太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能的(de)(de)(de)綠色與(yu)可(ke)再生特性(xing)， 使其在低(di)碳和能源(yuan)緊缺的(de)(de)(de)今日備受關注。鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)因比(bi)能量高、自放電(dian)(dian)(dian)低(di)的(de)(de)(de)特性(xing)， 逐漸取代鉛(qian)酸電(dian)(dian)(dian)池(chi)成為主流。由目前(qian)常用(yong)的(de)(de)(de)太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)輸出特性(xing)可(ke)知(zhi)， 太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)在一定的(de)(de)(de)光照度和溫度下， 既(ji)非恒(heng)流源(yuan)， 亦非恒(heng)壓源(yuan)， 其最大功率受負載影(ying)響。而鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)可(ke)看作一個小負載電(dian)(dian)(dian)壓源(yuan)。如不加控制(zhi)直接將二者(zhe)連接， 則將太(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)工(gong)作電(dian)(dian)(dian)壓箝位于鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)工(gong)作電(dian)(dian)(dian)壓， 無法高效利用(yong)能源(yuan)。

　　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(lv)點跟(gen)蹤技術原理（ Maximum Power Point Tracking 簡(jian)稱(cheng)MPPT）

　　太(tai)陽能電池有著非(fei)線性的(de)光伏特(te)性， 所以即使在同一光照強度下， 由于負載的(de)不同也會輸出不同的(de)功(gong)率。

　　其電(dian)壓、電(dian)流(liu)與(yu)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(lu)電(dian)流(liu)i sc 與(yu)開(kai)路(lu)電(dian)壓uoc 由(you)生產商給出， Pmpp為該(gai)條件下的最(zui)大功率點。

　　由(you)于太陽能(neng)電(dian)池受(shou)到光強、光線入射角度、溫度等多(duo)種(zhong)因(yin)素的影(ying)響， 最大功率(lv)相(xiang)應(ying)改(gai)變， 對(dui)應(ying)最大功率(lv)點的輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓、輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)流和(he)內阻也在不停變化(hua)。因(yin)此， 需要使(shi)用基于PWM 的可(ke)調DC/ DC 變換器， 使(shi)負載相(xiang)應(ying)改(gai)變， 才能(neng)使(shi)太陽能(neng)電(dian)池工作在最大功率(lv)點上。

圖1 太陽能電池(chi)的典型輸出曲線

　　2   電(dian)路工作原理

　　圖2 示出太陽能充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)原理框圖。其(qi)中(zhong)微(wei)控制器(qi)采(cai)用凌(ling)陽公(gong)司生產的(de)SPCE061A 單片機(ji)， 該單片機(ji)含有7 個10 位ADC（ 模-數轉換器(qi)） 并(bing)內(nei)置了PWM 功(gong)能， 大大簡(jian)化電(dian)(dian)(dian)(dian)路復雜程度， 提高穩(wen)定性。電(dian)(dian)(dian)(dian)壓采(cai)樣電(dian)(dian)(dian)(dian)路與電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)采(cai)樣電(dian)(dian)(dian)(dian)路通過(guo)ADC 將電(dian)(dian)(dian)(dian)壓值(zhi)與電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)值(zhi)送(song)入MCU, MCU 根據(ju)MPPT 算(suan)(suan)法計算(suan)(suan)PWM 控制BU CK電(dian)(dian)(dian)(dian)路完成對(dui)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程的(de)控制。

圖2 整體充電器(qi)原理框圖

圖(tu)3 為BUCK 變(bian)換器電路。由MOSFET 管(guan)Q3、電感L1 與繼流(liu)二極(ji)(ji)管(guan)D1 構成(cheng)典型的(de)BUCK 降壓DC/ DC 變(bian)換器， Q1 和Q2 組成(cheng)MOSFET 管(guan)驅動(dong)電路， Uout 輸出至鋰電池正極(ji)(ji)。

圖(tu)3 BUCK 變換(huan)器電路

　　圖4 為(wei)電(dian)流采(cai)樣電(dian)路。Rsense 用一小(xiao)阻(zu)(zu)(zu)值(zhi)精(jing)密電(dian)阻(zu)(zu)(zu)作為(wei)采(cai)樣電(dian)阻(zu)(zu)(zu)， 通(tong)過(guo)將電(dian)阻(zu)(zu)(zu)兩端(duan)電(dian)壓使用差分放大(da)器輸送到SPCE061 的A/ D 端(duan)進(jin)(jin)行(xing)采(cai)樣。為(wei)使采(cai)樣精(jing)確， 避免電(dian)源線與地線干(gan)擾， 使用線性光(guang)耦HCNR200 進(jin)(jin)行(xing)隔(ge)離。

圖4 電流采樣電路

　　圖5 所(suo)示(shi)為電(dian)(dian)壓采(cai)樣(yang)電(dian)(dian)路(lu)。因(yin)為SPCE061 的(de)A/D 端(duan)輸(shu)入范圍為0~ 3 V, 而(er)太(tai)陽能電(dian)(dian)池的(de)輸(shu)出常常高于3 V, 因(yin)此采(cai)用反向(xiang)比例(li)放大器， 使(shi)輸(shu)入與AD 采(cai)樣(yang)范圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3   系統軟件設計

　　在(zai)BUCK 上， 存在(zai)UarrD= Ubat 的關系。由(you)此可知：

　　式中， Ubat 為電(dian)池兩端電(dian)壓； D 為占空比(bi)； Uarr 為太陽(yang)能電(dian)池兩端電(dian)壓。將式（ 1） 代(dai)入式（ 2） 可得：

　　由圖1 可知(zhi)， 當取最(zui)大功率點時， dP arr / dUarr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可知(zhi)：

　　因(yin)此， 關于P/ D 的曲線為凸(tu)函數， 且當P 取最大(da)值(zhi)時有唯一(yi)D 值(zhi)與(yu)之(zhi)對(dui)應。

　　由(you)于DC/ DC 變換(huan)器連接(jie)至鋰(li)電池兩端(duan)的(de)輸(shu)出電壓短(duan)時(shi)間(jian)內變化不大， 在短(duan)時(shi)間(jian)可認為恒定(ding)。因此， 該設計(ji)的(de)最大功率點(dian)跟蹤可簡化為通過PWM 調整電流(liu)至最大值(zhi)， 即認為太陽能電池的(de)輸(shu)出功率達到(dao)最大。

　　由鋰電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)特性可知， 為保(bao)證充電(dian)(dian)安全高(gao)效， 需(xu)采用預充、恒流、涓流的(de)三段(duan)式充電(dian)(dian)。系統通過對(dui)鋰電(dian)(dian)池兩端電(dian)(dian)壓進行檢測(ce)， 判斷充電(dian)(dian)狀態(tai)， 進而采取相應的(de)充電(dian)(dian)策略。

　　當(dang)光照強度降低(di)， 程序判斷太陽能電池(chi)產生的功(gong)率小于系統自(zi)身開銷時， 進入休眠(mian)模式。

　　4   實驗(yan)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比如表1 所(suo)示。其中(zhong)太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池采用(yong)華微公司生產的單晶太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池板， 其最大輸(shu)出功率15 W,開路電(dian)(dian)壓(ya)17. 4 V; 鋰電(dian)(dian)池組采用(yong)4 串聯18650 型鋰電(dian)(dian)池， 充(chong)電(dian)(dian)截止(zhi)電(dian)(dian)壓(ya)16. 8 V, 電(dian)(dian)池組容量10. 4 Ah。

表1 傳統充電器與MPPT充電器實驗數(shu)據對比

　　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幅提(ti)高了太陽能(neng)電(dian)池利用率， 并(bing)包含了三段式充電(dian)的(de)(de)(de)智能(neng)充電(dian)策略(lve)， 在軟件(jian)模(mo)塊(kuai)中加入了防止過充電(dian)的(de)(de)(de)安全策略(lve)， 并(bing)且在光照強度大幅下降到(dao)低(di)于系(xi)統開(kai)銷的(de)(de)(de)情況下自動實現系(xi)統休眠(mian)。通(tong)過改進算法， 設置(zhi)更為精確的(de)(de)(de)參數， 可以使充電(dian)效率進一步提(ti)高。