龔 舒，盧雯興，龔 暢，陳紹南，李如琦

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧 530004）

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，太陽能作為一種清潔、高效的可再生能源而備受關(guān)注。目前，太陽能的利用，主要包括光熱轉(zhuǎn)換和光伏發(fā)電兩方面，光伏發(fā)電已經(jīng)成為電力電子的研究熱點(diǎn)之一[1～2]。鋰電池由于能量密度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品中[3]，隨著太陽能電池板性價(jià)比的提高，由太陽能直接為鋰電池提供充電能量，將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種實(shí)用太陽能充電器的研制過程，分析了這種充電器的工作原理，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于太陽能電池板的輸出電壓及功率隨光照強(qiáng)度波動(dòng)較大，因此首先將太陽能電池板的輸出波動(dòng)電壓經(jīng)電壓變換電路后，轉(zhuǎn)變成充電管理電路所需要的穩(wěn)定電壓，根據(jù)電池電壓，充電管理電路可對電池進(jìn)行預(yù)充、恒流、恒壓3階段充電，從而提高充電效率，延長電池使用壽命。此外，可根據(jù)太陽光照情況，手動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流大小。為此，將太陽能充電器系統(tǒng)框架確定為如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電壓變換電路設(shè)計(jì)

2.1 Buck變換器的原理分析

圖2(a)是Buck變換器的電路圖，主要工作波形如2(b)所示，其中，IP、IR分別是電感電流的峰值和波動(dòng)值，D、D'、T 分別是開關(guān)管導(dǎo)通占空比、二極管導(dǎo)通占空比和開關(guān)周期。

在一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束時(shí)，根據(jù)電感電流是否為零，Buck變換器可工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）和連續(xù)導(dǎo)電模式（Continuous Conduction Mode，CCM）[4～5]。由圖2(b)可知，各支路電流的直流分量為：

圖2 Buck變換器

各支路電流的有效值分別為

其中fS為開關(guān)頻率，定義為fS=1/T。

由能量守恒可知

由電感電壓的伏秒平衡可知，

聯(lián)立式(1)、式(6)、式(7)、式(8)可解得，DCM 與 CCM 的臨界電感值為

在不同工作模式下，輸出電容上的紋波電壓的峰峰值分別為[4～5]

由以上分析可知，若電感感量大于LC，則變換器工作在CCM模式；反之，變換器工作在DCM模式。CCM模式的電感值大，具有電流應(yīng)力小和輸出紋波小的優(yōu)點(diǎn)，DCM則反之。

2.2 電路設(shè)計(jì)

太陽能電池板為Buck變換器提供能量，充電管理電路是變換器的負(fù)載，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，該級(jí)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：輸入電壓5.5～12 V，輸出電壓4.7 V/550mA，輸出紋波電壓50 mVpp。

實(shí)驗(yàn)電路及其參數(shù)如圖3所示，其中太陽能電池板的主要參數(shù)為：標(biāo)稱功率5W，工作電壓8.75 V，工作電流0.56 A，尺寸190mm×255mm×18mm。

圖3 電壓變換電路

IC1為主控制芯片，型號(hào)LM2596T，內(nèi)部集成PWM控制電路和主開關(guān)管，各引腳功能如表1所示。

表1 LM 2596T 的引腳功能

為了提升轉(zhuǎn)換效率，Buck變換器設(shè)計(jì)在CCM模式，將已知參數(shù)代入式(9)，可得到L1的最大臨界電感值為17μH，取電感感量為47μH，即可保證在1/2額定負(fù)載且輸入電壓變化的情況下，變換器仍然工作在CCM模式。由2.1節(jié)的推導(dǎo)，可以算得，流過IC1內(nèi)部主開關(guān)最大電流的直流分量和有效值分別為0.47 A和0.51 A（低壓輸入時(shí)），LM2596最大電流為3 A，完全可滿足要求；流過續(xù)流二極管D1最大電流的直流分量和有效值分別為0.33 A和0.44 A（高壓輸入時(shí)），選用SB240可滿足電壓、電流應(yīng)力要求，并留有較大余量。C1、C2為輸入濾波電容，并兼能量緩存的作用。R1、R2、R3、Z1、Q1 組成輸入欠壓保護(hù)，使得IC1在輸入電壓高于4.7 V時(shí)（約為5.4V）才能工作。C3決定輸出電壓紋波，由式(10)求得。輸出電壓由R4、R5決定，由下式求得

3 充電管理電路設(shè)計(jì)

3.1 鋰電池充電特性曲線

理論和實(shí)踐證明，鋰電池的充放電，是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過程，鋰電池一般是分階段進(jìn)行充電，充電曲線如圖4所示。

圖4 鋰電池的充電曲線

當(dāng)電池電壓小于VMIN時(shí)，用較小電流IPRE進(jìn)行預(yù)充電；當(dāng)電池電壓大于VMIN，小于VREG，用較大電流IREG進(jìn)行恒流快速充電；當(dāng)電池電壓上升至VREG，進(jìn)行恒壓充電，在充電電流減小至IPRE時(shí)，充電完成。

3.2 電路設(shè)計(jì)

充電管理電路采用BQ2057C作為控制芯片，封裝為TSSOP，其各引腳功能如表2所示。

表2 BQ2057C的引腳功能

圖5 充電管理電路

充電管理電路如圖5所示，圖中VO為電壓變換電路的輸出電壓，C4、C5為瓷片電容，濾除電路中的高頻雜波；R8、R9分壓后，IC2的4腳電壓取為VO的一半，即關(guān)閉溫度檢測功能。充電電流由下式?jīng)Q定

可根據(jù)光照情況選擇充電電流，在S1閉合時(shí)，快速充電模式，充電電流在530mA左右。在S1打開時(shí)，慢速充電模式，充電電流在320mA左右。LED指示充電狀態(tài)，R11為限流電阻，預(yù)充和充電時(shí)，IC2的5較為高電平，LED燈亮；充電完成后，5腳為低電平，LED等不亮。Q1為線性調(diào)整管，在滿足電壓、電流應(yīng)力的要求下，應(yīng)選用高β值，低Vce壓差的管子，F(xiàn)ZT788B可滿足要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在快速充電模式下，電壓變換電路的工作波形如圖6所示，CH1是D2兩端電壓，CH2是C3兩端電壓?？梢?，在輸入電壓較大范圍的波動(dòng)下，電壓變換電路始終能為電池管理電路提供穩(wěn)定的4.7 V電壓。對于單節(jié)860mAh的鋰電池，初始電壓3.2 V（普通手機(jī)的電池欠壓保護(hù)電壓），在快速充電模式下，整個(gè)充電過程持續(xù)約1.5 h，在慢速充電模式下，整個(gè)充電過程持續(xù)約2.5 h，充電器的整機(jī)效率在62%～80%。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)束語

本文研制了一款實(shí)用的太陽能充電器，太陽能電池板的輸出波動(dòng)電壓，經(jīng)電壓變換電路后，轉(zhuǎn)變成充電所需要的穩(wěn)定電壓，根據(jù)電池電壓，充電管理電路可對電池進(jìn)行預(yù)充、恒流、恒壓3階段充電，從而提升充電效率，延長電池使用壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該充電器的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%，可在1.5～2.5 h內(nèi)完成普通手機(jī)電池的充電，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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