基于SPCE061的太陽能鋰電池充電器設(shè)計

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(guān)注。鋰電池因比能量高、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(fù)載影響。而鋰電池可看作一個小負(fù)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電池工作電壓， 無法高效利用能源。

　　本文采用SPCE061 單片機(jī)， 利用MPPT 技術(shù)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(jìn)行控制， 延長鋰電池使用壽命， 保證充電安全。

　　1 最大功率點跟蹤技術(shù)原理（ Maximum Power Point Tracking 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(qiáng)度下， 由于負(fù)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1 kW/ m2 , T = 25 ℃條件下的輸出曲線如圖1 所示。其短路電流i sc 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(qiáng)、光線入射角度、溫度等多種因素的影響， 最大功率相應(yīng)改變， 對應(yīng)最大功率點的輸出電壓、輸出電流和內(nèi)阻也在不停變化。因此， 需要使用基于PWM 的可調(diào)DC/ DC 變換器， 使負(fù)載相應(yīng)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(jī)， 該單片機(jī)含有7 個10 位ADC（ 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器） 并內(nèi)置了PWM 功能， 大大簡化電路復(fù)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BU CK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(gòu)成典型的BUCK 降壓DC/ DC 變換器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管驅(qū)動電路， Uout 輸出至鋰電池正極。

圖3 BUCK 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(jìn)行采樣。為使采樣精確， 避免電源線與地線干擾， 使用線性光耦HCNR200 進(jìn)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~ 3 V, 而太陽能電池的輸出常常高于3 V, 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