基于太陽能電池的精簡(jiǎn)高效型電池充電

背景

太陽能電源是今天更加關(guān)注環(huán)保的“綠色”社會(huì)熱點(diǎn)問題。使用可再生能源的趨勢(shì)日益增強(qiáng)，這種趨勢(shì)不斷導(dǎo)致諸如太陽能或風(fēng)能等可選能源的增加。得到改善的技術(shù)連同這種趨勢(shì)，正在使利用這些能源發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上更加可行。需要大型電池板或電池板陣列的應(yīng)用已出現(xiàn)于住宅和商業(yè)建筑物中。然而，在脫離電網(wǎng) (此時(shí)，沒有可用的線路電源) 的應(yīng)用中，太陽能電池板也成為一種富有吸引力的發(fā)電替代方案。調(diào)節(jié)這種電池板提供的電源以給一個(gè)子系統(tǒng)中的電池充電，可使這種設(shè)備獨(dú)立自主，并可位于偏遠(yuǎn)地區(qū)。一般情況下，這類單個(gè)電池板產(chǎn)生 25W~30W 的功率，面積不到 4 平方英尺。更低功率的電池板可能更小。

太陽能供電的充電系統(tǒng)的目標(biāo)是，不僅在白天直接給系統(tǒng)供電，而且在陽光最充足的時(shí)候給存儲(chǔ)單元 (一般是電池) 充電，這樣在夜間或陽光不充足的情況下，當(dāng)電池板輸出功率接近零時(shí)，電池就可以給系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)上，這些應(yīng)用大部分使用密封鉛酸 (SLA) 電池作為主要的存儲(chǔ)單元，但是，隨著應(yīng)用的外形尺寸減小，鋰化學(xué)組成正在變得越來越常見。在便攜式和非便攜式環(huán)境中，利用太陽能給這些電池充電正在日益成為主流。單塊太陽能電池板有很多新出現(xiàn)的應(yīng)用，其中包括堅(jiān)固耐用的軍用筆記本電腦、工業(yè)庫存和銷售點(diǎn) (POS) 管理設(shè)備、遠(yuǎn)程檢測(cè)單元、便攜式汽車診斷設(shè)備、海洋太陽能浮標(biāo)、路標(biāo)照明、路邊應(yīng)急電話、人行橫道指示燈照明、甚至太陽能供電的垃圾夯實(shí)機(jī)。

此外，在很多應(yīng)用中也已經(jīng)出現(xiàn)了磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池，這種電池比基于鈷的鋰離子聚合物電池 (典型值為 4.1V 或 4.2V) 提供更高的安全性和更低的浮置電壓 (3.6V) 。這種化學(xué)組成也有其他很多基于鈷的鋰離子/聚合物電池所具有的優(yōu)點(diǎn)，包括低的自放電速率和相對(duì)低的重量。此外，比較而言，LiFePO4 提供更長(zhǎng)的周期壽命和總壽命、更高的峰值功率額定值、針對(duì)更高的熱失控電阻而實(shí)現(xiàn)的更高安全性、以及更小的環(huán)境影響。與基于鈷的鋰離子/聚合物電池比較，LiFePO4 的缺點(diǎn)包括較低的能量密度 (容量) 以及如果新電池太早“深度循環(huán)”，易于永久失效。

設(shè)計(jì)問題

一般情況下，從太陽能電池板抽取峰值功率或者非常昂貴 (因?yàn)槭褂锰柲茈姵胤€(wěn)壓器模塊) ，或者難以實(shí)現(xiàn)，一般需要利用微控制器和大量分立組件的復(fù)雜電路。這些全含式、最大峰值功率跟蹤 (MPPT) 模塊傳統(tǒng)上以大型電池板電源應(yīng)用為目標(biāo)，例如住宅或商務(wù)大樓，但是，隨著所發(fā)現(xiàn)太陽能電源的用途越來越多，市場(chǎng)應(yīng)用情況正在改變。

對(duì)于給定數(shù)量的光能來說，太陽能電池板有某一個(gè)輸出電壓，在這個(gè)輸出電壓時(shí)，產(chǎn)生峰值輸出功率。電池板內(nèi)部的旁路二極管可能產(chǎn)生復(fù)雜的功率與電流特性，當(dāng)電池板上有部分光線被遮住時(shí)，這類特性不容易優(yōu)化。不過，目前市場(chǎng)上幾乎所有規(guī)定最大輸出功率低于 25W~30W 的 12V 系統(tǒng)太陽能電池板都是由簡(jiǎn)單的串聯(lián)電池配置構(gòu)成的，沒有旁路二極管。這種類型的配置產(chǎn)生位于窄的電池板輸出電壓頻帶內(nèi)的峰值輸出功率，而不管光照條件。視電池板特性的不同，峰值功率可能從 12.5V 至 18.5V 的電池板電壓產(chǎn)生。

磷酸鐵鋰電池可能不可用標(biāo)準(zhǔn)鋰離子/聚合物電池充電器充電，考慮到這類電池 3.6V 的較低浮置電壓特性，如果沒有正確充電，可能導(dǎo)致對(duì)電池不可修復(fù)的損壞。準(zhǔn)確的浮置電壓充電將延長(zhǎng)電池壽命。充電預(yù)查驗(yàn) (涓流充電) 還有助于避免損壞電池，尤其是在深度放電時(shí)。

目前缺乏具內(nèi)置充電終止功能 (以 >20V 的高壓工作) 的太陽能供電單片 (內(nèi)置電源電路) 電池充電器 IC 解決方案。有一些暫時(shí)的解決方案可以完成這個(gè)任務(wù)，尤其是獲得太陽能的能力。不過，這些解決方案大且復(fù)雜，需要很多外部組件，并占用寶貴的 PCB 面積。

總結(jié)一下關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問題：

·利用目前的解決方案從太陽能電池板抽取峰值功率或者非常笨重，或者非常昂貴

·缺乏具內(nèi)置充電終止功能 (以 >20V 的高壓工作) 的太陽能供電單片電池充電器 IC 解決方案

·磷酸鐵鋰電池有較低浮置電壓的特殊充電需求，但是與鋰離子/聚合物電池相比有一些優(yōu)點(diǎn)

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

任何要滿足上面討論的設(shè)計(jì)限制條件的解決方案都必須是緊湊、高壓和單片的，是一個(gè)能夠用內(nèi)置充電終止功能應(yīng)對(duì)太陽能電源輸入電壓變化和多種電池化學(xué)組成的解決方案。這樣的器件將成為提高全球能量獲取與保存應(yīng)用安裝量的促進(jìn)因素。

太陽能電源能力和多種化學(xué)組成電池的運(yùn)行

LT3652 IC 是以凌力爾特公司受歡迎和具強(qiáng)大實(shí)力的 LT3650 系列為基礎(chǔ)而開發(fā)的。它是一個(gè)創(chuàng)新、具太陽能電源跟蹤功能、單片降壓型電池充電器 IC，用于新式電池化學(xué)組成。該器件運(yùn)用了一種創(chuàng)新的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，該環(huán)路負(fù)責(zé)控制充電電流，以將輸入電壓保持在編程設(shè)定的電平上。當(dāng) LT3652 由單塊太陽能電池板供電時(shí)，輸入調(diào)節(jié)環(huán)路強(qiáng)制電池板以峰值輸出功率運(yùn)行。這個(gè)獨(dú)特的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路電路系統(tǒng)提供了與更復(fù)雜和更昂貴的 MPPT 方法幾乎同樣的輸出功率。

LT3652 接受 4.95V 至 32V 的寬范圍輸入，具 40V 絕對(duì)最大額定值，以增加系統(tǒng)裕度。它能夠給多種電池組配置充電，包括單節(jié)至三節(jié)串聯(lián)鋰離子/聚合物電池、單節(jié)至四節(jié)串聯(lián)磷酸鐵鋰電池、12V 密封鉛酸 (SLA) 電池、以及高達(dá) 14.4V 的電池。參見圖 1，以獲取詳細(xì)信息。

圖 1：LT3652 的典型應(yīng)用電路

SOLAR PANEL INPUT：太陽能電池板輸入
OC VOLTAGE：開路電壓
2-CELL LiFePO4 (2 X 3.6V) BATTERY PACK：兩節(jié)磷酸鐵鋰 (2 x 3.6V) 電池組
SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負(fù)載

LT3652 的充電電流可設(shè)置為高達(dá) 2A。這款獨(dú)立型電池充電器無需使用外部微控制器，并具有用戶可選的充電終止功能，包括 C/10 或一個(gè)內(nèi)置定時(shí)器。該器件的 1MHz 固定開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)了小巧的解決方案外形尺寸。浮置電壓反饋準(zhǔn)確度規(guī)定為 ±0.5%，充電電流準(zhǔn)確度為 ±5%，而 C/10 檢測(cè)準(zhǔn)確度為 ±2.5%。一旦充電操作終止，LT3652 就自動(dòng)進(jìn)入一種低電流待機(jī)模式，該模式把輸入電源電流減小至 85uA。在停機(jī)模式中，輸入偏置電流減小至 15uA。在所有非充電周期，通過從電池泄漏 1uA 的電流，LT3652 最大限度地延長(zhǎng)了電池壽命。對(duì)于自主型充電控制，如果電池電壓降至編程設(shè)定的浮置電壓以下達(dá) 2.5% 時(shí)，自動(dòng)再充電功能就起動(dòng)一個(gè)新的充電周期。其它安全相關(guān)的功能包括低電池電量預(yù)查驗(yàn)、熱敏電阻輸入以用于溫度合格的充電、壞電池檢測(cè)和二進(jìn)制編碼狀態(tài)輸出引腳。LT3652 采用扁平 (0.75mm) 12 引腳 3mm x 3mm DFN 封裝，在 -40°C 至 125°C 的結(jié)溫范圍內(nèi)工作有保證。

創(chuàng)新且簡(jiǎn)單的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路

LT3652 的輸入電壓調(diào)節(jié)控制環(huán)路方法與昂貴的 MPPT 方法相比是非常有優(yōu)勢(shì)，提供了幾乎同樣的性能。輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路：

? 從太陽能電池板抽取最大可獲得的功率

? 如果電池板輸出電壓降至編程設(shè)定的電平以下，就降低充電電流

? 對(duì)于所使用的特定太陽能電池板，保持電池板處在對(duì)應(yīng)于峰值輸出功率點(diǎn)的輸出電壓上

? 通過一個(gè)電阻分壓器設(shè)定想要的特定峰值功率電壓

對(duì)于圖 2 的應(yīng)用電路，圖 2 顯示作為輸入電壓函數(shù)的最大充電器電流，同時(shí)顯示在電池板電壓下降時(shí)，該器件如何降低輸出電流。

圖 2：LT3652 輸入電壓調(diào)節(jié)

CHARGER OUTPUT CURRENT：充電器輸出電流

電壓監(jiān)視器引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)最小工作電壓的設(shè)置。從 VIN 到 VIN_REG 引腳連接一個(gè)電阻分壓器，可實(shí)現(xiàn)最小輸入電源電壓的設(shè)置，這種方法一般用來為太陽能電池板設(shè)置峰值功率電壓。當(dāng) VIN_REG 引腳低于 2.7V 的穩(wěn)壓門限時(shí)，降低最大充電電流。

如果輸入電源不能提供足夠的功率來滿足 LT3652 充電器的需求，那么電源電壓將崩潰。因此，最低工作電源電壓可以通過用一個(gè)電阻分壓器監(jiān)視該電源來設(shè)置，以使想要的最低電壓對(duì)應(yīng)于 VIN_REG 引腳的 2.7V。LT3652 伺服最大輸出充電電流，以保持 VIN_REG 引腳上的電壓等于或高于 2.7V。通過如圖 3 所示的那樣連接一個(gè)電阻分壓器，可以完成對(duì)想要的最低電壓的設(shè)置。對(duì)于想要的最低電壓 (VIN(MIN)) ，RIN1/RIN2 之比為：

RIN1/RIN2 = (VIN (MIN)/2.7) – 1

如果不使用電壓調(diào)節(jié)功能，那么 VIN_REG 引腳可以連接到 VIN。

圖 3：用電阻分壓器設(shè)置最低 VIN

INPUT SUPPLY：輸入電源

MPPT 溫度補(bǔ)償

一個(gè)典型的太陽能電池板由很多串聯(lián)連接的電池組成，每節(jié)電池都是一個(gè)正向偏置的 p-n 節(jié)。因此，單節(jié)太陽能電池的開路電壓 (VOC) 具有與普通 p-n 節(jié)二極管類似的溫度系數(shù)，或溫度系數(shù)約為 -2mV/°C。一個(gè)晶體太陽能電池板的峰值功率點(diǎn)電壓 (VMP) 可以近似為一個(gè)低于 VOC 的固定電壓，因此這個(gè)峰值功率點(diǎn)溫度系數(shù)類似于 VOC 的溫度系數(shù)。電池板制造商一般為 VOC、VMP 和 VOC 的溫度系數(shù)規(guī)定 25oC 的值，以此簡(jiǎn)單地決定一個(gè)典型電池板 VMP 的溫度系數(shù)。LT3652 利用一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)來設(shè)定 VIN 輸入穩(wěn)定電壓。網(wǎng)絡(luò)控制有助于為一個(gè) MPPT 應(yīng)用高效率地實(shí)現(xiàn)各種不同的溫度補(bǔ)償方案。

結(jié)論

太陽能電源已經(jīng)從“時(shí)髦”變成了實(shí)用。諸如住宅和商用大樓等最初的應(yīng)用需要大型電池板，而現(xiàn)在正改變?yōu)檩^小、不依靠電網(wǎng)的單塊電池板應(yīng)用，這些應(yīng)用面積不到 4 平方英尺，提供 25W~30W 的功率，較低功率的電池板外形尺寸甚至更小。高端消費(fèi)類、汽車、工業(yè)、路邊、海洋和軍事領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了需要這類單塊電池板太陽能電源的便攜式和非便攜式應(yīng)用。LT3652 在電池充電器領(lǐng)域滿足了尚未滿足的需求。它是一個(gè)單片 IC，為從太陽能電池板抽取峰值功率提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、創(chuàng)新的輸入電壓控制環(huán)路，具有給多種化學(xué)組成充電的能力，包括磷酸鐵鋰、鋰離子/聚合物和密封鉛酸電池。充電效率類似于可替代和昂貴的 MPPT 方法。該器件還具有快速 2A 充電能力、內(nèi)置充電終止功能、高壓工作、并可組成一個(gè)緊湊而簡(jiǎn)單的解決方案。