摘要： 太陽(yáng)能電池輸出曲線具有非線性的特點(diǎn)， 傳統(tǒng)太陽(yáng)能充電器對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能電池利用率。同時(shí)通過BUCK電路與SPCE061 單片機(jī)對(duì)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(duì)比驗(yàn)證了該方案的實(shí)用性和有效性。

　　0 引言

　　太陽(yáng)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(yáng)能電池的輸出特性可知， 太陽(yáng)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(yáng)能電池的工作電壓箝位于鋰電池工作電壓， 無(wú)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(yáng)能電池工作于最大功率點(diǎn)， 并且對(duì)鋰電池的充電過程進(jìn)行控制， 延長(zhǎng)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(jiǎn)稱MPPT）

　　太陽(yáng)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isc 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(yáng)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(duì)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(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)上。

　2 電路工作原理

　　圖2 示出太陽(yáng)能充電器的原理框圖。其中微控制器采用凌陽(yáng)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(jiǎn)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(duì)充電過程的控制。

　　由于DC/ DC 變換器連接至兩端的輸出電壓短時(shí)間內(nèi)變化不大， 在短時(shí)間可認(rèn)為恒定。因此， 該設(shè)計(jì)的最大功率點(diǎn)跟蹤可簡(jiǎn)化為通過PWM 調(diào)整電流至最大值， 即認(rèn)為太陽(yáng)能電池的輸出功率達(dá)到最大。

　　由池充電特性可知， 為保證充電安全高效， 需采用預(yù)充、恒流、涓流的三段式充電。系統(tǒng)通過對(duì)鋰電池兩端電壓進(jìn)行檢測(cè)， 判斷充電狀態(tài)， 進(jìn)而采取相應(yīng)的充電策略。

　　當(dāng)光照強(qiáng)度降低， 程序判斷太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率小于系統(tǒng)自身開銷時(shí)， 進(jìn)入休眠模式。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

　　根據(jù)以上原理及其電路圖所述， 所制作的MPPT太陽(yáng)能充電器與用二極管搭建的傳統(tǒng)太陽(yáng)能充電器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。其中太陽(yáng)能電池采用華微公司生產(chǎn)的單晶太陽(yáng)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(lián)18650 型鋰電池， 充電截止電壓16. 8 V， 電池組容量10. 4 Ah。