針對(duì)鋰電池的太陽能充電器的設(shè)計(jì)*

李曉帆

（湖南懷化學(xué)院 物信系，湖南 懷化418008）

太陽能是一種便捷、環(huán)保、可再生的新能源。太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換成電能，其等效電路如圖1所示。

太陽能電池輸出電壓電流I-V方程為[1]：

其中I為PN結(jié)的電流，I0為反向飽和電流，V為外加電壓，q為電子電荷(1.6×10-19C)，K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)，T為絕對(duì)溫度，A為二極管因子（取值范圍 1～5）。

太陽能電池電壓電流為非線性的，日照條件不變的情況下，太陽能電池輸出存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，即在該點(diǎn)輸出電壓和輸出電流下，能夠?qū)⑻柲茏畲蟪潭鹊剞D(zhuǎn)化為充電電能。目前所采用的方法是在太陽能電池陣列和負(fù)載之間增加一個(gè)DC-DC變換器，通過改變DC-DC變換器中功率開關(guān)管的導(dǎo)通率，使太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)（MPPT），實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

本設(shè)計(jì)從充分利用太陽能的轉(zhuǎn)換能量角度，選用SPV1040 DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，跟蹤最大功率點(diǎn)，提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率；考慮到太陽能電池輸出電壓的變化范圍以及鋰電池的充電安全和充電器的自身工作狀況，選用L6924D電源管理芯片，設(shè)計(jì)出以SPV1040和L6924D為主要芯片的太陽能鋰電池充電器。

1 芯片介紹

1.1 SPV1040的結(jié)構(gòu)與工作原理

SPV1040是ST公司生產(chǎn)的太陽能充電器 IC[2]，內(nèi)置采用擾動(dòng)觀察法（Perturb&Observe algorithm）的 MPPT算法，可動(dòng)態(tài)調(diào)整充電器的輸入阻抗，確保充電器輸入阻抗與太陽能電池完全匹配，最大限度地提高從充電器到電池的能量輸送效率和系統(tǒng)的整體能效。溫度、老化、灰塵等引起太陽能電池變化所造成的不匹配問題，都可通過MPPT技術(shù)加以解決，從而提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

SPV1040內(nèi)置MPP模塊實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。SPV1040內(nèi)部通過模擬模塊產(chǎn)生輸入?yún)⒖茧妷篤in_ref和VBG，對(duì)超低輸入電壓、輸出過流、結(jié)溫過高和輸入反極性輸入進(jìn)行管理。

1.2 L6924D的結(jié)構(gòu)和工作原理

L6924D是集成功率開關(guān)的鋰電池充電芯片[3]，內(nèi)部產(chǎn)生 1.8 V參考電壓，通過電阻分壓，將溫度變化傳遞到輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的監(jiān)視；考慮到不同廠家鋰電池輸出電壓的不同，可通過VOPRG端的設(shè)置，懸空時(shí)輸出 4.2 V，接地時(shí)輸出為4.1 V；可通過SD端設(shè)置芯片的工作狀態(tài)；通過VIN-SNS和 VOSNS端監(jiān)視輸入電壓、輸出電壓；在L6924D內(nèi)部集成兩個(gè)晶體管，通過集電極與ST1、ST2可驅(qū)動(dòng)LED或與主機(jī)連接，顯示充電器狀態(tài)。通過LED顯示狀態(tài)情況如表 1所示[4-5]。

表1 用LED顯示的充電器狀態(tài)

2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范(GB/T 18287-2000)，充電過程經(jīng)歷預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電[6]。恒壓充電的電壓為充電限制電壓。對(duì)于鋰離子電池充電，需進(jìn)行過充電保護(hù)、過電流保護(hù)和短路保護(hù)。

針對(duì)鋰電池的太陽能充電器設(shè)計(jì)電路包括太陽能電池板升壓電路和鋰電池充電管理電路。太陽能電池板升壓電路如圖2所示。鋰電池充電管理電路如圖3所示。

2.1 參數(shù)選擇

2.1.1限制電壓設(shè)置

通過對(duì)VOPRG端的連接，設(shè)置輸出電壓。VOPRG懸空，輸出為4.1 V，VOPRG接地，輸出電壓為4.2 V。

2.1.2恒流充電電流的設(shè)置

在IPRG端與GND之間加入電阻RPRG(即圖 3中 R13)，設(shè)置 RPRG可改變恒流充電電流值 ICHG，其大小由式（2）決定。

其中 KPRG=9 500，VBG=1.23 V。

2.1.3預(yù)充電電流的設(shè)置和預(yù)充電結(jié)束電壓

VPRE端懸空，預(yù)充電電壓取默認(rèn)值2.8 V。VPRE通過電阻RPRE接地，改變電阻RPRE值，改變預(yù)充電結(jié)束電壓值。RPRE值由式（3）決定。

其中VPRETHdefault=2.8 V。

默認(rèn)預(yù)充電電流為恒流充電電流的10%，在IPRE和地或參考電壓VREF間加入電阻，可設(shè)置預(yù)充電電流值。IPRE與地之間加入電阻，預(yù)充電電流值較默認(rèn)值高。接入電阻RPRE由式（4）決定。

IPRE與參考電壓VREF間加入電阻，預(yù)充電電流值較默認(rèn)值低。接入電阻 RPRE由式（5）決定。

其中 VREF=1.8 V，KPRE=950，VBG=1.23 V。

2.1.4充電結(jié)束電流的設(shè)置

恒壓充電電流逐漸減少到IENDTH時(shí)可認(rèn)為充電結(jié)束。IENDTH可通過在IEND端接入電阻 REND，與 GND相連。REND的阻值由式（6）決定。

其中 VMIN為 50 mV，KEND為常數(shù) 1 050。

2.2 測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)太陽能電池板使用2片5 V/250 mA單晶超薄硅板，鋰電池規(guī)格為 3.7 V/1 200 mAh、充電限制電壓為4.2 V的手機(jī)鋰電池?？紤]手機(jī)鋰電池充電時(shí)間和充電方式，設(shè)置預(yù)充電電流IPRECH=80 mA，預(yù)充電結(jié)束電壓VPRETH=2.8 V，恒流充電電流ICHG=480 mA，結(jié)束電流為IENDTH=15 mA，恒壓充電電壓為4.2 V。

設(shè)太陽能電池的輸出端即SPV1040的輸入端電壓為 VIN,SPV1040的輸出端電壓為VOUT，充電電壓為 VBAT，鋰電池初始充電電壓為2.30 V，測試結(jié)果如表2所示。可見充電273 min后STI燈滅ST2亮，充電結(jié)束。

本設(shè)計(jì)對(duì)容量為1 200 mAh的手機(jī)鋰電池充電，陽光充足，充電時(shí)間為4 h，基本滿足對(duì)鋰電池的充電要求。

表2 SPV1040輸入輸出電壓測試

針對(duì)鋰電池的太陽能充電器通過SPV1040內(nèi)置MPPT算法，將太陽能電池板能量盡量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄞD(zhuǎn)化效率達(dá)95%），經(jīng)過對(duì)L6924D外圍電路選擇，設(shè)置充電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電管理和對(duì)充電電池的保護(hù)。

[1]趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

[2]SPV1040：high efficiency solar battery charger with embedded MPPT[DB/OL].(2011-04-06)[2011-08-18].http：//www.st.com/internet/analog/product/251161.jsp.

[3]L6924D：battery charger system with integrated power switch for Li-Ion/Li-Polymer[DB/OL].(2010-09-22)[2011-08-18].http://www.st.com/internet/analog/product/103931.jsp.

[4]NOGUCHI T，TOGASHI S，NAKAMOTO R.Short-Current-Pulse based adaptive maximum-power-point tracking for photovoltaic power generation system[J].IEEE Transaetions on Industrial Electronics，1997，44(6)：769-773.

[5]ARAB A H，DRISS B A，AMIMEUR R，et al.Photovoltaic systems sizing for algeria[J].Solar Energy，1995，54(2)：99-104.

[6]GB/T 18287-2000.蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.