基于SPCE061的MPPT太陽能鋰電池充電器設(shè)計(jì)

　　摘要： 太陽能電池輸出曲線具有非線性的特點(diǎn)， 傳統(tǒng)太陽能充電器對太陽能電池的利用效率低。文章在經(jīng)過數(shù)學(xué)模型分析基礎(chǔ)上， 提出采用改變占空比使充電電流最大的MPPT 跟蹤策略， 大幅提高太陽能電池利用率。同時(shí)通過BUCK電路與SPCE061 單片機(jī)對充電過程進(jìn)行監(jiān)控， 采用三段式算法保證鋰電池性能， 提高其壽命。最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了該方案的實(shí)用性和有效性。

　　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(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(gè)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(diǎn)， 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(diǎn)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(huì)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(diǎn)。

　　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(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(jì)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(dòng)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?yàn)镾PCE061 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

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在BUCK 上， 存在U_arrD= U_bat 的關(guān)系。由此可知：

　　式中， U_bat 為電池兩端電壓； D 為占空比； U_arr 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(dāng)取最大功率點(diǎn)時(shí)， dP _arr / dU_arr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可知：

　　因此， 關(guān)于P/ D 的曲線為凸函數(shù)， 且當(dāng)P 取最大值時(shí)有唯一D 值與之對應(yīng)。

　　由于DC/ DC 變換器連接至鋰電池兩端的輸出電壓短時(shí)間內(nèi)變化不大， 在短時(shí)間可認(rèn)為恒定。因此， 該設(shè)計(jì)的最大功率點(diǎn)跟蹤可簡化為通過PWM 調(diào)整電流至最大值， 即認(rèn)為太陽能電池的輸出功率達(dá)到最大。

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

　　當(dāng)光照強(qiáng)度降低， 程序判斷太陽能電池產(chǎn)生的功率小于系統(tǒng)自身開銷時(shí)， 進(jìn)入休眠模式。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)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)對比如表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15 W,開路電壓17. 4 V; 鋰電池組采用4 串聯(lián)18650 型鋰電池， 充電截止電壓16. 8 V, 電池組容量10. 4 Ah。

表1 傳統(tǒng)充電器與MPPT充電器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 傳統(tǒng)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(jī)實(shí)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(qiáng)度大幅下降到低于系統(tǒng)開銷的情況下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)休眠。通過改進(jìn)算法， 設(shè)置更為精確的參數(shù)， 可以使充電效率進(jìn)一步提高。