太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)(de)綠色(se)與(yu)可再生特性(xing)， 使其(qi)在(zai)(zai)低碳和(he)能(neng)源(yuan)(yuan)緊缺的(de)(de)今日備(bei)受關注。鋰電(dian)(dian)池(chi)因比(bi)能(neng)量高(gao)、自放電(dian)(dian)低的(de)(de)特性(xing)， 逐漸取(qu)代鉛酸電(dian)(dian)池(chi)成為主(zhu)流(liu)(liu)。由目(mu)前常用的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)輸出特性(xing)可知， 太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)在(zai)(zai)一(yi)定的(de)(de)光照度(du)和(he)溫(wen)度(du)下(xia)， 既非恒流(liu)(liu)源(yuan)(yuan)， 亦非恒壓(ya)源(yuan)(yuan)， 其(qi)最大功率受負載影響。而(er)鋰電(dian)(dian)池(chi)可看作一(yi)個小負載電(dian)(dian)壓(ya)源(yuan)(yuan)。如(ru)不(bu)加控制直(zhi)接將二者連(lian)接， 則將太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)工作電(dian)(dian)壓(ya)箝位于鋰電(dian)(dian)池(chi)工作電(dian)(dian)壓(ya)， 無法高(gao)效(xiao)利用能(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， 延長鋰電池使用壽命， 保證充電安全。

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

　　太陽能電池有著非線性的光伏特性， 所以(yi)即(ji)使在同一(yi)光照(zhao)強度(du)下， 由于負(fu)載的不同也(ye)會輸(shu)出不同的功率。

　　其電(dian)(dian)壓(ya)、電(dian)(dian)流(liu)與功率在(zai)光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條(tiao)件(jian)下(xia)的輸出(chu)曲線如圖(tu)1 所示。其短路(lu)電(dian)(dian)流(liu)i sc 與開路(lu)電(dian)(dian)壓(ya)uoc 由生產商(shang)給出(chu)， Pmpp為該條(tiao)件(jian)下(xia)的最大功率點。

　　由于(yu)太陽能電(dian)池(chi)受到光(guang)強(qiang)、光(guang)線入(ru)射角度(du)、溫度(du)等(deng)多種因素的影響(xiang)， 最(zui)大(da)功(gong)率相應(ying)(ying)改(gai)變， 對應(ying)(ying)最(zui)大(da)功(gong)率點(dian)的輸(shu)出(chu)電(dian)壓、輸(shu)出(chu)電(dian)流和內阻也在(zai)不停變化。因此， 需要(yao)使(shi)用基于(yu)PWM 的可調DC/ DC 變換器(qi)， 使(shi)負載(zai)相應(ying)(ying)改(gai)變， 才能使(shi)太陽能電(dian)池(chi)工作在(zai)最(zui)大(da)功(gong)率點(dian)上。

圖1 太陽能電池的(de)典型(xing)輸出曲線

　　2   電路工(gong)作原理(li)

　　圖2 示出太陽能充電(dian)器(qi)的(de)原(yuan)理框圖。其中微控(kong)制器(qi)采用凌(ling)陽公司生產的(de)SPCE061A 單片(pian)機(ji)， 該(gai)單片(pian)機(ji)含有7 個10 位(wei)ADC（ 模-數轉換器(qi)） 并內(nei)置了PWM 功(gong)能， 大(da)大(da)簡化電(dian)路(lu)(lu)復雜(za)程(cheng)度， 提高(gao)穩定(ding)性(xing)。電(dian)壓(ya)采樣(yang)(yang)電(dian)路(lu)(lu)與(yu)電(dian)流采樣(yang)(yang)電(dian)路(lu)(lu)通過(guo)ADC 將電(dian)壓(ya)值(zhi)(zhi)與(yu)電(dian)流值(zhi)(zhi)送入MCU, MCU 根據(ju)MPPT 算法計算PWM 控(kong)制BU CK電(dian)路(lu)(lu)完(wan)成對充電(dian)過(guo)程(cheng)的(de)控(kong)制。

圖2 整(zheng)體充(chong)電器原理框(kuang)圖

圖3 為(wei)BUCK 變(bian)換器電(dian)(dian)路。由(you)MOSFET 管(guan)Q3、電(dian)(dian)感L1 與繼流二極(ji)管(guan)D1 構成典型的BUCK 降(jiang)壓DC/ DC 變(bian)換器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管(guan)驅動電(dian)(dian)路， Uout 輸(shu)出至鋰電(dian)(dian)池正極(ji)。

圖(tu)3 BUCK 變換器電路

　　圖4 為電(dian)流(liu)采樣電(dian)路。Rsense 用一(yi)小阻(zu)(zu)值精密電(dian)阻(zu)(zu)作為采樣電(dian)阻(zu)(zu)， 通(tong)過(guo)將電(dian)阻(zu)(zu)兩端電(dian)壓使用差分放(fang)大器輸送到(dao)SPCE061 的A/ D 端進行采樣。為使采樣精確， 避免電(dian)源線(xian)與地(di)線(xian)干(gan)擾(rao)， 使用線(xian)性光耦HCNR200 進行隔離。

圖4 電流采樣電路

　　圖(tu)5 所示為電(dian)(dian)壓采(cai)樣(yang)電(dian)(dian)路。因為SPCE061 的A/D 端輸(shu)入(ru)(ru)范圍為0~ 3 V, 而太陽能(neng)電(dian)(dian)池的輸(shu)出常常高(gao)于3 V, 因此(ci)采(cai)用反向(xiang)比例放大(da)器， 使輸(shu)入(ru)(ru)與(yu)AD 采(cai)樣(yang)范圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3   系統軟件設計

　　在BUCK 上(shang)， 存在UarrD= Ubat 的關(guan)系(xi)。由此可知：

　　式中， Ubat 為(wei)電池兩端電壓； D 為(wei)占空比； Uarr 為(wei)太陽能電池兩端電壓。將式（ 1） 代入(ru)式（ 2） 可得(de)：

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

　　因此， 關于(yu)P/ D 的曲線為(wei)凸函數， 且(qie)當(dang)P 取最大(da)值時有(you)唯一D 值與之(zhi)對應(ying)。

　　由于DC/ DC 變換器連(lian)接至鋰電(dian)池兩(liang)端的輸出電(dian)壓(ya)短時間內(nei)變化(hua)不大(da)， 在短時間可認為恒定。因此(ci)， 該設計的最(zui)大(da)功率點跟蹤可簡(jian)化(hua)為通過PWM 調整電(dian)流(liu)至最(zui)大(da)值， 即認為太陽能電(dian)池的輸出功率達到最(zui)大(da)。

　　由鋰電池(chi)充(chong)(chong)電特(te)性可知， 為保證(zheng)充(chong)(chong)電安全高效， 需采(cai)用預(yu)充(chong)(chong)、恒流、涓流的(de)(de)三段式充(chong)(chong)電。系(xi)統通過對鋰電池(chi)兩端電壓(ya)進行(xing)檢測， 判斷充(chong)(chong)電狀態， 進而采(cai)取相應的(de)(de)充(chong)(chong)電策(ce)略。

　　當光照強度降(jiang)低(di)， 程序判斷太陽能電(dian)池產生的功率(lv)小于系(xi)統自身(shen)開銷時， 進入休眠模式。

　　4   實驗結果與結論

　　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(shi)數據對(dui)比如表1 所示。其中太陽(yang)能電(dian)池采(cai)用華(hua)微(wei)公司生產的單晶(jing)太陽(yang)能電(dian)池板， 其最(zui)大輸出(chu)功率15 W,開路電(dian)壓17. 4 V; 鋰電(dian)池組采(cai)用4 串聯18650 型鋰電(dian)池， 充電(dian)截止電(dian)壓16. 8 V, 電(dian)池組容量10. 4 Ah。

表(biao)1 傳統充電器與MPPT充電器實驗(yan)數據(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提高(gao)(gao)了太陽能電池利用(yong)率(lv)， 并包含了三段(duan)式充電的智(zhi)能充電策(ce)略， 在軟件模塊(kuai)中加入了防(fang)止(zhi)過充電的安全策(ce)略， 并且在光照強度大幅下降到低(di)于系統開銷的情況下自動實現系統休眠。通(tong)過改進算法， 設置更為(wei)精確的參數， 可以使充電效率(lv)進一步提高(gao)(gao)。