太(tai)陽(yang)能的(de)綠色與可(ke)再生特性， 使(shi)其(qi)在低碳和能源(yuan)緊缺的(de)今日備受關注。鋰電(dian)(dian)池因(yin)比能量高、自放(fang)電(dian)(dian)低的(de)特性， 逐漸取代鉛酸電(dian)(dian)池成為主流(liu)。由目前常用(yong)的(de)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池的(de)輸出特性可(ke)知， 太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池在一定的(de)光(guang)照度和溫度下， 既(ji)非(fei)恒(heng)流(liu)源(yuan)， 亦(yi)非(fei)恒(heng)壓源(yuan)， 其(qi)最大功率受負載(zai)影(ying)響。而鋰電(dian)(dian)池可(ke)看(kan)作一個小(xiao)負載(zai)電(dian)(dian)壓源(yuan)。如不加控制直接將二者連接， 則將太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池的(de)工作電(dian)(dian)壓箝位(wei)于鋰電(dian)(dian)池工作電(dian)(dian)壓， 無(wu)法(fa)高效利用(yong)能源(yuan)。

　　本文采用SPCE061 單片機， 利用MPPT 技術使太陽能電池工作于最大功率點， 并且對鋰電池的充電過程進行控制， 延長鋰電池使用(yong)壽命(ming)， 保證(zheng)充電安全。

　　1  最大(da)功率點跟蹤(zong)技術原理（ Maximum Power Point Tracking 簡(jian)稱MPPT）

　　太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池有著非線性(xing)的(de)(de)光伏特性(xing)， 所以即(ji)使在同(tong)一光照強度下， 由(you)于負載的(de)(de)不同(tong)也會輸出不同(tong)的(de)(de)功率。

　　其電(dian)壓、電(dian)流(liu)與功(gong)率(lv)在光照(zhao)度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件下(xia)的輸出曲線如圖1 所示。其短路電(dian)流(liu)i sc 與開(kai)路電(dian)壓uoc 由生產商給(gei)出， Pmpp為該條件下(xia)的最(zui)大功(gong)率(lv)點。

　　由于太(tai)陽能電(dian)池受到光強、光線入射(she)角度、溫度等(deng)多(duo)種因素的影響， 最(zui)大(da)功率相(xiang)應(ying)改變(bian)， 對(dui)應(ying)最(zui)大(da)功率點的輸出(chu)電(dian)壓(ya)、輸出(chu)電(dian)流和(he)內阻也在不停變(bian)化。因此， 需(xu)要使用基(ji)于PWM 的可調DC/ DC 變(bian)換(huan)器， 使負載相(xiang)應(ying)改變(bian)， 才能使太(tai)陽能電(dian)池工作在最(zui)大(da)功率點上。

圖1 太陽(yang)能電池的(de)典型(xing)輸出曲線

　　2   電路(lu)工作原理

　　圖2 示出(chu)太陽能(neng)(neng)充(chong)電(dian)(dian)器(qi)的原理框(kuang)圖。其中微控(kong)制(zhi)器(qi)采用(yong)凌陽公(gong)司生產的SPCE061A 單(dan)片機(ji)， 該單(dan)片機(ji)含有7 個10 位(wei)ADC（ 模-數轉換器(qi)） 并內置了PWM 功能(neng)(neng)， 大(da)大(da)簡化電(dian)(dian)路(lu)復雜程度， 提高穩定性。電(dian)(dian)壓(ya)采樣(yang)電(dian)(dian)路(lu)與電(dian)(dian)流(liu)采樣(yang)電(dian)(dian)路(lu)通過(guo)ADC 將電(dian)(dian)壓(ya)值與電(dian)(dian)流(liu)值送(song)入MCU, MCU 根(gen)據(ju)MPPT 算法計(ji)算PWM 控(kong)制(zhi)BU CK電(dian)(dian)路(lu)完成對充(chong)電(dian)(dian)過(guo)程的控(kong)制(zhi)。

圖2 整體充電(dian)器原理(li)框圖

圖(tu)3 為BUCK 變(bian)換器電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。由(you)MOSFET 管(guan)Q3、電(dian)(dian)(dian)(dian)感L1 與繼流二極(ji)管(guan)D1 構(gou)成典型的BUCK 降(jiang)壓DC/ DC 變(bian)換器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管(guan)驅動電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)， Uout 輸出至(zhi)鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池正極(ji)。

圖(tu)3 BUCK 變換器電路

　　圖4 為(wei)(wei)電流采(cai)樣(yang)電路。Rsense 用(yong)(yong)一小阻(zu)值精(jing)密電阻(zu)作為(wei)(wei)采(cai)樣(yang)電阻(zu)， 通過將(jiang)電阻(zu)兩端電壓使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)差分放大器輸送到SPCE061 的A/ D 端進(jin)行采(cai)樣(yang)。為(wei)(wei)使(shi)(shi)(shi)采(cai)樣(yang)精(jing)確， 避(bi)免電源線(xian)與地線(xian)干擾， 使(shi)(shi)(shi)用(yong)(yong)線(xian)性光耦HCNR200 進(jin)行隔離(li)。

圖4 電流采樣電路

　　圖5 所(suo)示為(wei)電(dian)(dian)壓采樣電(dian)(dian)路。因為(wei)SPCE061 的A/D 端輸(shu)(shu)入范圍為(wei)0~ 3 V, 而太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池的輸(shu)(shu)出常(chang)常(chang)高于3 V, 因此(ci)采用(yong)反向比例(li)放(fang)大器， 使輸(shu)(shu)入與AD 采樣范圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3   系統軟件設計

　　在BUCK 上， 存在UarrD= Ubat 的關系。由此(ci)可知(zhi)：

　　式(shi)(shi)中(zhong)， Ubat 為電(dian)池(chi)兩端(duan)電(dian)壓； D 為占空比； Uarr 為太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)兩端(duan)電(dian)壓。將式(shi)(shi)（ 1） 代入式(shi)(shi)（ 2） 可得：

　　由(you)圖1 可知， 當取最大功(gong)率點時， dP arr / dUarr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可知：

　　因此， 關于P/ D 的曲線為(wei)凸函數， 且當(dang)P 取最大值時有唯(wei)一D 值與之對(dui)應。

　　由于DC/ DC 變換(huan)器(qi)連接(jie)至鋰電池兩(liang)端的輸出電壓(ya)短(duan)時間(jian)內變化(hua)不大(da)(da)， 在短(duan)時間(jian)可認為恒定(ding)。因此， 該設計的最(zui)大(da)(da)功率(lv)點跟蹤可簡(jian)化(hua)為通(tong)過(guo)PWM 調整(zheng)電流至最(zui)大(da)(da)值， 即認為太陽能電池的輸出功率(lv)達到最(zui)大(da)(da)。

　　由鋰電(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)特性(xing)可知， 為保證充(chong)(chong)電(dian)(dian)安全高效， 需采用預充(chong)(chong)、恒流、涓流的三段(duan)式充(chong)(chong)電(dian)(dian)。系統通過對(dui)鋰電(dian)(dian)池兩端電(dian)(dian)壓進(jin)行檢(jian)測， 判斷充(chong)(chong)電(dian)(dian)狀態， 進(jin)而采取相應的充(chong)(chong)電(dian)(dian)策略。

　　當(dang)光照強度降低， 程序判斷太陽能電池產(chan)生的功率(lv)小(xiao)于系統自身開銷(xiao)時， 進(jin)入休(xiu)眠(mian)模式。

　　4   實驗結果與結論

　　根據以上原理及其電路圖所述， 所制作的MPPT太陽能充電器與用二極管搭建的傳統太陽能充電器測試(shi)數(shu)據對(dui)比如表1 所示。其中太陽(yang)能電(dian)(dian)池采(cai)用華微公司生(sheng)產的單(dan)晶太陽(yang)能電(dian)(dian)池板， 其最大輸出功率15 W,開路電(dian)(dian)壓17. 4 V; 鋰電(dian)(dian)池組采(cai)用4 串(chuan)聯(lian)18650 型(xing)鋰電(dian)(dian)池， 充電(dian)(dian)截止電(dian)(dian)壓16. 8 V, 電(dian)(dian)池組容(rong)量10. 4 Ah。

表1 傳統(tong)充電(dian)器與MPPT充電(dian)器實驗數據對比

　　實驗結果表明， 傳統充電器的太陽能電池利用率約為66 %, 而本方案的MPPT 充電器利用率約為97 %, 輸出功率有明顯的上升。通過SPCE061 單片機實現的帶有MPPT 功能的太陽能充電器不僅大幅提高(gao)了(le)太陽能電(dian)(dian)池(chi)利用率， 并(bing)包含了(le)三段式充電(dian)(dian)的智能充電(dian)(dian)策略， 在軟件模塊中(zhong)加入了(le)防止過(guo)充電(dian)(dian)的安(an)全策略， 并(bing)且在光照強度大幅下降到低于系統(tong)開銷的情況下自動實現(xian)系統(tong)休眠。通過(guo)改進算法(fa)， 設(she)置(zhi)更為精(jing)確的參數， 可以使充電(dian)(dian)效(xiao)率進一步(bu)提高(gao)。