太陽(yang)能是為便攜式設備供電(dian)(dian)的(de)(de)(de)有(you)吸引力的(de)(de)(de)能源。一(yi)段時(shi)間以來(lai)，它一(yi)直被廣(guang)泛(fan)地用于諸如計算器和航天飛(fei)機(ji)這(zhe)樣的(de)(de)(de)應用。最近，人們正(zheng)考慮(lv)把(ba)太陽(yang)能用于包(bao)括移動電(dian)(dian)話充電(dian)(dian)器這(zhe)樣的(de)(de)(de)范圍更寬廣(guang)的(de)(de)(de)消費電(dian)(dian)子應用。

　　然而，太陽能電池板所提供的功率高度依賴于工作環境。這包括諸如光密度、時間和位置之類的因素。因此，電池通常被用作能量存儲單元。當來自太陽能板的電能有余的時候，就可以對電池充電;當太陽能板提供的電能不足時，電池就可以為系統供電。我們如何設計鋰離子電池充電器以(yi)(yi)便從太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電池(chi)(chi)中獲取最多的(de)功率(lv)(lv)并有效地對(dui)鋰(li)電池(chi)(chi)充(chong)電呢?首先，我(wo)們將討(tao)論太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電池(chi)(chi)的(de)工作原理和電氣輸(shu)出(chu)特(te)性(xing);然后，我(wo)們將討(tao)論電池(chi)(chi)充(chong)電系(xi)統要求(qiu)以(yi)(yi)及匹配太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電池(chi)(chi)特(te)性(xing)的(de)系(xi)統解決方案，以(yi)(yi)便從太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)電池(chi)(chi)獲取最大的(de)功率(lv)(lv)。

　　太陽能(neng)I-V特性

　　一(yi)般地說，太陽能(neng)電池由p-n結構成，其中的(de)(de)光能(neng)(光子)引起電子和空穴的(de)(de)重新組合，產生(sheng)電流(liu)。因為p-n結的(de)(de)特(te)(te)性(xing)(xing)類似于二(er)極管的(de)(de)特(te)(te)性(xing)(xing)，如(ru)圖1所(suo)示(shi)的(de)(de)電路通常(chang)被用于簡化(hua)太陽能(neng)電池的(de)(de)特(te)(te)性(xing)(xing)。

　　電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)源IPH產生(sheng)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)正比(bi)于落在太陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)上的(de)(de)(de)光量(liang)。在沒有(you)(you)負載連接的(de)(de)(de)時候，幾(ji)乎(hu)所有(you)(you)產生(sheng)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)都(dou)流(liu)過二極管(guan)D，其正向電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)決(jue)定太陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)開路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(VOC)。該(gai)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)變化嚴格(ge)地取決(jue)于每一種類型的(de)(de)(de)太陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)。但是，對于大多(duo)數硅(gui)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，其0.5V到0.8V之間(jian)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)范圍恰好就是p-n結二極管(guan)的(de)(de)(de)正向電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。

　　并聯(lian)電(dian)阻(RP)代表實際太陽能電(dian)池中出(chu)現的(de)(de)微小(xiao)泄漏電(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)，Rs代表連接損(sun)耗。隨著負(fu)載電(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)增(zeng)加(jia)，由(you)太陽能電(dian)池所產生的(de)(de)大(da)(da)部分電(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)被分流(liu)(liu)(liu)(liu)到二極管(guan)并進入負(fu)載。對于大(da)(da)多負(fu)載電(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)的(de)(de)數(shu)值(zhi)，這(zhe)只對輸出(chu)電(dian)壓有很(hen)小(xiao)的(de)(de)影(ying)響。

　　圖2所(suo)示為(wei)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)(de)輸(shu)(shu)(shu)出特(te)性(xing)(xing)，由于(yu)二極管的(de)(de)(de)(de)(de)I-V特(te)性(xing)(xing)存在(zai)(zai)微(wei)小的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，串聯電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(Rs)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓降也(ye)存在(zai)(zai)微(wei)小的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，但是(shi)，輸(shu)(shu)(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓保持很大的(de)(de)(de)(de)(de)恒定。然(ran)而，在(zai)(zai)一些點通(tong)過內部二極管的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)是(shi)如(ru)此之小，以至于(yu)它(ta)變(bian)得偏置(zhi)不夠(gou)，并(bing)且，隨著(zhu)負(fu)載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，跨(kua)越(yue)它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓快速(su)減少(shao)(shao)。最后(hou)，如(ru)果所(suo)有(you)產生的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)流(liu)(liu)過負(fu)載(zai)并(bing)且不流(liu)(liu)過二極管的(de)(de)(de)(de)(de)話，輸(shu)(shu)(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓就為(wei)零。該(gai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)被稱為(wei)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)(de)(de)短(duan)路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(ISC)，它(ta)與VOC一道是(shi)定義(yi)工作性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要參數之一。因此，太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池被認(ren)為(wei)是(shi)“電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)受限”的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)。當(dang)輸(shu)(shu)(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)增(zeng)加(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)時候，其輸(shu)(shu)(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓降低，直到最終(zhong)減少(shao)(shao)為(wei)零，如(ru)果負(fu)載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)達到其短(duan)路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)話。

　　在(zai)大多(duo)數(shu)應用中(zhong)，人們(men)期(qi)望從太陽能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)獲取盡可能多(duo)的(de)功率。因(yin)為(wei)(wei)輸出(chu)(chu)功率是(shi)(shi)輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)的(de)乘積(ji)，有必(bi)要確(que)定電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)哪(na)一(yi)部分的(de)工作區域產生(sheng)的(de)輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)的(de)乘積(ji)的(de)數(shu)值最(zui)大，這一(yi)點被稱為(wei)(wei)最(zui)大功率點(MPP)。在(zai)一(yi)種(zhong)極端情況(kuang)下(xia)，輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)為(wei)(wei)其最(zui)大數(shu)值(VOC)，但是(shi)(shi)，輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)為(wei)(wei)零(ling);在(zai)其它(ta)極端情況(kuang)下(xia)，輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)位其最(zui)大值(ISC)，但是(shi)(shi)，輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)為(wei)(wei)零(ling)。在(zai)兩(liang)種(zhong)情況(kuang)下(xia)，輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)的(de)乘積(ji)都是(shi)(shi)零(ling)。因(yin)此(ci)，MPP必(bi)須位于兩(liang)種(zhong)極端情況(kuang)之(zhi)間的(de)某處。

　　可以容(rong)易地證(zheng)明：在任何應用中(zhong)，MPP實(shi)際上(shang)出現在太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池的(de)(de)輸(shu)出特性(見圖3)下半(ban)部的(de)(de)某(mou)個位(wei)置。實(shi)際上(shang)，問題在于太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池的(de)(de)MPP的(de)(de)嚴格位(wei)置會根據光線和環境溫度變化。因此，所設計的(de)(de)系統要(yao)產(chan)生(sheng)最(zui)大(da)的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)，就必須動態地調節太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池輸(shu)出的(de)(de)電(dian)流，以便它在實(shi)際工(gong)作(zuo)條(tiao)件下位(wei)于或接(jie)近MPP工(gong)作(zuo)。

　　優化充電器(qi)設計(ji)以從太(tai)陽能(neng)板獲得最(zui)大的功率。

　　跟(gen)蹤太陽能(neng)板系(xi)統的(de)MPP的(de)途徑有多(duo)種(zhong)，這(zhe)些常常相當復雜，特別是(shi)在(zai)諸(zhu)如(ru)衛星通信這(zhe)樣的(de)重要(yao)(yao)(yao)任務(wu)系(xi)統中。然而，在(zai)許多(duo)對成本(ben)敏感的(de)應用中，極其精確的(de)MPP跟(gen)蹤方案卻是(shi)不(bu)必要(yao)(yao)(yao)的(de)。所有的(de)要(yao)(yao)(yao)求(qiu)就是(shi)以(yi)簡單、低成本(ben)的(de)解決方案儲存大約90%的(de)可用能(neng)量(liang)。充電控制系(xi)統如(ru)何使太陽能(neng)電池(chi)以(yi)接近MPP的(de)方式工作(zuo)呢?

　　動態(tai)功率路(lu)徑管(guan)理(DPPM)技術可以滿足(zu)跟蹤MPP所面(mian)臨的(de)這種(zhong)挑戰。圖4顯示了從太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)獲得(de)最大(da)功率的(de)鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)應用電(dian)(dian)路(lu)，其(qi)中，MOSFET Q2被用于調節電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)、充電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓或系(xi)統總線電(dian)(dian)壓。太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)被用做為單(dan)顆鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)的(de)電(dian)(dian)源。太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)由若干(gan)串在(zai)一(yi)起的(de)電(dian)(dian)池(chi)組成，每一(yi)串具有11個串聯(lian)的(de)硅電(dian)(dian)池(chi)，其(qi)行為就(jiu)像電(dian)(dian)流(liu)受到限制的(de)電(dian)(dian)壓源，其(qi)中，電(dian)(dian)流(liu)限度由太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)的(de)大(da)小以及照射在(zai)上面(mian)的(de)光通量來確定(ding)。

　　DPPM監測因電流受限電源引起的系統總線電壓(VOUT)降。連接到系統總線上的電容(CO)開始放電，一旦系統所需要的電流和電池充電器的電(dian)流大于太陽能板所提供的電(dian)流，就會造成系(xi)統(tong)的總(zong)線電(dian)壓開始(shi)下(xia)降。當系(xi)統(tong)總(zong)線電(dian)壓跌落到預設(she)的DPPM閥值的時候，電(dian)池充電(dian)控制(zhi)系(xi)統(tong)就把(ba)系(xi)統(tong)總(zong)線電(dian)壓調節到DPMM閥值。

　　從這個太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)板(ban)獲得的最大輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(VOC)通常在5.5V到6V之間。因為該電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)低于預(yu)設的6V輸(shu)出(chu)調(diao)節(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，MOSFET Q1被(bei)完全(quan)關閉。如(ru)果系統(tong)和電(dian)(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)(dian)器所(suo)需要的總電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)超過太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)―取決于光線強弱―能(neng)(neng)力，太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)板(ban)的輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)將下跌，從而(er)使輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(VOUT)下降。當VOUT下降到VDPPM―也是太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)板(ban)的輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)―的時候，充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)就(jiu)(jiu)下降了(le)。太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)板(ban)現在將在接近其MPP的狀態下工作，如(ru)果VDPPM被(bei)設置為接近MPP的話。通過恰當地把RDPPM編程到一個電(dian)(dian)(dian)(dian)平，就(jiu)(jiu)容許VOUT保持在最小的4.5V，從而(er)實現這一點。這個VDPPM數值(zhi)就(jiu)(jiu)被(bei)人們所(suo)采用，因為它相(xiang)當符合(he)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)板(ban)的MPP。

　　假設跨越MOSFET Q1的電壓降為300mV，那么，跨越每一個電池的電壓將等于436mV，從而把太陽能板的功率輸出最大化。如果VOUT大于4.5V，DPPM功能毫無作用―要把太陽能板從其MPP移開。但是，這只能發生在如果系統及電池充電器所(suo)需要的(de)功(gong)率(lv)(lv)小于太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)能(neng)夠提(ti)(ti)供(gong)的(de)功(gong)率(lv)(lv)的(de)情況下(xia)。在這種情況下(xia)，降(jiang)低效率(lv)(lv)不(bu)是那么重要。如圖3所(suo)示，隨(sui)著輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)逼近MPP，輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)曲線(xian)變得(de)十分平坦，然后，突然急劇下(xia)降(jiang)。因此，把VDPPM設置(zhi)得(de)稍高比設置(zhi)得(de)稍低要好。這樣做(zuo)將(jiang)把不(bu)正確的(de)工(gong)作(zuo)點(dian)對輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)的(de)影響最小化(hua)。如果太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)提(ti)(ti)供(gong)的(de)功(gong)率(lv)(lv)不(bu)足以為系統(tong)供(gong)電(dian)，甚(shen)至(zhi)當電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)(liu)已經被降(jiang)低到零的(de)時候，MOSFET Q2就導通，VOUT下(xia)降(jiang)到剛好低于電(dian)池(chi)電(dian)壓VBAT，并(bing)且電(dian)池(chi)提(ti)(ti)供(gong)太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)所(suo)不(bu)能(neng)提(ti)(ti)供(gong)的(de)電(dian)流(liu)(liu)。

　　如果充電器工作在DPPM狀態(tai)，內(nei)部安全(quan)定(ding)(ding)時(shi)器(qi)就(jiu)自(zi)動地延長時(shi)間。因此，當考慮(lv)諸如(ru)低(di)光線或無光條(tiao)件(jian)之(zhi)類(lei)的特殊工作條(tiao)件(jian)時(shi)，電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)就(jiu)非常低(di)，或電(dian)(dian)池(chi)可能(neng)甚至工作在放電(dian)(dian)模式。要設(she)置覆蓋所有應用(yong)的合(he)適(shi)的充電(dian)(dian)安全(quan)定(ding)(ding)時(shi)器(qi)幾(ji)乎是不(bu)可能(neng)的。否則，就(jiu)可能(neng)產生一(yi)個(ge)虛假的安全(quan)定(ding)(ding)時(shi)器(qi)錯誤。因此，解決這(zhe)個(ge)問題的一(yi)個(ge)選(xuan)項就(jiu)是禁止安全(quan)定(ding)(ding)時(shi)器(qi)工作。

　　太(tai)陽(yang)能板所(suo)提(ti)供的(de)(de)電(dian)源(yuan)被認(ren)為(wei)是(shi)“電(dian)流受限”的(de)(de)電(dian)壓(ya)源(yuan)。太(tai)陽(yang)能板對(dui)鋰電(dian)池的(de)(de)最(zui)大充(chong)電(dian)功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)實現途徑(jing)是(shi)：當系(xi)(xi)統(tong)和電(dian)池充(chong)電(dian)所(suo)需要的(de)(de)總電(dian)流超過太(tai)陽(yang)能板的(de)(de)輸出(chu)電(dian)流能力時，要通(tong)過降低充(chong)電(dian)電(dian)流來調節MPP附近的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)總線(xian)電(dian)壓(ya)。對(dui)于設計一(yi)個可能的(de)(de)太(tai)陽(yang)能板供電(dian)的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)來說，關鍵的(de)(de)元素就是(shi)系(xi)(xi)統(tong)功(gong)率(lv)(lv)和電(dian)池充(chong)電(dian)功(gong)率(lv)(lv)控(kong)制架構。