太陽(yang)能(neng)的(de)(de)綠色與可(ke)再(zai)生(sheng)特(te)性(xing)(xing)， 使其在低碳(tan)和能(neng)源緊缺的(de)(de)今日(ri)備受關(guan)注。鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)因比能(neng)量(liang)高(gao)、自放電(dian)(dian)低的(de)(de)特(te)性(xing)(xing)， 逐漸取(qu)代鉛酸(suan)電(dian)(dian)池(chi)(chi)成為主流(liu)。由目(mu)前常用的(de)(de)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)輸出(chu)特(te)性(xing)(xing)可(ke)知， 太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)在一定(ding)的(de)(de)光(guang)照度和溫度下， 既非(fei)恒流(liu)源， 亦非(fei)恒壓(ya)(ya)(ya)源， 其最大功率受負載影響。而鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)可(ke)看作(zuo)一個小(xiao)負載電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)源。如(ru)不加(jia)控制(zhi)直接(jie)將二者連接(jie)， 則將太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)工(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)箝位(wei)于鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)工(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)， 無法高(gao)效(xiao)利(li)用能(neng)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， 并且對鋰電池的充電過程進行控制， 延長鋰電池使用(yong)壽(shou)命， 保證充(chong)電安(an)全。

　　1  最(zui)大功率點跟蹤(zong)技術原(yuan)理（ Maximum Power Point Tracking 簡稱(cheng)MPPT）

　　太陽能電池有著非(fei)線性(xing)的(de)光(guang)(guang)伏特性(xing)， 所以(yi)即使在同(tong)一光(guang)(guang)照(zhao)強度下， 由于負(fu)載的(de)不(bu)同(tong)也會(hui)輸出不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率。

　　其(qi)(qi)電壓(ya)、電流與功率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件下(xia)的(de)輸出(chu)曲線如圖1 所示。其(qi)(qi)短路電流i sc 與開路電壓(ya)uoc 由生產商給出(chu)， Pmpp為該條件下(xia)的(de)最大功率點。

　　由于太(tai)陽能電(dian)池受到光強(qiang)、光線(xian)入射角度(du)(du)、溫(wen)度(du)(du)等多種因(yin)素(su)的(de)影響， 最大功(gong)率相應改(gai)變， 對應最大功(gong)率點的(de)輸出(chu)電(dian)壓、輸出(chu)電(dian)流和內阻也在(zai)不停變化(hua)。因(yin)此， 需要使(shi)用基于PWM 的(de)可調(diao)DC/ DC 變換器， 使(shi)負載(zai)相應改(gai)變， 才能使(shi)太(tai)陽能電(dian)池工作在(zai)最大功(gong)率點上。

圖1 太陽能電池的典型輸(shu)出(chu)曲線

　　2   電路工作原理

　　圖(tu)(tu)2 示出太陽(yang)能充電(dian)(dian)器(qi)的(de)原(yuan)理框圖(tu)(tu)。其中微控(kong)制器(qi)采(cai)用(yong)凌(ling)陽(yang)公司生產的(de)SPCE061A 單(dan)片(pian)機(ji)， 該單(dan)片(pian)機(ji)含有7 個(ge)10 位ADC（ 模-數轉換器(qi)） 并內置了PWM 功能， 大大簡化(hua)電(dian)(dian)路(lu)復(fu)雜程度， 提(ti)高穩(wen)定性。電(dian)(dian)壓采(cai)樣(yang)電(dian)(dian)路(lu)與電(dian)(dian)流采(cai)樣(yang)電(dian)(dian)路(lu)通過ADC 將電(dian)(dian)壓值(zhi)(zhi)與電(dian)(dian)流值(zhi)(zhi)送(song)入MCU, MCU 根據MPPT 算法(fa)計算PWM 控(kong)制BU CK電(dian)(dian)路(lu)完成對(dui)充電(dian)(dian)過程的(de)控(kong)制。

圖(tu)2 整體(ti)充電(dian)器原理框圖(tu)

圖(tu)3 為BUCK 變(bian)換(huan)器電路。由(you)MOSFET 管Q3、電感L1 與繼(ji)流二極管D1 構(gou)成(cheng)典型的BUCK 降壓DC/ DC 變(bian)換(huan)器， Q1 和Q2 組成(cheng)MOSFET 管驅動電路， Uout 輸出(chu)至(zhi)鋰電池正(zheng)極。

圖3 BUCK 變換器電路

　　圖4 為電流采(cai)樣電路。Rsense 用(yong)(yong)一小阻值(zhi)精密電阻作為采(cai)樣電阻， 通過(guo)將電阻兩端電壓使(shi)用(yong)(yong)差分(fen)放大器(qi)輸送(song)到SPCE061 的(de)A/ D 端進行采(cai)樣。為使(shi)采(cai)樣精確， 避免電源線(xian)與地線(xian)干擾， 使(shi)用(yong)(yong)線(xian)性光耦(ou)HCNR200 進行隔離。

圖4 電流采樣電路

　　圖(tu)5 所示(shi)為(wei)電壓采樣電路。因(yin)為(wei)SPCE061 的(de)A/D 端輸(shu)入范(fan)圍(wei)(wei)為(wei)0~ 3 V, 而太(tai)陽能電池的(de)輸(shu)出(chu)常常高(gao)于3 V, 因(yin)此采用反向比例放(fang)大器， 使(shi)輸(shu)入與AD 采樣范(fan)圍(wei)(wei)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 的關系。由此可(ke)知(zhi)：

　　式中， Ubat 為電(dian)(dian)池兩端電(dian)(dian)壓(ya)； D 為占(zhan)空比； Uarr 為太陽能(neng)電(dian)(dian)池兩端電(dian)(dian)壓(ya)。將式（ 1） 代入(ru)式（ 2） 可得(de)：

　　由圖1 可(ke)知(zhi)， 當取最大功(gong)率點(dian)時， dP arr / dUarr = 0,代入式(shi)（ 3）、（ 4） 可(ke)知(zhi)：

　　因此(ci)， 關(guan)于P/ D 的曲線為凸(tu)函數， 且(qie)當(dang)P 取(qu)最大值時(shi)有唯一D 值與之(zhi)對應(ying)。

　　由于DC/ DC 變換器連接至鋰電池(chi)兩端的(de)輸出電壓短時間(jian)內(nei)變化不大(da)， 在短時間(jian)可(ke)認(ren)(ren)為恒定(ding)。因(yin)此， 該設計的(de)最(zui)大(da)功率(lv)點跟(gen)蹤(zong)可(ke)簡化為通(tong)過PWM 調(diao)整電流至最(zui)大(da)值， 即認(ren)(ren)為太陽能電池(chi)的(de)輸出功率(lv)達到最(zui)大(da)。

　　由鋰電池(chi)充電特性可知， 為保證充電安全高(gao)效(xiao)， 需采用預充、恒流(liu)(liu)、涓(juan)流(liu)(liu)的三段式充電。系統通(tong)過對(dui)鋰電池(chi)兩端電壓進行檢測(ce)， 判斷充電狀態， 進而(er)采取相應的充電策略。

　　當光照強(qiang)度降低， 程序判斷太陽能電池產生的功率小于系(xi)統自身開(kai)銷時， 進入休眠(mian)模式。

　　4   實驗結果與(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(dui)比(bi)如表1 所示。其(qi)中(zhong)太陽能電(dian)池(chi)(chi)采(cai)用華微公(gong)司生產(chan)的單晶(jing)太陽能電(dian)池(chi)(chi)板， 其(qi)最(zui)大輸出功率15 W,開路電(dian)壓17. 4 V; 鋰電(dian)池(chi)(chi)組(zu)采(cai)用4 串聯(lian)18650 型(xing)鋰電(dian)池(chi)(chi)， 充(chong)電(dian)截止電(dian)壓16. 8 V, 電(dian)池(chi)(chi)組(zu)容量(liang)10. 4 Ah。

表(biao)1 傳統充電器與MPPT充電器實(shi)驗數據對(dui)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(da)幅(fu)(fu)提高了太陽能電池利用率， 并(bing)包含了三段式充(chong)電的(de)智能充(chong)電策(ce)(ce)略， 在(zai)軟件模塊(kuai)中加入了防(fang)止(zhi)過(guo)充(chong)電的(de)安(an)全(quan)策(ce)(ce)略， 并(bing)且(qie)在(zai)光照(zhao)強(qiang)度(du)大(da)幅(fu)(fu)下(xia)降到低于系(xi)統開銷的(de)情況(kuang)下(xia)自動實現系(xi)統休(xiu)眠。通過(guo)改(gai)進算(suan)法(fa)， 設(she)置更為(wei)精確的(de)參數， 可以(yi)使充(chong)電效率進一(yi)步提高。