太(tai)陽能的綠色與可(ke)再生特(te)性(xing)， 使其在低碳和能源(yuan)(yuan)緊缺的今日備受(shou)關注。鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)因比能量高、自放(fang)電(dian)(dian)(dian)低的特(te)性(xing)， 逐漸取代鉛酸電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)成為主(zhu)流。由目前常用(yong)的太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的輸(shu)出特(te)性(xing)可(ke)知， 太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)在一定的光照度(du)和溫度(du)下， 既非恒流源(yuan)(yuan)， 亦非恒壓源(yuan)(yuan)， 其最大功(gong)率受(shou)負(fu)載影響(xiang)。而鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)可(ke)看作(zuo)一個小負(fu)載電(dian)(dian)(dian)壓源(yuan)(yuan)。如不(bu)加控(kong)制直接(jie)將(jiang)二者連(lian)接(jie)， 則將(jiang)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的工作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓箝位(wei)于鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)工作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓， 無(wu)法高效(xiao)利(li)用(yong)能源(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， 延長鋰電池使用壽命， 保(bao)證(zheng)充(chong)電安全。

　　1  最大功率點跟(gen)蹤技術原理（ Maximum Power Point Tracking 簡稱MPPT）

　　太(tai)陽能電池有著(zhu)非線性的光(guang)(guang)伏特性， 所(suo)以即使在(zai)同一光(guang)(guang)照強度下， 由于負載的不同也會輸(shu)出不同的功率(lv)。

　　其電壓、電流與(yu)(yu)功率在光(guang)照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條(tiao)件(jian)下的輸出曲線如圖1 所示。其短(duan)路(lu)(lu)電流i sc 與(yu)(yu)開路(lu)(lu)電壓uoc 由生產商給出， Pmpp為該條(tiao)件(jian)下的最大功率點。

　　由于(yu)太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池受到光強、光線入(ru)射角度、溫度等多(duo)種因素的(de)(de)影響， 最(zui)大(da)功(gong)率相(xiang)應改變(bian)(bian)， 對(dui)應最(zui)大(da)功(gong)率點的(de)(de)輸出(chu)電(dian)壓、輸出(chu)電(dian)流(liu)和內阻也在(zai)不停變(bian)(bian)化。因此， 需要使用基于(yu)PWM 的(de)(de)可調DC/ DC 變(bian)(bian)換(huan)器(qi)， 使負載相(xiang)應改變(bian)(bian)， 才能(neng)使太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池工作在(zai)最(zui)大(da)功(gong)率點上。

圖1 太陽能電池的典型輸(shu)出(chu)曲線

　　2   電路工(gong)作原(yuan)理

　　圖(tu)(tu)2 示出太(tai)陽能(neng)充(chong)電(dian)(dian)器的原理框圖(tu)(tu)。其(qi)中微控制器采用凌陽公司生產的SPCE061A 單(dan)片機(ji)， 該單(dan)片機(ji)含有(you)7 個10 位ADC（ 模-數(shu)轉換器） 并內(nei)置了PWM 功(gong)能(neng)， 大大簡化電(dian)(dian)路(lu)復雜程(cheng)度， 提高穩(wen)定性。電(dian)(dian)壓采樣電(dian)(dian)路(lu)與(yu)(yu)電(dian)(dian)流采樣電(dian)(dian)路(lu)通過(guo)(guo)ADC 將電(dian)(dian)壓值與(yu)(yu)電(dian)(dian)流值送入MCU, MCU 根據MPPT 算法(fa)計(ji)算PWM 控制BU CK電(dian)(dian)路(lu)完成(cheng)對充(chong)電(dian)(dian)過(guo)(guo)程(cheng)的控制。

圖2 整體(ti)充電器原理框圖

圖3 為(wei)BUCK 變(bian)換(huan)器電(dian)(dian)路。由MOSFET 管(guan)Q3、電(dian)(dian)感L1 與(yu)繼流二極管(guan)D1 構成典型的BUCK 降(jiang)壓DC/ DC 變(bian)換(huan)器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管(guan)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)路， Uout 輸出至鋰電(dian)(dian)池正(zheng)極。

圖3 BUCK 變換器(qi)電路

　　圖4 為電(dian)流采樣電(dian)路。Rsense 用(yong)一小(xiao)阻(zu)(zu)值精(jing)密電(dian)阻(zu)(zu)作(zuo)為采樣電(dian)阻(zu)(zu)， 通過將(jiang)電(dian)阻(zu)(zu)兩端(duan)電(dian)壓(ya)使用(yong)差分放(fang)大器輸送(song)到SPCE061 的A/ D 端(duan)進行采樣。為使采樣精(jing)確(que)， 避免電(dian)源線(xian)(xian)與地線(xian)(xian)干(gan)擾， 使用(yong)線(xian)(xian)性光耦HCNR200 進行隔離(li)。

圖4 電流采樣電路

　　圖5 所(suo)示為電壓(ya)采樣電路(lu)。因為SPCE061 的A/D 端輸(shu)入范圍為0~ 3 V, 而太(tai)陽能電池的輸(shu)出常(chang)常(chang)高于3 V, 因此(ci)采用反向比例放大器， 使(shi)輸(shu)入與(yu)AD 采樣范圍相(xiang)匹配(pei)。

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。由此可知：

　　式中(zhong)， Ubat 為(wei)電(dian)(dian)池(chi)(chi)兩(liang)端電(dian)(dian)壓； D 為(wei)占空比； Uarr 為(wei)太陽能電(dian)(dian)池(chi)(chi)兩(liang)端電(dian)(dian)壓。將(jiang)式（ 1） 代(dai)入式（ 2） 可得：

　　由圖1 可知， 當取(qu)最大功率點時， dP arr / dUarr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可知：

　　因此， 關于P/ D 的曲線為凸函數， 且當P 取最大值時有(you)唯一D 值與之(zhi)對應。

　　由于DC/ DC 變換(huan)器連接至鋰電池(chi)兩端的輸出(chu)電壓短(duan)時間(jian)內(nei)變化(hua)不大(da)， 在短(duan)時間(jian)可認為恒定(ding)。因此， 該設計的最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點跟蹤可簡化(hua)為通(tong)過PWM 調整電流(liu)至最(zui)大(da)值， 即認為太陽能電池(chi)的輸出(chu)功(gong)率(lv)達到最(zui)大(da)。

　　由(you)鋰電(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)特性可知， 為保證充(chong)(chong)電(dian)(dian)安全高效， 需采(cai)用(yong)預充(chong)(chong)、恒(heng)流(liu)、涓流(liu)的(de)三段式充(chong)(chong)電(dian)(dian)。系(xi)統(tong)通(tong)過(guo)對鋰電(dian)(dian)池兩端電(dian)(dian)壓進(jin)行(xing)檢測， 判(pan)斷充(chong)(chong)電(dian)(dian)狀(zhuang)態， 進(jin)而采(cai)取相應的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)策略。

　　當光照強度降低， 程序(xu)判斷太陽能電池產生的功率小(xiao)于(yu)系(xi)統自(zi)身(shen)開銷時， 進入休(xiu)眠模式。

　　4   實(shi)驗結果與結論(lun)

　　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(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)采(cai)用華微公司生產的單晶太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)， 其最大輸出功率15 W,開路電(dian)壓(ya)(ya)17. 4 V; 鋰(li)電(dian)池(chi)組采(cai)用4 串聯(lian)18650 型鋰(li)電(dian)池(chi)， 充電(dian)截止電(dian)壓(ya)(ya)16. 8 V, 電(dian)池(chi)組容(rong)量(liang)10. 4 Ah。

表1 傳統充電器(qi)與MPPT充電器(qi)實驗數據對比(bi)

　　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(ti)高(gao)了(le)(le)太陽能(neng)電(dian)池利用率， 并包含了(le)(le)三段式(shi)充(chong)(chong)電(dian)的(de)智能(neng)充(chong)(chong)電(dian)策(ce)略(lve)， 在(zai)軟件模塊中(zhong)加(jia)入(ru)了(le)(le)防止(zhi)過(guo)充(chong)(chong)電(dian)的(de)安(an)全策(ce)略(lve)， 并且(qie)在(zai)光照強度大幅下(xia)降到(dao)低于系統開(kai)銷的(de)情(qing)況下(xia)自動(dong)實(shi)現系統休眠。通過(guo)改進算法(fa)， 設置更為精確的(de)參(can)數， 可以使充(chong)(chong)電(dian)效率進一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)。