0引言

太陽能的綠色與可再生特性，使其在低碳和能源緊缺的今日備受關注。鋰離子電池因比能量高、自放電低的特性，逐漸取代鉛酸電池成為主流。由目前常用的太陽能電池的輸出特性可知，太陽能電池在一定的光照度和溫度下，既非恒流源，亦非恒壓源，其最大功率受負載影響。而鋰離子電池可看作一個小負載電壓源。如不加控制直接將二者連接，則將太陽能電池的工作電壓箝位于鋰離子電池工作電壓，無法高效利用能源。

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，并且對鋰離子電池的充電過程進行控制，延長鋰離子電池使用壽命，保證充電安全。

1最大功率點跟蹤技術原理(MaximumpowerpointTracking簡稱MppT)

太陽能電池有著非線性的光伏特性，所以即使在同一光照強度下，由于負載的不同也會輸出不同的功率。

其電壓、電流與功率在光照度1kW/m2,T=25℃條件下的輸出曲線如圖1所示。其短路電流isc與開路電壓uoc由生產(chǎn)商給出，pmpp為該條件下的最大功率點。

由于太陽能電池受到光強、光線入射角度、溫度等多種因素的影響，最大功率相應改變，對應最大功率點的輸出電壓、輸出電流和內阻也在不停變化。因此，要使用基于pWM的可調DC/DC變換器，使負載相應改變，才能使太陽能電池工作在最大功率點上。

圖1太陽能電池的典型輸出曲線

2電路工作原理

圖2示出太陽能充電器的原理框圖。其中微控制器采用凌陽公司生產(chǎn)的SpCE061A單片機，該單片機含有7個10位ADC(模-數(shù)轉換器)并內置了pWM功能，大大簡化電路復雜程度，提高穩(wěn)定性。電壓采樣電路與電流采樣電路通過ADC將電壓值與電流值送入MCU,MCU根據(jù)MppT算法計算pWM控制BUCK電路完成對充電過程的控制。

圖2整體充電器原理框圖

圖3為BUCK變換器電路。由MOSFET管Q3、電感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管驅動電路，Uout輸出至鋰離子電池正極。

圖3BUCK變換器電路

圖4為電流采樣電路。Rsense用一小阻值精密電阻作為采樣電阻，通過將電阻兩端電壓使用差分放大器輸送到SpCE061的A/D端進行采樣。為使采樣精確，防止電源線與地線干擾，使用線性光耦HCNR200進行隔離。

圖4電流采樣電路

圖5所示為電壓采樣電路。因為SpCE061的A/D端輸入范圍為0~3V,而太陽能電池的輸出常常高于3V,因此采用反向比例放大器，使輸入與AD采樣范圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3系統(tǒng)軟件設計

在BUCK上，存在UarrD=Ubat的關系。由此可知：

式中，Ubat為電池兩端電壓;D為占空比;Uarr為太陽能電池兩端電壓。將式(1)代入式(2)可得：

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

因此，有關p/D的曲線為凸函數(shù)，且當p取最大值時有唯一D值與之對應。

由于DC/DC變換器連接至鋰離子電池兩端的輸出電壓短時間內變化不大，在短時間可認為恒定。因此，該設計的最大功率點跟蹤可簡化為通過pWM調整電流至最大值，即認為太陽能電池的輸出功率達到最大。

由鋰離子電池充電特性可知，為保證充電安全高效，需采用預充、恒流、涓流的三段式充電。系統(tǒng)通過對鋰離子電池兩端電壓進行檢測，判斷充電狀態(tài)，進而采取相應的充電策略。

當光照強度降低，程序判斷太陽能電池出現(xiàn)的功率小于系統(tǒng)自身開銷時，進入休眠模式。

4實驗結果與結論

根據(jù)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(tǒng)太陽能充電器測試數(shù)據(jù)比較如表1所示。其中太陽能電池采用華微公司生產(chǎn)的單晶太陽能電池板，其最大輸出功率15W,開路電壓17.4V;鋰離子電池組采用4串聯(lián)18650型鋰離子電池，充電截止電壓16.8V,電池組容量10.4Ah。

表1傳統(tǒng)充電器與MppT充電器實驗數(shù)據(jù)比較

實驗結果表明，傳統(tǒng)充電器的太陽能電池利用率約為66%,而本方法的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(xiàn)的帶有MppT功能的太陽能充電器不僅大幅提高了太陽能電池利用率，并包含了三段式充電的智能充電策略，在軟件模塊中加入了防止過充電的安全策略，并且在光照強度大幅下降到低于系統(tǒng)開銷的情況下自動實現(xiàn)系統(tǒng)休眠。通過改進算法，設置更為精確的參數(shù)，可以使充電效率進一步提高。