太陽(yáng)能移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏克儉，聶 劍

（1.公安部第一研究所 北京 100048；2.海爾廣科數(shù)字技術(shù)有限公司 北京 100086）

太陽(yáng)能移動(dòng)電源的出現(xiàn)不僅解決了數(shù)碼產(chǎn)品的電池續(xù)航時(shí)間問(wèn)題，而且綠色節(jié)能環(huán)保，日益受到人們的重視。目前市面上的太陽(yáng)能移動(dòng)電源產(chǎn)品，質(zhì)量參差不齊，轉(zhuǎn)換效率普遍較低。造成效率低的原因主要有兩個(gè)方面：首先是太陽(yáng)能電池板的效率較低、多數(shù)移動(dòng)電源產(chǎn)品沒(méi)有最大功率跟蹤功能；其次是二次轉(zhuǎn)換電路的效率較低。本文設(shè)計(jì)了基于最大功率跟蹤功能的太陽(yáng)能移動(dòng)電源，并通過(guò)對(duì)二次轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高二次轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能移動(dòng)電源整機(jī)效率的提升。

1 太陽(yáng)能移動(dòng)電源現(xiàn)狀

1.1 太陽(yáng)能電池板的現(xiàn)狀

目前市面上大多數(shù)的太陽(yáng)能電池板為多晶硅材質(zhì)，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到14%～18%，太陽(yáng)能發(fā)電站、偏遠(yuǎn)山區(qū)家用供電普遍使用多晶硅電池板，并且基本都實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤功能，但是這種電池板體積大，不便于攜帶[1-2]。后來(lái)出現(xiàn)了柔性太陽(yáng)能電池板，代表廠家有 Uni-solar、Global solar，這種電池板弱光性能優(yōu)于多晶硅電池板，而且重量輕、可彎曲，適合在移動(dòng)太陽(yáng)能電源中使用，其主要缺點(diǎn)是效率較低，一般為7%～10%。

1.2 太陽(yáng)能電池板的特性

太陽(yáng)能電池板在最大功率點(diǎn)工作時(shí)，可提供峰值輸出功率，最大功率點(diǎn)與太陽(yáng)光的強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等多種因素相關(guān)，目前還沒(méi)有一種模型能夠包括所有因素，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤[3]。在所有的最大功率點(diǎn)跟蹤方法中，間歇掃描法，周期性對(duì)太陽(yáng)能電池的功率進(jìn)行掃描，找出最大功率點(diǎn)。這種發(fā)法增加的電路功耗很小，成本相對(duì)較低，算法簡(jiǎn)單，適合在可間隙供電的系統(tǒng)中使用。

1.3 太陽(yáng)能移動(dòng)電源方案比較

目前太陽(yáng)能移動(dòng)電源的方案主要有兩種：一種是僅由太陽(yáng)能電池板與相應(yīng)的穩(wěn)壓電路組成，成本低、電路簡(jiǎn)單，但是不能儲(chǔ)能，在無(wú)陽(yáng)光時(shí)，將會(huì)斷電；另一種由太陽(yáng)能電池板、穩(wěn)壓電路和移動(dòng)蓄電池組成，這種方案具有儲(chǔ)能功能，在無(wú)陽(yáng)光時(shí)，還能維持供電，但是電路較復(fù)雜、成本高。這兩種方案有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，都沒(méi)有最大功率跟蹤，不能充分利用太陽(yáng)能電池板的能效。目前對(duì)這種小功率太陽(yáng)能電池板進(jìn)行最大功率跟蹤的專用芯片很少[4]。

2 設(shè)計(jì)方案

圖1為太陽(yáng)能移動(dòng)電源系統(tǒng)框圖，主要由太陽(yáng)能電池板、最大功率跟蹤單元、充電管理單元、控制單元、電池保護(hù)單元、鋰電池組以及輸出單元組成。本設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能單元采用3.7 V鋰電池組，為了增加使用靈活性，本設(shè)計(jì)兼容市面普通的5 V充電器，在有市電情況下，可以用普通的5 V充電器進(jìn)行充電。

圖1 太陽(yáng)能移動(dòng)電源系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of Solarmobile power supply

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 太陽(yáng)能電池板的選型

采用Uni-solar公司的PVL68柔性太陽(yáng)能電池板，它重量輕、適合移動(dòng)電源使用。PVL68的標(biāo)稱功率為1W，開(kāi)路電壓為2 V，本設(shè)計(jì)用6個(gè)電池板串聯(lián)，則太陽(yáng)能電池組最大輸出電壓為12 V，輸出功率為6W。PVL68在不同光照條件的伏安特性如圖2所示（溫度25℃）。

圖2 伏安特性曲線Fig.2 Voltage current characteristics curve

在標(biāo)稱條件下（光照強(qiáng)度1 000W/m2，25℃），PVL68的短路電流是5.1 A，開(kāi)路電壓是23.1V，最大功率點(diǎn)的電壓和電流分別是16.5 V和 4.13 A，最大功率是68W。在非標(biāo)稱條件下（光照強(qiáng)度 800W/m2，46℃），短路電流是 4.1 A，開(kāi)路電壓是21.1 V，最大功率點(diǎn)的電壓和電流分別是15.4 V和3.42 A，最大功率是53W。從伏安特性及參數(shù)可以得出以下結(jié)論：PVL68在光照一定的情況下，不同的輸出電壓，對(duì)應(yīng)的輸出功率不同，存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)；在不同光照條件下，對(duì)應(yīng)最大輸出功率的電壓也不同；溫度對(duì)最大輸出功率有一定的影響。因此，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能，對(duì)充分利用太陽(yáng)能電池發(fā)電性能會(huì)有較大的影響。

3.2 最大功率跟蹤單元

本設(shè)計(jì)采用間歇掃描法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板的最大功率跟蹤，即周期性的對(duì)太陽(yáng)能電池板的最大功率進(jìn)行掃描。掃描單元由一個(gè)恒流負(fù)載實(shí)現(xiàn)，控制單元控制其電流的大小，同時(shí)控制單元采集電池板的輸出電壓，計(jì)算出最大功率點(diǎn)，作為后續(xù)電池管理單元的部分參數(shù)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，采用本方法進(jìn)行最大功率跟蹤能使太陽(yáng)能電池的輸出功率增加約15%。

3.3 控制單元

控制單元CPU采用Microchip公司的PIC16F877單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部集成有ADC與DAC，可以簡(jiǎn)化控制單元的設(shè)計(jì)。控制單元主要實(shí)現(xiàn)以下功能：外部5V充電器檢測(cè)；太陽(yáng)能電池板最大功率掃描；太陽(yáng)能電池板輸出電壓采集；鋰電池組的充電管理；鋰電池組電壓檢測(cè)；輸出單元Boost電路輸入電流的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)鋰電池邊充邊放的功能。

3.4 充電管理單元

為了提高充電效率，充電管理單元采用普通開(kāi)關(guān)型DCDC轉(zhuǎn)換器與控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而沒(méi)有采用充電管理芯片。鋰電池充電曲線要求在不同電壓階段，充電電流不同，本設(shè)計(jì)采用電流反饋環(huán)來(lái)進(jìn)行充電電流的設(shè)置，電流的設(shè)置通過(guò)控制單元實(shí)現(xiàn)。DC-DC轉(zhuǎn)換器選用TI公司TPS62140A，該芯片采用Buck電路模式，輸入電壓范圍是3～17 V，輸出能達(dá)到2A，內(nèi)部集成高、低邊的MOSFET，在9 V輸入，3.3 V、1 A輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到90%以上[5]。

外部電流反饋，使用電阻進(jìn)行電流采樣，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后與參考進(jìn)行比較，作用于電壓反饋回路，達(dá)到控制充電電流目的?？刂茊卧鶕?jù)鋰電池充電曲線，通過(guò)控制電流環(huán)路，調(diào)整充電電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電流環(huán)的反饋增益對(duì)環(huán)路的穩(wěn)定性有影響，需詳細(xì)優(yōu)化。

3.5 鋰電池保護(hù)單元

保護(hù)電路原理見(jiàn)圖3。采用Mitsumi公司的MM3280J04芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的過(guò)放、過(guò)充、短路、過(guò)熱保護(hù)功能[6]。該芯片的過(guò)充鎖定電壓是4.275 V，過(guò)充釋放電壓是4.215 V，充電過(guò)流電壓是0.1 V；過(guò)放鎖定電壓是3.0V，過(guò)放釋放電壓是3.2 V，放電過(guò)流電壓是0.15 V。其中MOSFET選用SSF2816E，其為一對(duì)N溝道增強(qiáng)型MOSFET，漏極相連，最大工作電壓電流分別為20 V、4 A，當(dāng)VGS為2.5 V時(shí)導(dǎo)通電阻為45mΩ，熱阻為100℃/W。

圖3 鋰電池保護(hù)電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of lithium battery protection circuit

因?yàn)樘?yáng)能電板的標(biāo)稱功率為6W，假設(shè)充電電路效率為90%，則充電單元提供的最大功率為5.4W，假設(shè)電池3.4 V進(jìn)入恒流充電，則最大電流為1.76 A左右，芯片的充電限制電流設(shè)置2.5 A左右即可。MM3280J04的充電過(guò)流電壓為0.1 V，則采樣電阻為40mΩ即可。本設(shè)計(jì)的輸出額定參數(shù)為5 V、2 A，最大功率為10W，假設(shè)輸出Boost電路的效率為90%，則電池輸出最大功率為11.2W，由于MM3280J04的關(guān)斷電壓門限為3 V，則放電電流最大為3.74 A，SSF2816E的最大電流4 A，按照50%降額，因此需要用兩個(gè)SSF2816E并聯(lián)使用，同時(shí)滿足采樣電阻的需求。最大放電電流時(shí)MOSFET的壓降為 168.3mV（3.7 4V*45 mΩ），已超過(guò) 0.15 V的放電門限電壓。但實(shí)際上SSF2816E的導(dǎo)通電阻小于45 mΩ，最低VGS電壓為3 V（即電池過(guò)放關(guān)斷電壓），假設(shè)電阻為45mΩ，則總的耗散功率為630 mW，每個(gè) SSF2816E的耗散功率為315mW，其熱阻為100℃/W，其溫升為31.5℃，實(shí)際導(dǎo)通電阻小于45 mΩ，取40 mΩ，則導(dǎo)通電阻壓降為149.6mV，已臨界放電過(guò)流電壓，實(shí)際應(yīng)用中可以忽略。

3.6 輸出單元

輸出電路原理見(jiàn)圖4，采用Boost電路實(shí)現(xiàn)，選用TI公司的TPS61032PWP芯片實(shí)現(xiàn)5 V輸出。該芯片在輸入3.2 V，輸出5 V、2 A時(shí)，效率達(dá)到88%以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 輸出電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of output circuit

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。微處理器監(jiān)控電池電壓、控制電池的充電狀態(tài)和放電電路的開(kāi)啟。主程序在沒(méi)有充放電操作時(shí)處于休眠狀態(tài)，這樣可以減小移動(dòng)電源的自身?yè)p耗。通過(guò)外部按鍵產(chǎn)生電平變化中斷來(lái)喚醒移動(dòng)電源。

5 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

利用控制單元實(shí)現(xiàn)以下關(guān)鍵功能：

1）利用間歇掃描法，進(jìn)行太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤，使其始終工作在最大功率點(diǎn)，改善太陽(yáng)能電池的利用效率。

2）利用控制單元進(jìn)行鋰電池充電管理，滿足鋰電池的充電曲線，最大限度的保護(hù)電池。

3）實(shí)現(xiàn)鋰電池組的邊充邊放功能，控制單元檢測(cè)Boost輸入電流，然后調(diào)整鋰電池的充電電流。此功能充分利用太陽(yáng)能電池板的作用，特別是在鋰電池已充滿時(shí)，可以直接給外部設(shè)備進(jìn)行供電。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flow chart of the software design

6 結(jié)束語(yǔ)

小功率太陽(yáng)能設(shè)備在日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越多，本文設(shè)計(jì)的基于最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的太陽(yáng)能移動(dòng)電源可靠性和轉(zhuǎn)換效率高、成本低，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]錢伯章.太陽(yáng)能技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

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[3]楊帆，彭宏偉，胡為兵，等.太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)探討[J].電子器件，2008，31（4）:1081-1084.YANG Fan，PENG Hong-wei，HUWei-bing，etal.Study technology ofmaximum power point tracker on the solar cell[J].Electron Devices，2008，31（4）:1081-1084.

[4]劉陽(yáng)，胡芃，張謙.基于LT3652的太陽(yáng)能充電器設(shè)計(jì)方法[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（17）:167-170.LIU Yang，HU Peng，ZHANG Qian.Asolar charger design method based on LT3652[J].Electronic Design Engineering，2011，19（17）:167-170.

[5]辛伊波，陳文清.開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].2版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

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