基于溫度自適應控制的太陽能電源管理系統(tǒng)

王玨，孫立新，李寧*

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京210000；2.江蘇省無線電科學研究所有限公司，江蘇無錫214000）

基于溫度自適應控制的太陽能電源管理系統(tǒng)

王玨1，孫立新2，李寧2*

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京210000；2.江蘇省無線電科學研究所有限公司，江蘇無錫214000）

基于LTC4121實現鋰電池的充電管理，并結合放電管理電路和溫度控制電路實現了一整套針對鋰電池的太陽能電源管理系統(tǒng)。通過試驗研究的方法對該系統(tǒng)充放電電路的充放電性能、溫度自適應功能進行驗證。研究結果表明：所研究的溫度自適應控制的太陽能電源管理系統(tǒng)具有良好的充放電性能、充電效率達到80%以上，可實現低溫環(huán)境下對鋰電池的充放電管理，具有較高的工程應用價值。

太陽能；充放電管理；溫度自適應；鋰離子電池；LTC4121

隨著物聯網技術的發(fā)展，越來越多的室外監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛應用。室外監(jiān)控系統(tǒng)一般由多個無線節(jié)點組成，此類無線節(jié)點需要具備小體積、低功耗以及全天候工作條件等特點［1］。

一個穩(wěn)定可靠的電源管理系統(tǒng)是無線節(jié)點能夠長期運行的關鍵基礎。由于鋰電池具有較高的能量密度，因此相同容量下，相比其它類型的蓄電池其占用的體積最小［2］，故而是無線節(jié)點的電池首選。但鋰電池低溫性能較差，低溫充放電過程中電池容量迅速下降［3］，故鋰電池無法滿足低溫環(huán)境下的全天候工作條件［4］。

凌力爾特公司推出的LTC4121芯片，非常適用于低功耗應用的鋰電池充電管理，在保證較高的充電轉換效率的前提下該芯片可支持400 mA的充電電流。本文基于LTC4121設計了一種針對鋰電池的具有溫度自適應控制的太陽能電源管理系統(tǒng)，可滿足常規(guī)鋰電池-20℃低溫環(huán)境應用的充電要求，該充放電系統(tǒng)適用于室外監(jiān)控系統(tǒng)中類無線節(jié)點等相關設備，具有一定通用性。

1　系統(tǒng)方案

本方案以太陽能電池為輸入，分別基于凌力爾特公司的LTC4121和如韻電子的低功耗電壓檢測芯片CN302實現鋰電池的充電和放電管理，結合LTC4121的溫度控制引腳和MOS管開關電路實現低溫環(huán)境下對鋰電池的自動加熱控制，即低溫環(huán)境下LTC4121芯片的----------

FAULT引腳輸出控制信號，驅動開關電路，控制加熱片為電池加熱。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　充電管理電路

2.1充電管理電路原理

本文采用凌特公司的充電管理芯片LTC4121對鋰電池進行充電管理，充電管理電路圖如圖2所示。

針對太陽能板輸出特性的非線性，LTC4121集成最大功率點跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking）［5-6］功能以提高充電效率，本文根據太陽能板開路電壓，配置MPPT分壓網絡；根據鋰電池的電壓和容量，設置浮充電壓和最大充電電流；根據鋰電池的溫度特性設置NTC分壓網絡。充電過程可分為預處理模式、涓流充電、恒流充電和恒壓充電4個階段，由芯片通過檢測電池電壓自動控制。芯片工作需滿足以下條件：（1）VIN＞4.4 V；（2）VIN-VBAT＞160 mV；（3）VRUN＞2.25 V；

本文以4.2V，2500mAh的常規(guī)鋰電池為充電對象并結合試驗過程進行充電電路的描述，根據鋰電池的電壓和容量，設置電路的浮充電壓為4.2 V，最大充電電流為250 mA。通常常規(guī)鋰電池在0℃下禁止充電，但小倍率充電時可將限制溫度適當下調，故試驗中設置允許電池充電的溫度范圍為-10℃～60℃。

圖2　充電管理電路

2.2MPPT分壓網絡

LTC4121集成了開路電壓比例系數法［7］，當輸入電壓與太陽能板開路電壓之比小于設定的百分比時，芯片會自動降低充電電流，確保輸入電壓可以保持在最大輸入點電壓。由于最大功率點電壓固定在某一特定值，故系統(tǒng)比較穩(wěn)定，不易出現振蕩［8］。KF/KR的值來自實際應用中太陽能板最大功率點電壓VMPPT與太陽能板開路電壓VOC的比。

其中，KF為芯片內部固定系數0.1，KR為電阻分壓網絡比例系數。一般太陽能電池的VMPPT/VOC≈0.8［9］，R1≈100 K；R2≈698 K。

2.3浮充電壓設置

LTC4121浮充電壓可調范圍為3.5 V～18.0 V。充電電路為4.2 V的鋰電池充電，故設置浮充電壓為4.2 V。浮充電壓VFLOAT與R11、R12的關系可由式（2）表示。其中VFB為2.4 V。

由于芯片內部的電壓誤差放大器上存在輸入偏置電流，因此需確保R11與R12的戴維南等效電阻為588 K。代入式（2）可得

其中，1 000 Ω代表FBG管腳內阻。按手冊推薦值，R11=1 370 kΩ，R12=1 020 kΩ［10］。

2.4充電電流設置

LTC4121充電電流可調范圍為50 mA～400 mA，通過改變R7的值可調節(jié)充電電流的大小。在恒流充電模式下，芯片將PROG引腳電壓VPROG鉗位在1.227 V。充電電流ICHG與PROG引腳電壓VPROG的關系如式（3）所示。

其中，hPROG的典型值為988，代入可得，本文所用鋰電池容量為2500 mAh，設置最大充電電流為0.1 C，RPROG取4.7 K。需注意當太陽能板輸入功率小于芯片輸出功率時，VPROG不能代表實際充電電流的大小。

2.5NTC分壓網絡

在充電過程中，LTC4121通過熱敏電阻監(jiān)測電池溫度。當電池溫度超出安全范圍時，芯片暫停充電。R13決定了溫度范圍的跨度，R14與NTC2串聯可針對不同的熱敏電阻與R13的值對溫度范圍進行調整。本試驗中設置LTC4121電池充電范圍是-10℃～60℃，故R13、R14可由式（4）計算。

2.6其他主要參數選擇

電路充電時會產生紋波電流，為減少對電池的損害，充電紋波電流ΔIL一般設置為20%～40%的充電電流由上式可知紋波電流大小受電感L1控制，通過式（5），選擇合適的電感

如式（5）所示，電感L1與充電電流ICHG成反比，因此所選擇的電感值略大于計算值即可，電感過大會限制充電電流的大小。芯片輸入端的開關電流較大，為限制VIN的波動不超過0.01 V，在IN引腳上外接電容，取C1為10 μF。

3　放電管理電路

電源放電管理由如韻電子的CN302及其外圍電路實現，電路圖由圖3所示。

圖3　放電管理電路圖

CN302是一款低功耗電壓檢測芯片，內部集成了電壓比較器，FTH管腳電壓低于CN302下行閾值時，斷開負載電路。當RTH管腳電壓高于CN302上行閾值，負載恢復工作。。根據常規(guī)鋰電池特性，當電池電壓低于3 V時，電池屬于過放狀態(tài)，故設置電池下行閾值為3 V，此時斷開負載。當電池電壓上升到3.3 V，負載恢復工作。電池上下行閾值由式（6）計算：

其中Vref為1.211 V。

4　自動加熱電路

當環(huán)境溫度下降到-10℃以下時，鋰電池的放電平臺和能量均會有明顯下降［11］，且電池充電難度大于放電［12］。為滿足低溫環(huán)境全天候工作的要求，本文設計了自動加熱電路，電路圖如圖4所示。

圖4　自動加熱電路

圖4中，VIN為太陽能電池輸入，HEAT為電池加熱片。系統(tǒng)采用2個開關電路實現溫度控制，開關電路1使用1個PMOS管Q1，并由進行驅動，開關電路2由1個NMOS管Q2和1個電壓檢測芯片CN302組成，CN302根據NTC1兩端電壓的變化通過管腳對Q2進行驅動。

本試驗中設置LTC4121電池充電范圍是-10℃～60℃，即電池在-10℃～60℃溫度范圍內引腳輸出置低，超出范圍輸出置高。

加熱過程如下：Q2在電池溫度低于-7℃時先導通，當電池溫度低于-10℃時，引腳輸出置高，Q1導通，此時，加熱片開始為電池加熱。當電池溫度上升到-4℃，Q2截止，加熱結束，電路恢復充電。

本試驗的自動加熱電路中使用了一個阻值為24 Ω的加熱片為電池加熱，VIN的輸入為6 V，故加熱片的功率約為1.5 W。

如圖4所示，電池與NTC1綁定在一起，故NTC1的阻值可實時反應電池的溫度

5　試驗結果及數據分析

試驗中采用直流電源模擬太陽能板的輸入，以電子負載作為系統(tǒng)負載，負載功率為0.1 W。輸入功率、輸出功率、負載消耗與電池狀態(tài)四者之間的關系。

表1　電池狀態(tài)

條件1下，系統(tǒng)存在涓流充電、恒流充電和恒壓充電3種充電模式，如表2所示。

表2　充電模式

條件2下，LTC4121啟動MPPT功能，輸入電壓調制在8.9 V，電路處于小電流充電狀態(tài)，充電電流恒定在80 mA，當進入恒壓狀態(tài)后，輸入功率大于輸出功率，輸入電壓恢復到12 V。

條件3下，電池持續(xù)放電，當電池電壓低于3 V時，CN302斷開負載，待電池電壓恢復到3.3 V，負載恢復工作。

當電池溫度低于-10℃時，電路停止充電，電池溫度恢復到-8℃時充電繼續(xù)；電池溫度高于65℃時，電路停止充電，電池溫度恢復到60℃時充電繼續(xù)。試驗結果表明高低溫開啟與關斷的臨界點存在一定差值，可有效避免電路振蕩。

圖5　NTC阻值

如圖5所示，電池處于-20℃環(huán)境下時，加熱功率為1.5 W的加熱片將電池溫度從-20℃加熱到-4℃需要21 min，電池溫度從-4℃自然回落到-10℃需11 min。電池充電的占空比為52.38%。1.5 W功耗的自動加熱電路能保證電池在-20℃的環(huán)境下能正常充電。在實際工程應用中，為了能夠在更低的溫度環(huán)境下實現鋰電池充電，可以選擇增加太陽能電池和加熱片的功率以換取更高的加熱效率。

實際應用過程中最大功率點電壓與所設置的值存在一定誤差，系統(tǒng)誤差主要有以下3個來源：MPPT引腳泄露、DAC量化誤差以及MPPT誤差放大器有限的誤差偏移。除此之外，分壓電阻本身存在誤差。

6　結論

試驗證明該系統(tǒng)對4.2 V的鋰電池充電時，實際充電效率可達80%以上。放電管理可避免電池深度放電，延長了電池使用壽命。系統(tǒng)集成溫度自適應控制加熱功能，可滿足低溫環(huán)境充電要求。非常適用于面向低功耗的室外監(jiān)控應用，且具有一定通用性。

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王玨（1990-），女，漢，江蘇江陰，南京信息工程大學，碩士研究生，主要研究方向為氣象探測技術、WSN無線通信，1135966447@qq.com；

孫立新（1966-），男，漢，江蘇無錫，江蘇省無線電科學研究所有限公司，教授級高工，碩導，主要研究方向為地面氣象儀器和觀測方法，Sun.lixin@js1959.com；

李寧（1986-），男，漢，江蘇連云港，江蘇省無線電科學研究所有限公司，工程師，主要研究方向為自動氣象站、WSN無線通信，Li.ning@js1959.com。

Solar Power Management System Based on Temperature Adaptive Control

WANG Jue1，SUN Lixin2，LI Ning2*
（1.College of Electronical and Informational Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210000，China；2.Jiangsu Provincial Radio Scientific Institute Co.，LTD，Wuxi Jiangsu 214000，China）

This design has realized a solar power management system especially for lithium ion battery，which in?cludes the charging management based on LTC4121，discharging management circuit and temperature adaptive con?trol circuit.Lots of experiments have been done to verify the capability of the charging and discharging circuit as well as the function of the temperature control circuit.The results show that the system achieves good not only capability of charging and discharging but the efficiency more of than 80%as well.It's capable to manage the charging and dis?charging for lithium ion battery in low temperature.Therefore，the system has greatvalue in engineering applications. Key words：solar；charge and discharge management；temperature adaptive control；lithium ion battery；LTC4121

TM914.4；TN702

A

1005-9490（2016）02-0442-05

EEACC：825010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.039

2015-05-28修改日期：2015-06-29