基于SPCE061的MPPT太陽能鋰電池充電器設計

　　摘要： 太陽能電池輸出曲線具有非線性的特點， 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)學模型分析基礎上， 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。同時通過BUCK電路與SPCE061 單片機對充電過程進行監(jiān)控， 采用三段式算法保證鋰電池性能， 提高其壽命。最后通過實驗數(shù)據(jù)對比驗證了該方案的實用性和有效性。

　　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， 其最大功率受負載影響。而鋰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， 并且對鋰電池的充電過程進行控制， 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、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(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(zhuǎn)換器） 并內(nèi)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

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　在BUCK 上， 存在U_arrD= U_bat 的關系。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， 當取最大功率點時， dP _arr / dU_arr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可知：

　　因此， 關于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 變換器連接至鋰電池兩端的輸出電壓短時間內(nèi)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(diào)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產(chǎn)生的功率小于系統(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)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充電器實驗數(shù)據(jù)對比

　　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(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。