基于SPCE061的MPPT太陽能鋰電池充電器設(shè)計(jì)

　　摘要： 太陽能電池輸出曲線具有非線性的特點(diǎn)， 傳統(tǒng)太陽能充電器對太陽能電池的利用效率低。文章在經(jīng)過數(shù)學(xué)模型分析基礎(chǔ)上， 提出采用改變占空比使充電電流最大的MPPT 跟蹤策略， 大幅提高太陽能電池利用率。同時(shí)通過BUCK電路與SPCE061 單片機(jī)對充電過程進(jìn)行監(jiān)控， 采用三段式算法保證鋰電池性能， 提高其壽命。最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了該方案的實(shí)用性和有效性。

　　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(guān)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(fù)載影響。而鋰電池可看作一個(gè)小負(fù)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(jī)， 利用MPPT 技術(shù)使太陽能電池工作于最大功率點(diǎn)， 并且對鋰電池的充電過程進(jìn)行控制， 延長鋰電池使用壽命， 保證充電安全。

　　1  最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)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(qiáng)度下， 由于負(fù)載的不同也會(huì)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(chǎn)商給出， Pmpp為該條件下的最大功率點(diǎn)。

　　由于太陽能電池受到光強(qiáng)、光線入射角度、溫度等多種因素的影響， 最大功率相應(yīng)改變， 對應(yīng)最大功率點(diǎn)的輸出電壓、輸出電流和內(nèi)阻也在不停變化。因此， 需要使用基于PWM 的可調(diào)DC/ DC 變換器， 使負(fù)載相應(yīng)改變， 才能使太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)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(chǎn)的SPCE061A 單片機(jī)， 該單片機(jī)含有7 個(gè)10 位ADC（ 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器） 并內(nèi)置了PWM 功能， 大大簡化電路復(fù)雜程度， 提高穩(wěn)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(jù)MPPT 算法計(jì)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