太(tai)陽能(neng)(neng)的(de)綠色(se)與可再(zai)生特性， 使其在(zai)低(di)碳和能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)緊(jin)缺的(de)今日備受關注(zhu)。鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)因比能(neng)(neng)量高(gao)、自放電(dian)(dian)低(di)的(de)特性， 逐漸取代(dai)鉛酸電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)成為主流(liu)。由目前常用的(de)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)輸出特性可知(zhi)， 太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)在(zai)一定的(de)光照度和溫度下， 既非恒流(liu)源(yuan)(yuan)， 亦非恒壓(ya)(ya)(ya)源(yuan)(yuan)， 其最大功率受負載影(ying)響。而(er)鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)可看作(zuo)一個小負載電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)源(yuan)(yuan)。如(ru)不加控(kong)制直接將二者連接， 則將太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)箝位于鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)工(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)， 無法高(gao)效利用能(neng)(neng)源(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)用壽命， 保證充(chong)電安全。

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

　　太陽能電池(chi)有(you)著非線性(xing)的光伏特性(xing)， 所以即使在同一光照強(qiang)度下， 由于(yu)負載的不(bu)同也會輸出不(bu)同的功率。

　　其(qi)電壓(ya)、電流(liu)與功(gong)率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件下(xia)的(de)輸出曲線如圖1 所示。其(qi)短路電流(liu)i sc 與開路電壓(ya)uoc 由(you)生產商(shang)給出， Pmpp為該條件下(xia)的(de)最大功(gong)率點。

　　由(you)于太陽能(neng)電(dian)(dian)池受到光強(qiang)、光線入射角度、溫度等多種因(yin)素的(de)(de)影響， 最大(da)功率相應(ying)改(gai)變， 對應(ying)最大(da)功率點(dian)的(de)(de)輸出電(dian)(dian)壓、輸出電(dian)(dian)流和(he)內阻也在不停變化。因(yin)此， 需要使(shi)用基于PWM 的(de)(de)可調DC/ DC 變換器， 使(shi)負載相應(ying)改(gai)變， 才(cai)能(neng)使(shi)太陽能(neng)電(dian)(dian)池工(gong)作在最大(da)功率點(dian)上。

圖1 太陽能(neng)電池(chi)的(de)典型輸出曲線

　　2   電(dian)路(lu)工作原理

　　圖2 示出太陽能(neng)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)(de)原(yuan)理(li)框圖。其中(zhong)微控制(zhi)器(qi)采用凌(ling)陽公司生產的(de)(de)(de)SPCE061A 單片機， 該(gai)單片機含有7 個10 位(wei)ADC（ 模(mo)-數轉(zhuan)換器(qi)） 并(bing)內(nei)置了PWM 功(gong)能(neng)， 大大簡化電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)復雜程(cheng)度， 提高穩定性。電(dian)(dian)(dian)(dian)壓采樣電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)與電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)采樣電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)通(tong)過ADC 將電(dian)(dian)(dian)(dian)壓值(zhi)與電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)值(zhi)送入MCU, MCU 根據MPPT 算(suan)法計算(suan)PWM 控制(zhi)BU CK電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)完成對充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)的(de)(de)(de)控制(zhi)。

圖2 整體充電(dian)器原理(li)框圖

圖3 為BUCK 變換(huan)器電路(lu)。由MOSFET 管Q3、電感L1 與繼流二極管D1 構成典型的BUCK 降壓(ya)DC/ DC 變換(huan)器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管驅動電路(lu)， Uout 輸出(chu)至鋰(li)電池正極。

圖3 BUCK 變換器電路

　　圖4 為電(dian)(dian)流采(cai)(cai)樣電(dian)(dian)路。Rsense 用一小阻(zu)值精密(mi)電(dian)(dian)阻(zu)作為采(cai)(cai)樣電(dian)(dian)阻(zu)， 通過將電(dian)(dian)阻(zu)兩端電(dian)(dian)壓使用差(cha)分(fen)放大器輸送到SPCE061 的A/ D 端進行采(cai)(cai)樣。為使采(cai)(cai)樣精確， 避免電(dian)(dian)源線(xian)與地線(xian)干擾(rao)， 使用線(xian)性光耦HCNR200 進行隔離。

圖4 電流采樣電路

　　圖5 所示為(wei)電壓采樣電路。因(yin)為(wei)SPCE061 的A/D 端輸(shu)入(ru)范圍為(wei)0~ 3 V, 而太(tai)陽能電池的輸(shu)出常常高于(yu)3 V, 因(yin)此采用(yong)反向比例(li)放大(da)器， 使輸(shu)入(ru)與(yu)AD 采樣范圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3   系統軟件設計

　　在(zai)BUCK 上(shang)， 存在(zai)UarrD= Ubat 的關(guan)系。由此(ci)可(ke)知：

　　式中， Ubat 為(wei)電池(chi)(chi)兩端電壓； D 為(wei)占空比； Uarr 為(wei)太陽能電池(chi)(chi)兩端電壓。將式（ 1） 代入式（ 2） 可得：

　　由圖1 可知(zhi)， 當取最大功率點(dian)時， dP arr / dUarr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可知(zhi)：

　　因此， 關于P/ D 的(de)曲線為凸(tu)函數， 且當P 取最大值(zhi)時有唯一D 值(zhi)與之對應。

　　由于(yu)DC/ DC 變換器(qi)連接至鋰電池兩端的輸(shu)出(chu)電壓短(duan)時間內(nei)變化(hua)不大(da)， 在短(duan)時間可認為恒定。因此， 該設(she)計的最大(da)功(gong)率點跟蹤可簡化(hua)為通過PWM 調整電流至最大(da)值， 即認為太(tai)陽能電池的輸(shu)出(chu)功(gong)率達到(dao)最大(da)。

　　由鋰電池(chi)充(chong)(chong)電特性(xing)可知， 為保證充(chong)(chong)電安全高效(xiao)， 需采用預充(chong)(chong)、恒流(liu)、涓流(liu)的(de)(de)三段式充(chong)(chong)電。系統通過對鋰電池(chi)兩端電壓進行檢測， 判(pan)斷充(chong)(chong)電狀態， 進而(er)采取(qu)相應的(de)(de)充(chong)(chong)電策略。

　　當光照(zhao)強(qiang)度降(jiang)低， 程序判斷(duan)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)產(chan)生的功(gong)率小于(yu)系統自身(shen)開銷時， 進入休眠模式(shi)。

　　4   實驗結(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(shu)據對比如表1 所(suo)示。其(qi)中太陽能電(dian)池(chi)(chi)采(cai)用華微公司生產的單(dan)晶太陽能電(dian)池(chi)(chi)板， 其(qi)最(zui)大輸出(chu)功率15 W,開(kai)路電(dian)壓17. 4 V; 鋰(li)電(dian)池(chi)(chi)組采(cai)用4 串聯(lian)18650 型鋰(li)電(dian)池(chi)(chi)， 充電(dian)截止電(dian)壓16. 8 V, 電(dian)池(chi)(chi)組容(rong)量(liang)10. 4 Ah。

表1 傳統充電器(qi)(qi)與MPPT充電器(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提高了太陽能電(dian)(dian)池利用率， 并包(bao)含了三段式(shi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)的(de)智能充(chong)(chong)電(dian)(dian)策略(lve)， 在(zai)軟件(jian)模(mo)塊中(zhong)加入了防止(zhi)過(guo)充(chong)(chong)電(dian)(dian)的(de)安(an)全策略(lve)， 并且在(zai)光(guang)照(zhao)強度大幅下(xia)降到低(di)于系統開(kai)銷的(de)情(qing)況下(xia)自(zi)動實現(xian)系統休眠。通(tong)過(guo)改進(jin)算法， 設置更(geng)為精(jing)確的(de)參數， 可以使充(chong)(chong)電(dian)(dian)效率進(jin)一(yi)步提高。