于升压转换模式中，并且能够在输入端口310处的输入电压301大于输出端口320处的输出电压308时操作于降压转换模式中，并且能够在输入端口310处的输入电压301大约等于输出端口320处的输出电压308时操作于直接转换模式中。这样的功率转换器的示例描述于以Zhiquan Chen 和Jian Lin Xu等人的名义提交的美国专利申请序列号61/583，645中，其教导通过引用并入本文。
感测电路307被配置成感测太阳能转换器300的输入信号和输出信号的特性，以便通过控制器306来控制太阳能转换器300。有利地，感测电路包括：第一电流测量设备，其被配置成测量从太阳能源提供至输入端口310的输入电流；第一电压测量设备，其被配置成测量从太阳能源提供至输入端口310的输入电压301；第二电流测量设备，其被配置成测量经由输出端口320提供至负载的输出电流；以及第二电压测量设备，其被配置成测量经由输出端口320提供至负载的输出电压308。
控制器306被配置成控制太阳能转换器的操作。特别地，控制器306控制（多个）断路和短路302以及传送电路304，以将功率从连接于输入端口310的太阳能源传送至连接于输出端口320的负载。
控制器306可以多种方式（例如，诸如利用专用硬件）实现以执行本文所讨论的各种功能。在某些实施例中，控制器306可采用一个或多个微处理器，其可利用软件（例如，微代码）来编程以执行本文所讨论的多种功能。这样的微代码可存储在与处理器相关联的存储器设备（例如，静态存储器设备）中。在其它实施例中，控制器306可在不采用处理器的情况下实现，并且也可实现为执行一些功能的专用硬件与执行其它功能的处理器的组合（例如，一个或多个编程的微处理器及相关电路）。可在多种实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路（ASIC）、以及现场可编程门阵列（FPGA）。控制器306还可包括一个或多个相关设备，诸如驱动器、模拟数字转换器（ADC）、比较器等。
为了更好地说明太阳能控制器300的示例性操作，在以下讨论中假设连接于输出端口320的负载为诸如电池系统的负载，其中太阳能控制器300需要提供匹配于该负载的特定输出电压308。此外，期望利用在太阳能源的电压最大功率点（VMPP）处或其附近的输入电压（该太阳能源的输出电压）301来操作太阳能控制器300。通常太阳能源的VMPP将与用于负载的输出电压308不同。此外，如上所讨论的，VMPP将从太阳能源到太阳能源变化，并且此外给定太阳能源的VMPP根据不同的环境条件（例如，存在的阳光量）而随时间变化。因此，太阳能控制器300需要将从太阳能转换器接收的输入电压301转换成负载的特定输出电压308。为此目的，将进一步假设传送电路304包括升降压转换器，其在控制器306的控制下操作以将输入端口310处的输入电压301转换成输出端口320处所期望的输出电压308。这种情况下，传送电路304的升降压转换器包括一个或多个开关设备，其在控制器306的控制下利用对应的脉冲宽度调制（PWM）控制信号来打开和关闭。（多个）PWM控制信号的频率和/或（多个）占空因数可由控制器306调整，以使太阳能转换器300利用所期望的输入电压301和输出电压308来操作。
如以上所讨论的，期望的是太阳能转换器300在其最大功率点（MPP）处或其附近从太阳能源传送功率。因此，控制器306执行算法以找到太阳能源的MPP并且随其变化追踪MPP。有利地，控制器306执行扰动观察（P&O）算法以追踪MPP。即，控制器306使太阳能转换器300对其操作点做出微小改变（“扰动”步骤），并且然后测量（“观察”）这些改变中的每一个对太阳能源的输出功率的影响。如果改变使太阳能源的输出功率增加，则控制器306使太阳能转换器300在与先前的改变相同的方向上做出另一微小改变。另一方面，如果改变使太阳能源的输出功率减少，则控制器306使太阳能转换器300在与先前的改变相反的方向上做出另一微小改变。这可看作是形成闭环反馈系统。
然而，仅该P&O算法可能承受用于锁定在MPP上的慢响应速度，并且其在快速改变的大气条件下难以追踪MPP。
因此有利地，控制器306执行算法以估计太阳能源的MPP，并且然后从所估计的MPP（MPPEST）开始执行扰动观察算法，以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际MPP。有利地，控制器306控制太阳能转换器300，以通过使太阳能转换器300的输入电压（太阳能源的输出电压）为VMPP而在MPP处从太阳能源传送功率。这种情况下，控制器306可执行算法以估计太阳能源的VMPP（VMPPEST），并且然后从所估计的VMPP开始执行扰动观察算法以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP。然后控制器306可使太阳能转换器300在实际VMPP处或近似于实际VMPP处操作。
有利地，通过测量短路电流ISC和测量断路电压VOC并且基于上述图2所示的关系而从ISC和VOC估计MPP，控制器306做出其PMPP的初始估计（PMPPEST）和/或VMPP的初始估计（VMPPEST）。
在某些实施例中，可采用曲线拟合方案，其利用图2所示的一般曲线来从VOC和ISC估计VMPP、IMPP、和PMPP。曲线拟合算法通常是已知的。
在其它实施例中，图2所示曲线利用变量ISC和VOC而被映射到参数方程，并且VMPPEST、IMPPEST、和PMPPEST从这些参数方程确定。
在某些实施例中，所估计的VMPP的值（VMPPEST）可大约等于实际VMPP（即，在±10%之内）。在某些实施例中，所估计的VMPP的值（VMPPEST）可近似等于实际VMPP（即，在±2%之内）。
图4为图示操作太阳能转换器（诸如太阳能转换器300）的方法400的示例性实施例的流程图。
在步骤410，用于控制太阳能转换器300的算法开始。在步骤420，获得太阳能系统的各种参数。这些参数可包括环境温度和涉及太阳能源中的光伏电池的各种参数。在某些实施例中，这些参数可用来建立图2所示的一般曲线，或用来建立将VMPP、IMPP、和PMPP与ISC和VOC关联起来的参数方程。
在步骤430，控制器306控制太阳能转换器300以获取太阳能源的短路电流ISC和太阳能源的断路输出电压VOC。有利地，控制器306将一个或多个控制信号发送至（多个）断路和短路302以跨输入端口310提供断路，并且然后感测电路307中的电压测量设备测量跨输入端口310的断路电压（即，VOC）并将该数据提供给控制器307（例如，经由控制器307中的ADC）。然后控制器306将一个或多个控制信号发送至（多个）断路和短路302，以跨输入端口310提供短路，并且然后感测电路307中的电流测量设备测量通过输入端口310的短路电流（即，ISC）并将该数据提供给控制器307（例如，经由控制器307中的ADC）。当然，在某些实施例中，测量VOC和ISC的顺序可颠倒，以使ISC在VOC之前测量。此外应当理解，短路可能不是理想的或完美的短路，但替代地可包含非常低的阻抗，借助于此短路电流ISC可被采样或测量。类似地，应当理解，断路可能不是理想的或完美的断路，但替代地可包含非常高的阻抗，借助于此断路电压VOC可被采样或测量。
接下来，在步骤440，控制器306计算VMPP的初始估计（VMPPEST），并且有利地，还计算PMPP的初始估计（PMPPEST）和IMPP的初始估计（IMPPEST）。
随后，在步骤450，控制器使太阳能转换器从所估计的值VMPPEST开始执行P&O算法，以确定用于将输出功率从太阳能源传送至负载的实际VMPP。P&O算法的示例性实施例的进一步细节将在下文结合图5描述。在步骤460，作为P&O算法的输出，控制器306获取用于连接至输入端口310的太阳能源的实际MPP和实际VMPP。
在步骤470，控制器306使太阳能转换器300在MPP处或近似于MPP处操作。例如，控制器306可调整提供至传送电路304中的一个或多个开关设备的一个或多个PWM控制信号的频率和占空因数中的至少一个，以使得到达太阳能转换器300的输入电压（太阳能源的输出电压）等于或近似等于用于连接至输出端口320的负载的给定输出电压308的VMPP。
在某些实施例中，该过程周期性地返回至步骤430以重新测量ISC和VOC并计算新估计的MPP和VMPP，并且然后重复步骤440、450、460和470。在其它实施例中，控制器306可确定环境变化已产生，这触发其返回至步骤430以重新测量ISC和VOC并计算新估计的MPP和VMPP，并且然后重复步骤440、450、460和470。
图5为图示扰动观察（P&O）算法500的示例性实施例的流程图，该算法可在图4所示的方法中采用。特别地，P&O算法500可对应于图4的步骤450。
在第一步骤505，太阳能转换器300在输入端口310处的输入电压、输入电流、和输入功率分别被设置为初始值V（k）、I（k）、和P（k）。应当理解，太阳能转换器300的输入电压301、输入电流、和输入功率分别对应于连接至输入端口310的太阳能源的输出电压301、输出电流、和输出功率。
有利地，P&O算法以V（k）=VMPPEST、I（k）=IMPPEST、和P（k）=PMPPEST开始。如上所述，控制器305可尝试控制太阳能转换器300，以借助于对提供至传送电路304中的一个或多个开关设备的一个或多个PWM控制信号的频率和/或占空因数进行设置而将太阳能转换器300的输入电压、输入电流、和输入功率分别设置为VMPPEST、IMPPEST、和PMPPEST。初始设置可利用输出端口320处的输出电压308和输出电流的值来确定，该值可通过感测电路307中的测量设备来测量并提供给控制器306。
在步骤510，在设置V（k）=VMPPEST、I（k）=IMPPEST、和P（k）=PMPPEST之后的某个时刻，测量实际输入电压V（k+1）和实际输入电流I（k+1）。特别地，控制器306可从包括在感测电路307中的测量设备接收输入电流和输入电压的测量。
在步骤515，控制器306从V（k+1）和I（k+1）计算实际输入功率P（k+1）。在步骤520，所测量的功率P（k+1）与初始估计的PMPP（即，P（k））相比较，以确定所计算的输入功率是否等于初始估计的PMPP。如果相等，则该过程行进至如下所述的步骤550。如果不相等，则该过程行进至步骤525。
在步骤525，确定所计算的输入功率P（k+1）是大于还是小于初始估计的PMPP（即，P（k））。如果所计算的输入功率P（k+1）大于初始估计的PMPP（即，P（k）），则该过程行进至步骤530。
在步骤530，所测量的输入电压V（k+1）与初始估计的VMPP（即，V（k））相比较，以确定所测量的输入电压V（k+1）是否大于初始估计的VMPP（即，V（k））。如果是，则该过程行进至步骤532。
在步骤532，增加由控制器306提供至传送电路304的（多个）PWM信号的占空因数。即，当输入功率已增加而同时输入电压已增加时，该过程500到达步骤532。这种情况下，应当清楚，输入电压的增加已导致输入功率的增加。因此在步骤532，该过程通过将占空因数D增加相对小的量dx（例如，几个百分点或更少）而进一步增加输入电压，因而可观察这是否将导致输入功率的进一步增加。
同时，如果在步骤530确定所测量的输入电压V（k+1）不大于初始估计的VMPP（即，V（k）），则该过程行进至步骤534。在步骤534，减少由控制器306提供至传送电路304的（多个）PWM信号的占空因数。即，当输入功率已增加而同时输入电压已减少时，该过程500到达步骤534。这种情况下，应当清楚，输入电压的减少已导致输入功率的增加。因此在步骤534，该过程通过将占空因数D减少相对小的量dx（例如，几个百分点或更少）而进一步减少输入电压，因而可观察这是否将导致输入功率的进一步增加。
如果在步骤525确定所计算的输入功率P（k+1）小于初始估计的PMPP（即，P（k）），则该过程行进至步骤540。在步骤540，所测量的输入电压V（k+1）与初始估计的VMPP（即，V（k））相比较，以确定所测量的输入电压V（k+1）是否大于初始估计的VMPP（即，V（k））。如果是，则该过程行进至步骤542，其中减少由控制器306提供至传送电路304的（多个）PWM信号的占空因数。即，当输入功率已减少而同时输入电压已增加时，该过程500到达步骤542。这种情况下，应当清楚，输入电压的增加已导致输入功率的减少。因此在步骤542，该过程通过将占空因数D减少相对小的量dx（例如，几个百分点或更少）而减少输入电压，因此可观察这是否将导致输入功率的增加。
同时，如果在步骤540确定所测量的输入电压V（k+1）不大于初始估计的VMPP（即，V（k）），则该过程行进至步骤544。在步骤544，增加由控制器306提供至传送电路304的（多个）PWM信号的占空因数。即，当输入功率已减少而同时输入电压已减少时，该过程500到达步骤544。这种情况下，应当清楚，输入电压的减少已导致输入功率的减少。因此在步骤544，该过程通过将占空因数D增加相对小的量dx（例如，几个百分点或更少）而增加输入电压，因而可观察这是否将导致输入功率的增加。
在步骤532、534、542或544中的任一者之后，该过程行进至步骤540，其中“旧的”电压值V（k）和电流值I（k）被最新测量的电压值V（k+1）和电流值I（k+1）更新或取代，并且“旧的”功率值P（k）被最新计算的功率P（k+1）更新或取代。然后该过程返回至步骤510，其中新的电压值V（k+1）和电流值I（k+1）被测量。
从步骤510开始，过程500重复以便连续尝试对输入端口310处所接收的输入功率（其对应于太阳能源的输出功率）进行最大化，以使得太阳能转换器300在实际VMPP和PMPP处或近似于其处操作。
虽然已在本文中描述且说明了若干创造性实施例，但本领域技术人员将容易地预想到用于执行本文所述功能和/或获得本文所述结果和/或一个或多个优点的各种其它手段和/或结构，并且这类变化和/或修改中的每一个被认为是在本文所述创造性实施例的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易地了解，本文所述的所有参数、尺寸、材料及配置意为示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于所述创造性教导所用于的一个或多个特定应用。本领域技术人员仅使用常规实验将认识到或能够确定本文所述特定创造性实施例的许多等同替代。因此应理解，前述实施例仅作为示例而呈现，并且在所附权利要求及其等同替代的范围内，可以不同于明确描述和主张的其它方式实践创造性实施例。本公开的创造性实施例涉及本文所述的每一个单独特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，如果这类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非相互不一致，则两个或更多个这类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合包含于本公开的创造性范围内。
如本文所限定且使用的，所有限定应当理解为控制在辞典限定、以引用方式并入的文件中的限定、和/或所限定的术语的常规含义之上。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，不定冠词“一”和“一个”应理解为意指“至少一个”，除非明确指示相反。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，短语“和/或”应理解为意指如此结合的元件中的“一个或两个”，即，在某些情况下结合地呈现而在其它情况下非结合地呈现的元件。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，引用一个或多个元件的列表的短语“至少一个”应理解为意指选自元件列表的元件中的任何一个或多个的至少一个元件，但未必包含在元件列表内明确列出的每一个元件中的至少一个，且不排除元件列表中的元件的任何组合。该限定也允许除了短语“至少一个”所引的元件列表内明确标识的元件之外的元件可以可选地存在，而无论其与明确标识的那些元件有关还是无关。
还应理解，除非明确指示相反，否则在本文所主张的包括一个以上的步骤或动作的任何方法中，方法的步骤或动作的次序未必限于陈述该方法的步骤或动作的次序。
另外，出现在权利要求的括号中的参考数字（如果有的话）仅仅出于便利性而被提供，并且不应理解为以任何方式限制权利要求。