基于太陽能電池的精簡高效型電池充電

     太陽能電源是今天更加關注環(huán)保的“綠色”社會熱點問題。使用可再生能源的趨勢日益增強，這種趨勢不斷導致諸如太陽能或風能等可選能源的增加。得到改善的技術連同這種趨勢，正在使利用這些能源發(fā)電在經(jīng)濟上更加可行。需要大型電池板或電池板陣列的應用已出現(xiàn)于住宅和商業(yè)建筑物中。然而，在脫離電網(wǎng) (此時，沒有可用的線路電源) 的應用中，太陽能電池板也成為一種富有吸引力的發(fā)電替代方案。調節(jié)這種電池板提供的電源以給一個子系統(tǒng)中的電池充電，可使這種設備獨立自主，并可位于偏遠地區(qū)。一般情況下，這類單個電池板產(chǎn)生 <25W~30W 的功率，面積不到 4 平方英尺。更低功率的電池板可能更小。

　　太陽能供電的充電系統(tǒng)的目標是，不僅在白天直接給系統(tǒng)供電，而且在陽光最充足的時候給存儲單元 (一般是電池) 充電，這樣在夜間或陽光不充足的情況下，當電池板輸出功率接近零時，電池就可以給系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)上，這些應用大部分使用密封鉛酸 (SLA) 電池作為主要的存儲單元，但是，隨著應用的外形尺寸減小，鋰化學組成正在變得越來越常見。在便攜式和非便攜式環(huán)境中，利用太陽能給這些電池充電正在日益成為主流。單塊太陽能電池板有很多新出現(xiàn)的應用，其中包括堅固耐用的軍用筆記本電腦、工業(yè)庫存和銷售點 (POS) 管理設備、遠程檢測單元、便攜式汽車診斷設備、海洋太陽能浮標、路標照明、路邊應急電話、人行橫道指示燈照明、甚至太陽能供電的垃圾夯實機。

　　此外，在很多應用中也已經(jīng)出現(xiàn)了磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池，這種電池比基于鈷的鋰離子聚合物電池 (典型值為 4.1V 或 4.2V) 提供更高的安全性和更低的浮置電壓 (3.6V) 。這種化學組成也有其他很多基于鈷的鋰離子/聚合物電池所具有的優(yōu)點，包括低的自放電速率和相對低的重量。此外，比較而言，LiFePO4 提供更長的周期壽命和總壽命、更高的峰值功率額定值、針對更高的熱失控電阻而實現(xiàn)的更高安全性、以及更小的環(huán)境影響。與基于鈷的鋰離子/聚合物電池比較，LiFePO4 的缺點包括較低的能量密度 (容量) 以及如果新電池太早“深度循環(huán)”，易于永久失效。

　　設計問題

　　一般情況下，從太陽能電池板抽取峰值功率或者非常昂貴 (因為使用太陽能電池穩(wěn)壓器模塊) ，或者難以實現(xiàn)，一般需要利用微控制器和大量分立組件的復雜電路。這些全含式、最大峰值功率跟蹤 (MPPT) 模塊傳統(tǒng)上以大型電池板電源應用為目標，例如住宅或商務大樓，但是，隨著所發(fā)現(xiàn)太陽能電源的用途越來越多，市場應用情況正在改變。

　　對于給定數(shù)量的光能來說，太陽能電池板有某一個輸出電壓，在這個輸出電壓時，產(chǎn)生峰值輸出功率。電池板內部的旁路二極管可能產(chǎn)生復雜的功率與電流特性，當電池板上有部分光線被遮住時，這類特性不容易優(yōu)化。不過，目前市場上幾乎所有規(guī)定最大輸出功率低于 25W~30W 的 12V 系統(tǒng)太陽能電池板都是由簡單的串聯(lián)電池配置構成的，沒有旁路二極管。這種類型的配置產(chǎn)生位于窄的電池板輸出電壓頻帶內的峰值輸出功率，而不管光照條件。視電池板特性的不同，峰值功率可能從 12.5V 至 18.5V 的電池板電壓產(chǎn)生。

　　磷酸鐵鋰電池可能不可用標準鋰離子/聚合物電池充電器充電，考慮到這類電池 3.6V 的較低浮置電壓特性，如果沒有正確充電，可能導致對電池不可修復的損壞。準確的浮置電壓充電將延長電池壽命。充電預查驗 (涓流充電) 還有助于避免損壞電池，尤其是在深度放電時。

　　目前缺乏具內置充電終止功能 (以 >20V 的高壓工作) 的太陽能供電單片 (內置電源電路) 電池充電器 IC 解決方案。有一些暫時的解決方案可以完成這個任務，尤其是獲得太陽能的能力。不過，這些解決方案大且復雜，需要很多外部組件，并占用寶貴的 PCB 面積。

　　總結一下關鍵的設計問題：

　　·利用目前的解決方案從太陽能電池板抽取峰值功率或者非常笨重，或者非常昂貴

　　·缺乏具內置充電終止功能 (以 >20V 的高壓工作) 的太陽能供電單片電池充電器 IC 解決方案

　　·磷酸鐵鋰電池有較低浮置電壓的特殊充電需求，但是與鋰離子/聚合物電池相比有一些優(yōu)點

　　一個簡單的解決方案

　　任何要滿足上面討論的設計限制條件的解決方案都必須是緊湊、高壓和單片的，是一個能夠用內置充電終止功能應對太陽能電源輸入電壓變化和多種電池化學組成的解決方案。這樣的器件將成為提高全球能量獲取與保存應用安裝量的促進因素。

　　太陽能電源能力和多種化學組成電池的運行

　　LT3652 IC 是以凌力爾特公司受歡迎和具強大實力的 LT3650 系列為基礎而開發(fā)的。它是一個創(chuàng)新、具太陽能電源跟蹤功能、單片降壓型電池充電器 IC，用于新式電池化學組成。該器件運用了一種創(chuàng)新的輸入電壓調節(jié)環(huán)路，該環(huán)路負責控制充電電流，以將輸入電壓保持在編程設定的電平上。當 LT3652 由單塊太陽能電池板供電時，輸入調節(jié)環(huán)路強制電池板以峰值輸出功率運行。這個獨特的輸入電壓調節(jié)環(huán)路電路系統(tǒng)提供了與更復雜和更昂貴的 MPPT 方法幾乎同樣的輸出功率。

　　LT3652 接受 4.95V 至 32V 的寬范圍輸入，具 40V 絕對最大額定值，以增加系統(tǒng)裕度。它能夠給多種電池組配置充電，包括單節(jié)至三節(jié)串聯(lián)鋰離子/聚合物電池、單節(jié)至四節(jié)串聯(lián)磷酸鐵鋰電池、12V 密封鉛酸 (SLA) 電池、以及高達 14.4V 的電池。參見圖 1，以獲取詳細信息。

圖 1：LT3652 的典型應用電路

　　SOLAR PANEL INPUT：太陽能電池板輸入

　　OC VOLTAGE：開路電壓

　　2-CELL LiFePO4 (2 X 3.6V) BATTERY PACK：兩節(jié)磷酸鐵鋰 (2 x 3.6V) 電池組

　　SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負載

　　LT3652 的充電電流可設置為高達 2A。這款獨立型電池充電器無需使用外部微控制器，并具有用戶可選的充電終止功能，包括 C/10 或一個內置定時器。該器件的 1MHz 固定開關頻率實現(xiàn)了小巧的解決方案外形尺寸。浮置電壓反饋準確度規(guī)定為 ±0.5%，充電電流準確度為 ±5%，而 C/10 檢測準確度為 ±2.5%。一旦充電操作終止，LT3652 就自動進入一種低電流待機模式，該模式把輸入電源電流減小至 85uA。在停機模式中，輸入偏置電流減小至 15uA。在所有非充電周期，通過從電池泄漏 <1uA 的電流，LT3652 最大限度地延長了電池壽命。對于自主型充電控制，如果電池電壓降至編程設定的浮置電壓以下達 2.5% 時，自動再充電功能就起動一個新的充電周期。其它安全相關的功能包括低電池電量預查驗、熱敏電阻輸入以用于溫度合格的充電、壞電池檢測和二進制編碼狀態(tài)輸出引腳。LT3652 采用扁平 (0.75mm) 12 引腳 3mm x 3mm DFN 封裝，在 -40°C 至 125°C 的結溫范圍內工作有保證。

　　創(chuàng)新且簡單的輸入電壓調節(jié)環(huán)路

　　LT3652 的輸入電壓調節(jié)控制環(huán)路方法與昂貴的 MPPT 方法相比是非常有優(yōu)勢，提供了幾乎同樣的性能。輸入電壓調節(jié)環(huán)路：

　　●從太陽能電池板抽取最大可獲得的功率

　　● 如果電池板輸出電壓降至編程設定的電平以下，就降低充電電流

　　● 對于所使用的特定太陽能電池板，保持電池板處在對應于峰值輸出功率點的輸出電壓上

　　● 通過一個電阻分壓器設定想要的特定峰值功率電壓

　　對于圖 2 的應用電路，圖 2 顯示作為輸入電壓函數(shù)的最大充電器電流，同時顯示在電池板電壓下降時，該器件如何降低輸出電流。

圖 2：LT3652 輸入電壓調節(jié)

　　CHARGER OUTPUT CURRENT：充電器輸出電流

　　電壓監(jiān)視器引腳實現(xiàn)對最小工作電壓的設置。從 VIN 到 VIN_REG 引腳連接一個電阻分壓器，可實現(xiàn)最小輸入電源電壓的設置，這種方法一般用來為太陽能電池板設置峰值功率電壓。當 VIN_REG 引腳低于 2.7V 的穩(wěn)壓門限時，降低最大充電電流。

　　如果輸入電源不能提供足夠的功率來滿足 LT3652 充電器的需求，那么電源電壓將崩潰。因此，最低工作電源電壓可以通過用一個電阻分壓器監(jiān)視該電源來設置，以使想要的最低電壓對應于 VIN_REG 引腳的 2.7V。LT3652 伺服最大輸出充電電流，以保持 VIN_REG 引腳上的電壓等于或高于 2.7V。通過如圖 3 所示的那樣連接一個電阻分壓器，可以完成對想要的最低電壓的設置。對于想要的最低電壓 (VIN(MIN)) ，RIN1/RIN2 之比為：

　　RIN1/RIN2 = (VIN (MIN)/2.7) – 1

　　如果不使用電壓調節(jié)功能，那么 VIN_REG 引腳可以連接到 VIN。

圖 3：用電阻分壓器設置最低 VIN

　　INPUT SUPPLY：輸入電源

　　MPPT 溫度補償

　　一個典型的太陽能電池板由很多串聯(lián)連接的電池組成，每節(jié)電池都是一個正向偏置的 p-n 節(jié)。因此，單節(jié)太陽能電池的開路電壓 (VOC) 具有與普通 p-n 節(jié)二極管類似的溫度系數(shù)，或溫度系數(shù)約為 -2mV/°C。一個晶體太陽能電池板的峰值功率點電壓 (VMP) 可以近似為一個低于 VOC 的固定電壓，因此這個峰值功率點溫度系數(shù)類似于 VOC 的溫度系數(shù)。電池板制造商一般為 VOC、VMP 和 VOC 的溫度系數(shù)規(guī)定 25?C 的值，以此簡單地決定一個典型電池板 VMP 的溫度系數(shù)。LT3652 利用一個反饋網(wǎng)絡來設定 VIN 輸入穩(wěn)定電壓。網(wǎng)絡控制有助于為一個 MPPT 應用高效率地實現(xiàn)各種不同的溫度補償方案。

　　結論

　　太陽能電源已經(jīng)從“時髦”變成了實用。諸如住宅和商用大樓等最初的應用需要大型電池板，而現(xiàn)在正改變?yōu)檩^小、不依靠電網(wǎng)的單塊電池板應用，這些應用面積不到 4 平方英尺，提供 <25W~30W 的功率，較低功率的電池板外形尺寸甚至更小。高端消費類、汽車、工業(yè)、路邊、海洋和軍事領域已經(jīng)開發(fā)了需要這類單塊電池板太陽能電源的便攜式和非便攜式應用。LT3652 在電池充電器領域滿足了尚未滿足的需求。它是一個單片 IC，為從太陽能電池板抽取峰值功率提供了一個簡單、創(chuàng)新的輸入電壓控制環(huán)路，具有給多種化學組成充電的能力，包括磷酸鐵鋰、鋰離子/聚合物和密封鉛酸電池。充電效率類似于可替代和昂貴的 MPPT 方法。該器件還具有快速 2A 充電能力、內置充電終止功能、高壓工作、并可組成一個緊湊而簡單的解決方案。

參考文獻:

[1]. PCB  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCB+_1201640.html.
[2]. 2A  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/2A+_2204966.html.