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        便攜式太陽(yáng)能雙向變換器及其能量管理研究

        2011-02-09 01:58:00潘三博郝夏斐
        制造業(yè)自動(dòng)化 2011年10期
        關(guān)鍵詞:充電器雙向蓄電池

        潘三博,郝夏斐

        (安陽(yáng)師范學(xué)院,安陽(yáng) 455002)

        0 引言

        太陽(yáng)能是一種清潔高效的可再生能源,它的利用是節(jié)約資源、節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)的一個(gè)重要舉措。太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今世界上發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,最近十年的平均增長(zhǎng)速度為42%。在當(dāng)今信息社會(huì)中,便攜式電子設(shè)備已充斥著人們的生活,從手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電子書到一些便攜式測(cè)控儀器滿足著人們的生活和工作需求。太陽(yáng)能光伏充電能滿足便攜式電子設(shè)備供電方便的要求。隨著太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,高效率的便攜式太陽(yáng)能充電器將會(huì)廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備[1]。

        本文提出一種太陽(yáng)能雙向變換器,它包含太陽(yáng)能電池板、USB口充電電源與負(fù)載、鋰離子儲(chǔ)能電池。通過由電感、P型 MOSFET與 N型MOSFET組成的雙向變換器運(yùn)行于不同的工作模式,實(shí)現(xiàn)了提高效率、太陽(yáng)能最大功率輸出和蓄電池充電性能優(yōu)化。與現(xiàn)有產(chǎn)品采用的輸入充電接口和輸出接口用2個(gè)大小不同的USB口的方案不同,本電路采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB口,既能作為輸入充電接口,也能作為輸出接口。大大簡(jiǎn)化輸出,防止了用戶使用錯(cuò)誤造成的損壞。該產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備的充電裝置。

        1 電路及工作原理

        如圖1所示是太陽(yáng)能雙向變換器的主電路。便攜式太陽(yáng)能變換器的太陽(yáng)能板功率較小,一般需要儲(chǔ)能。它包含:太陽(yáng)能電池板、鋰離子儲(chǔ)能電池和充電電源與負(fù)載接口。其中,充電電源與負(fù)載接口共用一個(gè)USB口。按照能量的供給與流向,電路主要分為以下三個(gè)工作模式:

        圖1 太陽(yáng)能雙向變換器原理框圖

        模式一:太陽(yáng)能供電,USB口不接通。

        當(dāng)蓄電池電壓低于一定范圍時(shí),太陽(yáng)能電池通過雙向變換器給蓄電池充電,雙向變換器工作于降壓變換。其中太陽(yáng)能板通過二極管接至變換器,防止電流回流,保護(hù)太陽(yáng)能板。直至蓄電池電壓充到保護(hù)電壓上限時(shí),雙向變換電路停止工作,蓄電池保護(hù)電路動(dòng)作,蓄電池充滿電。

        模式二:太陽(yáng)能供電,USB口接通。

        當(dāng)USB口接充電電源時(shí),這時(shí)太陽(yáng)能板與USB的輸入一起給蓄電池充電。工作過程與模式一類似。當(dāng)USB口接便攜式電子產(chǎn)品負(fù)載時(shí),太陽(yáng)能板與蓄電池一起給USB供電。雙向變換器工作于升壓變換,儲(chǔ)能蓄電池給負(fù)載放電。直至蓄電池電壓放到保護(hù)電壓下限時(shí),雙向變換電路停止工作,蓄電池保護(hù)電路動(dòng)作,蓄電池放完電。

        模式三:太陽(yáng)能不供電, USB口接通。

        此模式與模式二類似。當(dāng)USB口接充電電源時(shí),是充電電源通過雙向變換器的降壓變換給蓄電池充電。當(dāng)USB口接便攜式電子負(fù)載時(shí),則是蓄電池通過雙向變換器的升壓變換給負(fù)載放電。瞬時(shí)功率較小的太陽(yáng)能板不提供能量。

        當(dāng)太陽(yáng)能不供電, USB口也不接通時(shí),電路不工作。

        2 能量管理方案

        從工作原理分析可知,正確判定USB口接入的是充電電源還是負(fù)載,對(duì)確定電路工作于哪種模式非常重要。通過檢測(cè)USB口電壓,當(dāng)電壓為穩(wěn)定的5V時(shí), USB口接的是充電電壓。當(dāng)電壓低于5V且電流方向?yàn)樾铍姵剌敵鰰r(shí),則USB口接的是負(fù)載。下面詳細(xì)分析主要工作模式下的能量管理。

        2.1 太陽(yáng)能板的最大功率輸出

        太陽(yáng)能供電給儲(chǔ)能蓄電池,這是這種產(chǎn)品工作時(shí)間最多的一種方式。這時(shí),雙向變換器工作于降壓模式,就是太陽(yáng)能板給自帶的儲(chǔ)能蓄電池充電。為充分利用太陽(yáng)能,通常需加上最大功率跟蹤控制[2],比沒有最大功率控制的多輸出20%的能量[3]。因?yàn)檩敵龅膶?duì)象是蓄電池,所以可以認(rèn)為一定的作用時(shí)間內(nèi),蓄電池電壓保持不變。檢測(cè)到的電流與上一時(shí)刻的電流進(jìn)行對(duì)比,如果電流比較大,則可認(rèn)為輸出功率比較大。調(diào)節(jié)占空比,按照占空比朝著最大輸出功率的方向變化。就可以實(shí)現(xiàn)最大功率控制。如圖2所示是這一基于控制思想的太陽(yáng)能輸出最大功率控制算法流程圖。

        圖2 最大功率控制算法流程圖

        2.2 鋰電池的管理

        雙向變換器自身的儲(chǔ)能蓄電池給便攜式電子產(chǎn)品供電也是這種產(chǎn)品重要的一種工作方式。這時(shí),雙向變換器工作于升壓模式,就是自帶電池給便攜式電子產(chǎn)品的電池的充電器。

        為提高電池使用壽命,充電器內(nèi)置的儲(chǔ)能電池對(duì)負(fù)載電池進(jìn)行充電時(shí)采用慢充-快充-恒壓沖三段式充電曲線[4]。共包括三個(gè)階段,第一階段為慢充階段,采用較低的3V以下電壓及約1/10的峰值充電電流約50mA進(jìn)行預(yù)充電;第二階段為快充階段,采用峰值充電電流約500mA進(jìn)行充電,此時(shí)負(fù)載電池電壓會(huì)不斷升高,充電電壓同時(shí)要不斷升高;第三階段為恒壓充電階段,當(dāng)手機(jī)電池電壓升高到一定程度時(shí),采用恒壓進(jìn)行充電,此時(shí)充電電流會(huì)逐漸降低,降低至50mA以下則認(rèn)為充電過程已經(jīng)結(jié)束。如果在這個(gè)工作過程中,陽(yáng)光足夠,太陽(yáng)能板有輸出,則太陽(yáng)能板通過防回流二極管也給負(fù)載充電。

        3 實(shí)驗(yàn)電路與結(jié)果

        為驗(yàn)證原理,制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主電路如圖3所示。其中Q2、Q1、L1組成雙向變換器,可以工作為升壓電路,也可以工作于降壓電路。為了簡(jiǎn)化便攜式電子產(chǎn)品電路,Q1、Q2這2個(gè)MOSFET一個(gè)采用P溝道,一個(gè)采用N溝道,就可以只用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源。U4與U5為蓄電池保護(hù)電路,能有效保護(hù)電池過充電與過放點(diǎn)。

        圖3 太陽(yáng)能雙向變換器主電路圖

        目前的太陽(yáng)能便攜式充電器一般2個(gè)USB口,一個(gè)是輸入,一個(gè)是輸出??紤]到雙向變換器充電與對(duì)電子產(chǎn)品負(fù)載充電不同時(shí)進(jìn)行,電路里面只有一個(gè)USB口。如上文所述,工作的時(shí)候通過檢測(cè)USB口電壓來(lái)區(qū)別是工作在充電模式下還是工作在放電模式下。這樣既簡(jiǎn)化了電路,又防止了因接錯(cuò)接口帶來(lái)的損壞。

        為了有效識(shí)別不同的工作模式,并實(shí)現(xiàn)能量管理。采用微控制器進(jìn)行控制必不可少。本文采用德州儀器的專用于便攜式電子設(shè)備的MSP430F2132微控制器[5]。該微控制器是基于閃存的超低功耗 MCU。在 1.8V-3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)16MIPS。包含極低功耗振蕩器,待機(jī)模式時(shí)0.3μA,工作模式時(shí)220μA/MIPS。它包含8K的Flash與512B的SRAM存儲(chǔ)單元,有8個(gè)通道精度為10位的A/D轉(zhuǎn)換,可以滿足圖3中電流、電壓的采樣精度。有22個(gè)I/O口,2個(gè)定時(shí)器,雙向變換器的2個(gè)開關(guān)管Q1與Q2工作于互補(bǔ)狀態(tài),輸出只要一路PWM信號(hào),從P3口輸出。圖4所示為MSP430微處理器電路圖。

        通過本樣機(jī)帶1w的太陽(yáng)能板給蓄電池負(fù)責(zé)充電,測(cè)試蓄電池充滿電比不用最大功率控制,比用太陽(yáng)能板直接充電要少1個(gè)小時(shí),在這種小功率時(shí),約提高輸出10%。通過本樣機(jī)給一個(gè)完全放電的智能手機(jī)進(jìn)行充電,測(cè)得的輸出電壓電流曲線如圖5所示。

        圖4 微處理器電路圖

        圖5 給手機(jī)負(fù)載的充電曲線

        4 結(jié)論

        本文對(duì)一種太陽(yáng)能雙向變換器的工作原理與電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。把光伏電站中普遍采用的最大功率跟蹤控制技術(shù)引入便攜式太陽(yáng)能手機(jī)充電器中,使該產(chǎn)品的性能得到了提升。本產(chǎn)品的便攜式低能耗MSP430微控制器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的電壓,并追蹤最高電壓電流值,使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。對(duì)蓄電池進(jìn)行三段式充電,以提高電子產(chǎn)品使用壽命。根據(jù)實(shí)際測(cè)試,在小功率電路應(yīng)用中最終輸出功率提高約 10%。采用P溝道,與N溝道MOSFET組成雙向變換器以減少驅(qū)動(dòng)電源和采用一個(gè)USB口對(duì)電路簡(jiǎn)化也是本文的特色之處。

        這種太陽(yáng)能雙向變換器可作為充電器廣泛使用于各種手機(jī)、PDA、MP4以及數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品,使用方便,環(huán)保節(jié)能。

        [1] 孫超, 郭勇, 陳新. 獨(dú)立光伏系統(tǒng)中太陽(yáng)能充電器的研究[J]. 電力電子技術(shù). 2009, 43(4): 44-46.

        [2] 禹華軍, 潘俊民. 光伏電池輸出特性與最大功率跟蹤的仿真分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真. 2005, 22(6): 248-252.

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        [4] 郭光明, 王秀華. USB手機(jī)充電器的設(shè)計(jì), 電子科技[J].2008, 21(9):33-35.

        [5] 沈建華. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 清華大學(xué)出版社, 2005.

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