太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)的(de)綠色與可再生特(te)性， 使其(qi)在低碳(tan)和能(neng)源緊缺的(de)今日備受關(guan)注。鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)因比能(neng)量高、自放電(dian)(dian)低的(de)特(te)性， 逐漸取代鉛酸電(dian)(dian)池(chi)(chi)成(cheng)為主流。由目前常用(yong)的(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)輸出特(te)性可知(zhi)， 太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)在一(yi)定的(de)光照度(du)和溫(wen)度(du)下(xia)， 既非恒流源， 亦非恒壓(ya)源， 其(qi)最大(da)功率受負載(zai)影(ying)響。而(er)鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)可看(kan)作(zuo)一(yi)個小負載(zai)電(dian)(dian)壓(ya)源。如(ru)不加控(kong)制(zhi)直接將(jiang)二者(zhe)連接， 則(ze)將(jiang)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)箝位于(yu)鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)， 無(wu)法(fa)高效利(li)用(yong)能(neng)源。

　　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， 延長鋰電池使用壽命， 保證充電安全(quan)。

　　1  最大功率(lv)點跟(gen)蹤(zong)技(ji)術原理（ Maximum Power Point Tracking 簡稱MPPT）

　　太陽能電池有著非線(xian)性(xing)的光伏特(te)性(xing)， 所以即使在(zai)同一光照強(qiang)度下， 由于負載的不同也會輸(shu)出(chu)不同的功(gong)率。

　　其(qi)電(dian)壓(ya)、電(dian)流(liu)與功率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件(jian)(jian)下(xia)的輸出(chu)曲線如圖1 所示。其(qi)短路電(dian)流(liu)i sc 與開路電(dian)壓(ya)uoc 由生產商給出(chu)， Pmpp為該條件(jian)(jian)下(xia)的最大功率點。

　　由于太(tai)(tai)陽能電池(chi)受(shou)到光(guang)強、光(guang)線入射角度、溫度等多種因(yin)素的(de)影響， 最(zui)大功(gong)(gong)率(lv)(lv)相應(ying)(ying)改(gai)變， 對(dui)應(ying)(ying)最(zui)大功(gong)(gong)率(lv)(lv)點的(de)輸(shu)出電壓、輸(shu)出電流和內(nei)阻也(ye)在不停變化。因(yin)此， 需要使用基(ji)于PWM 的(de)可調DC/ DC 變換(huan)器(qi)， 使負載相應(ying)(ying)改(gai)變， 才能使太(tai)(tai)陽能電池(chi)工作(zuo)在最(zui)大功(gong)(gong)率(lv)(lv)點上。

圖1 太陽(yang)能電(dian)池的(de)典型(xing)輸(shu)出(chu)曲線

　　2   電路工(gong)作(zuo)原理

　　圖2 示出太(tai)陽能(neng)充電器的原理框圖。其(qi)中微控(kong)制(zhi)器采(cai)(cai)用凌陽公司生產的SPCE061A 單片機， 該單片機含有7 個10 位ADC（ 模(mo)-數轉換(huan)器） 并(bing)內(nei)置了(le)PWM 功能(neng)， 大大簡化電路復雜程(cheng)度， 提高穩定(ding)性。電壓采(cai)(cai)樣(yang)電路與電流采(cai)(cai)樣(yang)電路通過ADC 將電壓值與電流值送入MCU, MCU 根(gen)據(ju)MPPT 算法計算PWM 控(kong)制(zhi)BU CK電路完成對(dui)充電過程(cheng)的控(kong)制(zhi)。

圖2 整體充電器(qi)原理框(kuang)圖

圖3 為BUCK 變換器(qi)電(dian)路(lu)(lu)。由MOSFET 管(guan)(guan)Q3、電(dian)感(gan)L1 與繼流二極管(guan)(guan)D1 構(gou)成典型的(de)BUCK 降(jiang)壓DC/ DC 變換器(qi)， Q1 和(he)Q2 組(zu)成MOSFET 管(guan)(guan)驅(qu)動電(dian)路(lu)(lu)， Uout 輸出至鋰電(dian)池正極。

圖(tu)3 BUCK 變換器電路

　　圖4 為(wei)(wei)電流采樣(yang)(yang)電路(lu)。Rsense 用(yong)一小(xiao)阻值精(jing)密電阻作為(wei)(wei)采樣(yang)(yang)電阻， 通過將電阻兩(liang)端電壓使(shi)用(yong)差分放大器(qi)輸送到SPCE061 的A/ D 端進(jin)行采樣(yang)(yang)。為(wei)(wei)使(shi)采樣(yang)(yang)精(jing)確， 避(bi)免電源線(xian)與(yu)地線(xian)干擾， 使(shi)用(yong)線(xian)性光耦(ou)HCNR200 進(jin)行隔(ge)離。

圖4 電流采樣電路

　　圖5 所示為(wei)電(dian)壓采(cai)樣(yang)電(dian)路(lu)。因為(wei)SPCE061 的A/D 端輸入(ru)(ru)范圍為(wei)0~ 3 V, 而(er)太陽能電(dian)池的輸出常(chang)常(chang)高于(yu)3 V, 因此采(cai)用反向比例(li)放大器， 使輸入(ru)(ru)與AD 采(cai)樣(yang)范圍相匹配(pei)。

圖5電壓采樣電路

3   系統(tong)軟件設(she)計(ji)

　　在BUCK 上， 存在UarrD= Ubat 的(de)關系。由(you)此可知：

　　式(shi)中(zhong)， Ubat 為(wei)電(dian)(dian)(dian)池(chi)兩(liang)端(duan)電(dian)(dian)(dian)壓； D 為(wei)占空比； Uarr 為(wei)太陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)兩(liang)端(duan)電(dian)(dian)(dian)壓。將式(shi)（ 1） 代入式(shi)（ 2） 可得：

　　由圖(tu)1 可知(zhi)， 當取(qu)最大功(gong)率點(dian)時， dP arr / dUarr = 0,代入(ru)式（ 3）、（ 4） 可知(zhi)：

　　因此， 關于P/ D 的曲線為凸函(han)數， 且(qie)當P 取最(zui)大(da)值(zhi)時(shi)有唯(wei)一(yi)D 值(zhi)與之對(dui)應(ying)。

　　由于(yu)DC/ DC 變換(huan)器連接至鋰電(dian)(dian)池(chi)兩端(duan)的輸出電(dian)(dian)壓短時(shi)間內變化不大(da)(da)， 在短時(shi)間可認為(wei)恒定。因此， 該設計的最大(da)(da)功(gong)率(lv)點跟(gen)蹤可簡化為(wei)通(tong)過(guo)PWM 調整電(dian)(dian)流至最大(da)(da)值， 即認為(wei)太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)的輸出功(gong)率(lv)達到最大(da)(da)。

　　由鋰電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)特性可(ke)知， 為保證充(chong)電(dian)安全高(gao)效， 需采用預充(chong)、恒(heng)流、涓流的(de)(de)三段式充(chong)電(dian)。系統通過對(dui)鋰電(dian)池(chi)兩端電(dian)壓進行檢測， 判斷充(chong)電(dian)狀態， 進而采取相應的(de)(de)充(chong)電(dian)策略。

　　當光照強(qiang)度降(jiang)低(di)， 程序(xu)判(pan)斷(duan)太陽能(neng)電池(chi)產生(sheng)的功率(lv)小于系統自身(shen)開銷(xiao)時， 進入休眠(mian)模式。

　　4   實(shi)驗(yan)結(jie)果與結(jie)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數據對比如表1 所示。其中太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)采(cai)用(yong)(yong)華微公(gong)司生產的單晶(jing)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)板， 其最大輸出功率15 W,開路電(dian)(dian)壓17. 4 V; 鋰電(dian)(dian)池(chi)組(zu)采(cai)用(yong)(yong)4 串聯18650 型鋰電(dian)(dian)池(chi)， 充電(dian)(dian)截(jie)止電(dian)(dian)壓16. 8 V, 電(dian)(dian)池(chi)組(zu)容(rong)量10. 4 Ah。

表1 傳(chuan)統(tong)充電器(qi)與MPPT充電器(qi)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(da)幅提高了太陽能電(dian)池(chi)利用率， 并(bing)包含了三段式充(chong)(chong)(chong)電(dian)的(de)智(zhi)能充(chong)(chong)(chong)電(dian)策略， 在(zai)軟件模塊中加入(ru)了防止過(guo)充(chong)(chong)(chong)電(dian)的(de)安全(quan)策略， 并(bing)且在(zai)光(guang)照強度大(da)幅下(xia)降到低于系統(tong)開銷的(de)情況(kuang)下(xia)自動實現系統(tong)休(xiu)眠。通過(guo)改進(jin)算法， 設置更為(wei)精確的(de)參數， 可以使充(chong)(chong)(chong)電(dian)效率進(jin)一步提高。