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、輸出電流和內阻也在不停變化。因此， 需要使用基于PWM 的可調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的SPCE061A 單片機， 該單片機含有7 個10 位ADC（ 模-數轉換器） 并內置了PWM 功能， 大大簡化電路復雜程度， 提高穩定性。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 系統軟件設計
在BUCK 上， 存在UarrD= Ubat 的關系。由此可知：
式中， Ubat 為電池兩端電壓； D 為占空比； Uarr 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 / dUarr = 0,代入式（ 3）、（ 4） 可知：
因此， 關于P/ D 的曲線為凸函數， 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。系統通過對鋰電池兩端電壓進行檢測， 判斷充電狀態， 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生的功率小于系統自身開銷時， 進入休眠模式。
4 實驗結果與結論
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 所示。其中太陽能電池采用華微公司生產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 傳統充電器與MPPT充電器實驗數據對比
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開銷的情況下自動實現系統休眠。通過改進算法， 設置更為精確的參數， 可以使充電效率進一步提高。