太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)綠(lv)色與可再(zai)生(sheng)特性(xing)， 使其在(zai)低碳和能(neng)源(yuan)(yuan)(yuan)緊缺的(de)今(jin)日備(bei)受(shou)關注(zhu)。鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)因比(bi)能(neng)量(liang)高、自放電(dian)(dian)(dian)低的(de)特性(xing)， 逐(zhu)漸取(qu)代鉛酸電(dian)(dian)(dian)池(chi)成為主(zhu)流(liu)。由目前常用(yong)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)輸出特性(xing)可知， 太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)在(zai)一(yi)定的(de)光照度和溫(wen)度下， 既非恒(heng)流(liu)源(yuan)(yuan)(yuan)， 亦(yi)非恒(heng)壓(ya)源(yuan)(yuan)(yuan)， 其最大功率受(shou)負載(zai)影響。而鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)可看(kan)作(zuo)一(yi)個小負載(zai)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)源(yuan)(yuan)(yuan)。如(ru)不加控(kong)制直接將二者連接， 則將太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)工(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)箝(qian)位(wei)于鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)工(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)， 無法(fa)高效(xiao)利用(yong)能(neng)源(yuan)(yuan)(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(shi)用壽(shou)命， 保證(zheng)充電安全。

　　1  最大功(gong)率點(dian)跟蹤(zong)技術(shu)原理（ Maximum Power Point Tracking 簡稱MPPT）

　　太(tai)陽(yang)能(neng)電池有著非線性的光(guang)(guang)伏特(te)性， 所以即使在(zai)同一光(guang)(guang)照強度下， 由(you)于(yu)負載(zai)的不同也會輸(shu)出不同的功率。

　　其電壓、電流與功率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件(jian)下的輸出(chu)曲線如(ru)圖1 所示。其短(duan)路電流i sc 與開路電壓uoc 由生(sheng)產商給(gei)出(chu)， Pmpp為該(gai)條件(jian)下的最(zui)大功率點。

　　由于(yu)(yu)太陽(yang)能電池(chi)受(shou)到光強、光線(xian)入(ru)射角度、溫(wen)度等多(duo)種因素的(de)(de)影(ying)響， 最大(da)功(gong)率(lv)相(xiang)應改(gai)變(bian)(bian)， 對(dui)應最大(da)功(gong)率(lv)點的(de)(de)輸出電壓、輸出電流(liu)和內阻也在不停變(bian)(bian)化。因此(ci)， 需要使(shi)用基于(yu)(yu)PWM 的(de)(de)可調DC/ DC 變(bian)(bian)換器， 使(shi)負載相(xiang)應改(gai)變(bian)(bian)， 才能使(shi)太陽(yang)能電池(chi)工作在最大(da)功(gong)率(lv)點上。

圖1 太(tai)陽能電池(chi)的典型輸出曲線

　　2   電路工作原理

　　圖2 示出(chu)太陽能充電(dian)器的原理框圖。其中微控制器采用凌陽公司(si)生產的SPCE061A 單片(pian)機， 該單片(pian)機含有7 個10 位ADC（ 模-數轉(zhuan)換器） 并內置(zhi)了PWM 功能， 大大簡化(hua)電(dian)路(lu)復雜程(cheng)度， 提高穩(wen)定性。電(dian)壓采樣(yang)電(dian)路(lu)與電(dian)流采樣(yang)電(dian)路(lu)通過(guo)ADC 將電(dian)壓值與電(dian)流值送(song)入MCU, MCU 根據(ju)MPPT 算法計算PWM 控制BU CK電(dian)路(lu)完成對充電(dian)過(guo)程(cheng)的控制。

圖(tu)2 整體(ti)充電器原(yuan)理框圖(tu)

圖(tu)3 為BUCK 變換(huan)器電(dian)路。由(you)MOSFET 管Q3、電(dian)感L1 與繼流二極管D1 構成典型的(de)BUCK 降(jiang)壓(ya)DC/ DC 變換(huan)器， Q1 和(he)Q2 組成MOSFET 管驅動(dong)電(dian)路， Uout 輸(shu)出至鋰電(dian)池正極。

圖3 BUCK 變(bian)換器電路

　　圖4 為(wei)電(dian)(dian)(dian)流采樣電(dian)(dian)(dian)路。Rsense 用一小阻(zu)值精密電(dian)(dian)(dian)阻(zu)作為(wei)采樣電(dian)(dian)(dian)阻(zu)， 通過將(jiang)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)兩端(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)壓使(shi)用差分放(fang)大器輸送到SPCE061 的A/ D 端(duan)(duan)進行采樣。為(wei)使(shi)采樣精確， 避免電(dian)(dian)(dian)源線(xian)與地線(xian)干擾， 使(shi)用線(xian)性(xing)光耦HCNR200 進行隔離(li)。

圖4 電流采樣電路

　　圖5 所示為電壓采樣(yang)(yang)電路。因(yin)為SPCE061 的A/D 端輸入范(fan)圍為0~ 3 V, 而太陽能電池的輸出常(chang)常(chang)高于3 V, 因(yin)此采用反向比例放大器， 使輸入與AD 采樣(yang)(yang)范(fan)圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3   系統軟件設(she)計

　　在BUCK 上， 存(cun)在UarrD= Ubat 的關系。由(you)此(ci)可知：

　　式中， Ubat 為電(dian)池兩端(duan)電(dian)壓(ya)； D 為占空(kong)比； Uarr 為太(tai)陽能(neng)電(dian)池兩端(duan)電(dian)壓(ya)。將式（ 1） 代入(ru)式（ 2） 可(ke)得(de)：

　　由圖1 可(ke)知， 當取最大(da)功率點時， dP arr / dUarr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可(ke)知：

　　因(yin)此， 關于P/ D 的曲線為凸函(han)數， 且(qie)當P 取最大值時有唯一(yi)D 值與之對應。

　　由于(yu)DC/ DC 變(bian)換器連接至鋰電(dian)池(chi)兩端的輸(shu)出電(dian)壓短時間內變(bian)化不(bu)大(da)， 在短時間可認(ren)為恒(heng)定。因此， 該設計的最(zui)大(da)功率(lv)點(dian)跟蹤可簡(jian)化為通過PWM 調整電(dian)流至最(zui)大(da)值， 即(ji)認(ren)為太(tai)陽能電(dian)池(chi)的輸(shu)出功率(lv)達到最(zui)大(da)。

　　由鋰電(dian)池充(chong)電(dian)特性可(ke)知， 為保證充(chong)電(dian)安全(quan)高效(xiao)， 需(xu)采用預充(chong)、恒流、涓流的(de)三段式充(chong)電(dian)。系統(tong)通過對(dui)鋰電(dian)池兩端電(dian)壓(ya)進行檢測， 判(pan)斷(duan)充(chong)電(dian)狀態， 進而(er)采取相應的(de)充(chong)電(dian)策(ce)略。

　　當光照強度降(jiang)低， 程序判斷太(tai)陽能(neng)電池產生的功率小于系統自身開銷時(shi)， 進入休眠模(mo)式。

　　4   實驗結果(guo)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數(shu)據對比如表1 所示。其中太陽能電(dian)(dian)(dian)池采用華微公司(si)生產(chan)的(de)單晶太陽能電(dian)(dian)(dian)池板(ban)， 其最(zui)大輸出功率15 W,開路電(dian)(dian)(dian)壓(ya)17. 4 V; 鋰電(dian)(dian)(dian)池組采用4 串聯18650 型(xing)鋰電(dian)(dian)(dian)池， 充電(dian)(dian)(dian)截止電(dian)(dian)(dian)壓(ya)16. 8 V, 電(dian)(dian)(dian)池組容量10. 4 Ah。

表1 傳統充電(dian)器(qi)(qi)與MPPT充電(dian)器(qi)(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幅(fu)提(ti)高了太(tai)陽能(neng)電(dian)池利(li)用率(lv)， 并包含了三段式充電(dian)的智能(neng)充電(dian)策略(lve)， 在軟件模塊中(zhong)加入了防止過充電(dian)的安全策略(lve)， 并且在光照強(qiang)度大幅(fu)下降到低于系統(tong)開(kai)銷的情況下自動實現系統(tong)休眠(mian)。通(tong)過改進(jin)算法(fa)， 設置更(geng)為精確的參(can)數， 可以使充電(dian)效率(lv)進(jin)一步提(ti)高。