基于电压中心占空比(VC-DR)的无电流传感器热电发电机最大功率点跟踪技术研究

研究人员针对热电发电机(TEG)系统中传统MPPT方法需电流传感器导致成本高、体积大的问题，提出新型电压中心占空比(VC-DR)最大功率点跟踪技术。该方法通过Luenberger观测器与线性外推法结合估算开路电压，仅需电压参数即可计算最优占空比，在连续导通模式(CCM)下实现98.2%的跟踪效率，较传统P&O方法提升6.3%。该研究为嵌入式能源系统提供了高性价比解决方案。

　　

在全球能源转型背景下，热电发电机(Thermoelectric Generator, TEG)因其能将工业废热、汽车尾气等低品位热能直接转化为电能而备受关注。这种固态能量转换装置无需移动部件，在太空探测、远程监测等领域展现出独特优势。然而TEG实际应用中存在一个关键瓶颈——最大功率点(Maximum Power Point, MPP)会随温度波动和负载变化频繁漂移，传统跟踪技术要么依赖昂贵的电流传感器，要么仅适用于断续导通模式(DCM)，严重制约了TEG的产业化应用。

针对这一挑战，国内研究人员创新性地提出了电压中心占空比(Voltage-Centric Duty Ratio, VC-DR)控制策略。这项发表于《Sustainable Energy Technologies and Assessments》的研究，通过三个突破性设计实现了技术革新：首先建立仅依赖电压参数的占空比数学模型，避免传统功率估算过程；其次整合Luenberger观测器与线性外推法，用两阶段电压测量替代开路电压(V_OC)直接检测；最后设计适用于boost转换器连续导通模式(CCM)的状态观测器。关键技术路线包含TMS320F28379D数字信号处理器(DSP)实现的控制系统、250W boost转换器平台搭建，以及基于62020H-150S可编程电源的TEG模拟验证体系。

在"Mathematical framework for proposed voltage-centric duty ratio MPPT method"部分，研究团队推导出突破性的占空比直接计算方程：D_MPP=1-(V_MPP/V_OC)，该公式完全规避了负载电流和功率参数，仅需MPP电压与开路电压比值。理论分析表明，该表达式在TEG线性V-I特性条件下具有普适性，不受负载变化影响。

"Estimation of open-circuit voltage by integrating Luenberger observer with linear extrapolation"章节展示了创新的电压观测方案。通过建立包含电感电流、输出电压的状态空间模型，设计Luenberger观测器实时估计系统状态。结合线性外推法，仅需两组电压/电流估计值即可准确推算V_OC，相对误差控制在1.2%以内。这种混合算法将传统方法所需的5次测量缩减为2次，显著提升动态响应速度。

仿真验证("Simulation validation")环节对比了VC-DR与经典扰动观察法(P&O)的性能。在ΔT=20K的阶跃温度变化下，VC-DR的稳定时间仅28ms，较P&O缩短67%；功率波动幅度从3.1W降至0.4W，跟踪效率达98.2%。实验平台("Experimental validation")数据进一步证实，在负载突变50%的极端情况下，系统仍能保持97.8%的跟踪效率，验证了算法的鲁棒性。

这项研究的意义在于开创了TEG能量管理的新范式。其提出的VC-DR方法不仅消除了电流传感器带来的成本和可靠性问题，更首次实现了CCM模式下的无传感器精确控制。对于汽车废热发电、工业流程监控等需要快速响应且空间受限的应用场景，该技术可降低系统复杂度达40%，为TEG的大规模商业化应用扫清了关键技术障碍。研究团队特别指出，该框架可扩展至光伏-热电(PV-TE)混合系统，为下一代可再生能源集成提供新思路。