基于SPCE061的太阳能锂电池充电器设计

　　引言

　　太阳能的绿色与可再生特性， 使其在低碳和能源紧缺的今日备受关注。锂电池因比能量高、自放电低的特性， 逐渐取代铅酸电池成为主流。由目前常用的太阳能电池的输出特性可知， 太阳能电池在一定的光照度和温度下， 既非恒流源， 亦非恒压源， 其最大功率受负载影响。而锂电池可看作一个小负载电压源。如不加控制直接将二者连接， 则将太阳能电池的工作电压箝位于锂电池工作电压， 无法高效利用能源。

　　本文采用SPCE061 单片机， 利用MPPT 技术使太阳能电池工作于最大功率点， 并且对锂电池的充电过程进行控制， 延长锂电池使用寿命， 保证充电安全。

　　1  最大功率点跟踪技术原理（ Maximum Power Point Tracking 简称MPPT）

　　太阳能电池有着非线性的光伏特性， 所以即使在同一光照强度下， 由于负载的不同也会输出不同的功率。

　　其电压、电流与功率在光照度1 kW/ m2 , T = 25 ℃条件下的输出曲线如图1 所示。其短路电流i sc 与开路电压uoc 由生产商给出， Pmpp为该条件下的最大功率点。

　　由于太阳能电池受到光强、光线入射角度、温度等多种因素的影响， 最大功率相应改变， 对应最大功率点的输出电压、输出电流和内阻也在不停变化。因此， 需要使用基于PWM 的可调DC/ DC 变换器， 使负载相应改变， 才能使太阳能电池工作在最大功率点上。

 

图1 太阳能电池的典型输出曲线

　　2   电路工作原理

　　图2 示出太阳能充电器的原理框图。其中微控制器采用凌阳公司生产的SPCE061A 单片机， 该单片机含有7 个10 位ADC（ 模-数转换器） 并内置了PWM 功能， 大大简化电路复杂程度， 提高稳定性。电压采样电路与电流采样电路通过ADC 将电压值与电流值送入MCU, MCU 根据MPPT 算法计算PWM 控制BU CK电路完成对充电过程的控制。

 

图2 整体充电器原理框图

图3 为BUCK 变换器电路。由MOSFET 管Q3、电感L1 与继流二极管D1 构成典型的BUCK 降压DC/ DC 变换器， Q1 和Q2 组成MOSFET 管驱动电路， Uout 输出至锂电池正极。

 

图3 BUCK 变换器电路

　　图4 为电流采样电路。Rsense 用一小阻值精密电阻作为采样电阻， 通过将电阻两端电压使用差分放大器输送到SPCE061 的A/ D 端进行采样。为使采样精确， 避免电源线与地线干扰， 使用线性光耦HCNR200 进行隔离。

 

图4 电流采样电路

　　图5 所示为电压采样电路。因为SPCE061 的A/D 端输入范围为0~ 3 V, 而太阳能电池的输出常常高于3 V, 因此采用反向比例放大器， 使输入与AD 采样范围相匹配。

 

图5电压采样电路