太(tai)陽能的(de)(de)綠色與可再(zai)生(sheng)特(te)(te)性， 使(shi)其(qi)在低(di)碳(tan)和(he)能源(yuan)緊缺的(de)(de)今日備受關注。鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池因比能量(liang)高、自放電(dian)(dian)(dian)(dian)低(di)的(de)(de)特(te)(te)性， 逐漸取代鉛酸電(dian)(dian)(dian)(dian)池成為主流。由目前常用的(de)(de)太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)輸出特(te)(te)性可知， 太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池在一(yi)定的(de)(de)光照度(du)和(he)溫(wen)度(du)下， 既非恒流源(yuan)， 亦(yi)非恒壓源(yuan)， 其(qi)最大(da)功率受負(fu)載(zai)影(ying)響。而鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池可看作一(yi)個小負(fu)載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓源(yuan)。如不加控制直(zhi)接將二者連接， 則將太(tai)陽能電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)工(gong)作電(dian)(dian)(dian)(dian)壓箝(qian)位于鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池工(gong)作電(dian)(dian)(dian)(dian)壓， 無法高效利用能源(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(shou)命(ming)， 保(bao)證充電安全。

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

　　太陽能電池有著非線性(xing)(xing)的(de)光伏特性(xing)(xing)， 所以即使在同(tong)(tong)一(yi)光照強度下(xia)， 由于負載(zai)的(de)不同(tong)(tong)也會輸出不同(tong)(tong)的(de)功率(lv)。

　　其電(dian)壓、電(dian)流(liu)與功率在(zai)光照度(du)1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件下(xia)的輸出曲線如圖(tu)1 所示。其短路(lu)電(dian)流(liu)i sc 與開路(lu)電(dian)壓uoc 由生(sheng)產商給(gei)出， Pmpp為(wei)該條件下(xia)的最大功率點(dian)。

　　由于太陽能電池受到光(guang)強(qiang)、光(guang)線入射角度(du)、溫(wen)度(du)等多(duo)種(zhong)因素(su)的(de)影(ying)響， 最大(da)(da)功(gong)率相應(ying)(ying)改變(bian)， 對應(ying)(ying)最大(da)(da)功(gong)率點的(de)輸出(chu)電壓、輸出(chu)電流和內阻也在不(bu)停變(bian)化。因此， 需要使(shi)用基于PWM 的(de)可調DC/ DC 變(bian)換器， 使(shi)負載相應(ying)(ying)改變(bian)， 才能使(shi)太陽能電池工作在最大(da)(da)功(gong)率點上。

圖1 太陽(yang)能(neng)電池的典型輸出曲(qu)線

　　2   電路工作原理

　　圖(tu)2 示出太陽(yang)能充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器的原理框(kuang)圖(tu)。其中(zhong)微控制(zhi)器采(cai)用凌陽(yang)公司生產的SPCE061A 單(dan)片(pian)機， 該(gai)單(dan)片(pian)機含有7 個10 位ADC（ 模-數轉換器） 并內置了PWM 功能， 大大簡化(hua)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)復雜程度， 提高穩定性。電(dian)(dian)(dian)(dian)壓采(cai)樣(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)與電(dian)(dian)(dian)(dian)流采(cai)樣(yang)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)通過(guo)ADC 將電(dian)(dian)(dian)(dian)壓值與電(dian)(dian)(dian)(dian)流值送入MCU, MCU 根(gen)據MPPT 算法(fa)計算PWM 控制(zhi)BU CK電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)完成對充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程的控制(zhi)。

圖(tu)2 整(zheng)體充(chong)電器原理框圖(tu)

圖3 為(wei)BUCK 變換器電(dian)路。由MOSFET 管Q3、電(dian)感L1 與繼流二極管D1 構成典型的BUCK 降壓DC/ DC 變換器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管驅動(dong)電(dian)路， Uout 輸出至鋰電(dian)池正極。

圖(tu)3 BUCK 變換(huan)器電路

　　圖4 為(wei)電(dian)(dian)(dian)流(liu)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)電(dian)(dian)(dian)路。Rsense 用(yong)一小阻(zu)(zu)值精(jing)密電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)作為(wei)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)， 通過將(jiang)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)兩端電(dian)(dian)(dian)壓使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)放(fang)大器(qi)輸(shu)送到SPCE061 的A/ D 端進行(xing)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)。為(wei)使(shi)采(cai)(cai)樣(yang)(yang)精(jing)確， 避免(mian)電(dian)(dian)(dian)源線(xian)與地線(xian)干擾， 使(shi)用(yong)線(xian)性(xing)光耦HCNR200 進行(xing)隔離(li)。

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(yin)為(wei)SPCE061 的A/D 端輸入范圍為(wei)0~ 3 V, 而(er)太陽能電(dian)池的輸出(chu)常(chang)(chang)常(chang)(chang)高于3 V, 因(yin)此(ci)采(cai)用反向比(bi)例放(fang)大器(qi)， 使(shi)輸入與AD 采(cai)樣(yang)范圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3   系統軟件(jian)設計

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

　　式(shi)(shi)中， Ubat 為電(dian)(dian)池兩端電(dian)(dian)壓； D 為占(zhan)空比； Uarr 為太陽能電(dian)(dian)池兩端電(dian)(dian)壓。將式(shi)(shi)（ 1） 代入式(shi)(shi)（ 2） 可得：

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

　　因此， 關于P/ D 的(de)曲線為凸函數， 且當P 取最(zui)大(da)值時有唯一D 值與之對應。

　　由于(yu)DC/ DC 變(bian)換器連接至(zhi)鋰(li)電(dian)池(chi)兩(liang)端的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)短(duan)時間內(nei)變(bian)化不大， 在短(duan)時間可(ke)認為(wei)恒定。因此， 該設計的(de)最(zui)大功率點跟蹤可(ke)簡化為(wei)通過PWM 調(diao)整電(dian)流至(zhi)最(zui)大值， 即(ji)認為(wei)太陽能電(dian)池(chi)的(de)輸(shu)出(chu)功率達到最(zui)大。

　　由鋰電池(chi)充(chong)電特性可知， 為保證充(chong)電安全高(gao)效， 需采用(yong)預充(chong)、恒流、涓流的三(san)段式充(chong)電。系統通過(guo)對鋰電池(chi)兩(liang)端電壓(ya)進行檢測， 判(pan)斷充(chong)電狀態， 進而采取相應的充(chong)電策略。

　　當光照強度降低， 程序判(pan)斷(duan)太陽能電池產生(sheng)的功率小于(yu)系統自身開銷時(shi)， 進入休眠模(mo)式。

　　4   實(shi)驗結果與(yu)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據對比如表1 所示。其中太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)采用華微公司生產的單晶太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)板， 其最大(da)輸出功率15 W,開路電(dian)壓17. 4 V; 鋰電(dian)池(chi)(chi)(chi)組采用4 串聯18650 型鋰電(dian)池(chi)(chi)(chi)， 充電(dian)截止電(dian)壓16. 8 V, 電(dian)池(chi)(chi)(chi)組容量10. 4 Ah。

表1 傳(chuan)統充電(dian)器(qi)(qi)與MPPT充電(dian)器(qi)(qi)實驗數(shu)據(ju)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)高了太陽能電(dian)池(chi)利用率(lv)， 并包(bao)含了三段式充(chong)電(dian)的智(zhi)能充(chong)電(dian)策(ce)(ce)略， 在(zai)軟件(jian)模(mo)塊中加(jia)入了防止過(guo)充(chong)電(dian)的安(an)全策(ce)(ce)略， 并且(qie)在(zai)光照強(qiang)度(du)大幅(fu)下(xia)(xia)降(jiang)到低于系統開銷的情況下(xia)(xia)自動實現系統休眠。通過(guo)改進算法， 設置更為精(jing)確的參數， 可以使充(chong)電(dian)效率(lv)進一步(bu)提(ti)高。