基于电压中心化占空比MPPT与状态观测器线性外推的热电发电机无电流传感器最大功率点追踪技术

为解决热电发电机(TEG)系统中电流传感器依赖性强、功率振荡及模式限制等问题，研究人员提出电压中心化占空比(VC-DR)MPPT方法，结合Luenberger观测器与线性外推技术，实现仅需电压参数的快速精准追踪。该方案在连续导通模式(CCM)下效率达98.7%，较传统P&O法提速40%，为嵌入式能源系统提供低成本解决方案。

　　

在全球能源转型背景下，热电发电机(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。这种基于Seebeck效应的固态器件无需移动部件，在太空探测、远程监测等领域展现出独特优势。然而，TEG的实际应用长期受制于两大技术瓶颈：一是传统最大功率点追踪(MPPT)技术需依赖昂贵的电流传感器，不仅增加系统成本，还易受电磁干扰；二是现有无电流传感器方案多局限于断续导通模式(DCM)，难以适应高功率场景。更棘手的是，温度波动会导致TEG内阻动态变化，传统扰动观察法(P&O)产生的功率振荡可能损失高达15%的潜在能量。

为突破这些限制，研究人员创新性地提出电压中心化占空比(VC-DR)MPPT方法。该方法通过建立TEG线性V-I特性的数学模型，推导出仅需电压参数即可计算最优占空比的解析表达式。其核心突破在于：首先采用Luenberger观测器实时估计开路电压V_OC，再通过两阶段线性外推技术，仅需两个工作点的电压测量值即可完成精确估算。这种设计巧妙规避了电流测量需求，同时将计算步骤精简至三步，响应速度较传统方法提升40%。

关键技术包括：1) 基于状态空间方程的升压转换器建模；2) Luenberger观测器设计实现电流状态估计；3) 两阶段线性外推算法；4) MATLAB仿真与TMS320F28379D DSP控制器实验验证。

研究结果揭示：

• 数学框架验证：推导出与负载无关的占空比计算公式，在25-150℃温度范围内保持稳定性。

• 电压估计性能：线性外推法估算V_OC的误差<1.2%，较传统间歇测量法精度提升3倍。

• 动态响应测试：在阶跃温度变化下，VC-DR法追踪延迟仅2ms，而P&O法需15ms。

• 效率对比：CCM模式下平均效率达98.7%，功率振荡幅度控制在0.8%以内，较P&O法降低85%。

这项研究的意义在于：首次实现CCM模式下完全无电流传感器的MPPT控制，通过理论创新将复杂功率计算转化为电压参数的直接映射。实验证明该方法可适配250W级功率系统，为工业废热回收、车载能量收集等场景提供高性价比解决方案。未来若与光伏-热电(PV-TE)混合系统结合，有望进一步提升可再生能源利用率。论文成果发表于《Sustainable Energy Technologies and Assessments》，为嵌入式能源控制领域树立了新范式。