金 政，袁 訊，鄒 恩

（廣州新華學(xué)院，廣東 廣州 523133）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)健康的重視程度正在逐步提高，參與戶外運(yùn)動(dòng)的人數(shù)逐年增長(zhǎng)。其中長(zhǎng)距離的徒步、騎行以及登山等活動(dòng)越來(lái)越盛行，而在此過(guò)程中人們所選擇的活動(dòng)路線往往是人煙稀少的荒野，這就導(dǎo)致隨身攜帶的電子設(shè)備經(jīng)常無(wú)法及時(shí)獲得電量補(bǔ)充。為了解決這個(gè)問(wèn)題，以前人們會(huì)攜帶足夠多的備用電池，但過(guò)多的電池會(huì)大大增加整個(gè)行程當(dāng)中的負(fù)擔(dān)。針對(duì)該問(wèn)題，考慮到目前快充充電的普及，本文設(shè)計(jì)了一種滿足多快充協(xié)議并適配太陽(yáng)能充電的低成本MPPT移動(dòng)電源，可以有效提升太陽(yáng)能充電效率。

1 MPPT算法

太陽(yáng)能電池作為一種非線性元件，既不是恒壓源也不是恒流源。圖1、圖2、圖3以及圖4分別給出了太陽(yáng)能電池在不同光照強(qiáng)度和不同溫度下的特征曲線，從中可以看出太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)會(huì)隨光照強(qiáng)度與溫度的變化而發(fā)生改變[1]。

圖1 不同光照下的U-I特性曲線

圖2 不同溫度下的U-I特性曲線

圖4 不同溫度下的U-P特性曲線

為了提高太陽(yáng)能電池板在給移動(dòng)電源充電過(guò)程中的轉(zhuǎn)換效率，減少功率的浪費(fèi)，需要利用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)。關(guān)于太陽(yáng)能MPPT算法一直以來(lái)有著非常多的研究，其中傳統(tǒng)算法主要包括恒定電壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法以及模糊控制法等，本設(shè)計(jì)所采用的是恒定電壓法[2-4]。從圖1和圖3中可以看到，當(dāng)溫度不變、光照強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)，最大功率點(diǎn)處的電壓基本保持一致，這也就意味著只需要在太陽(yáng)能電池板給移動(dòng)電源充電的過(guò)程中使輸出電壓穩(wěn)定在某個(gè)特定值即可實(shí)現(xiàn)MPPT功能。然而從圖2和圖4中又可以看到，如果溫度發(fā)生改變，最大功率點(diǎn)處的電壓也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變，這樣又會(huì)導(dǎo)致采用恒定電壓法不能完全實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤[5]。在實(shí)際使用中，太陽(yáng)能充電主要在天氣較好的狀況下才具有明顯的效果，在陰雨天則效果較差，并且太陽(yáng)能主要的充電時(shí)間段一般分布在9:00—15:00。而在天氣狀況較好時(shí)，9:00—15:00的環(huán)境溫度變化一般不會(huì)特別劇烈，最大功率點(diǎn)的電壓也就不會(huì)發(fā)生較大的偏移。同時(shí)在電路設(shè)計(jì)中將跟蹤電壓設(shè)置為可調(diào)模式，可進(jìn)一步適應(yīng)在不同氣溫條件下對(duì)最大功率點(diǎn)電壓的跟蹤。在這樣的應(yīng)用場(chǎng)景下，采用恒定電壓法是可行的。此外，相較于其他幾種MPPT算法，恒定電壓法還具有控制簡(jiǎn)單、占用硬件資源少的優(yōu)點(diǎn)，可以有效減少移動(dòng)電源的使用成本[6]。

2 設(shè)計(jì)方案

圖5為MPPT移動(dòng)電源系統(tǒng)框圖，主要包括輸入單元、MPPT單元、電池保護(hù)單元、儲(chǔ)電單元、控制單元以及輸出單元。輸入單元可以采用太陽(yáng)能電池板，也可以采用常規(guī)的手機(jī)充電器；MPPT單元采用降壓電路給鋰電池充電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤；控制單元主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些狀態(tài)的指示、輸出單元使能、充放電保護(hù)等功能；輸出單元?jiǎng)t是將鋰電池的電壓升高到適當(dāng)?shù)闹到o其他電子設(shè)備充電，同時(shí)支持多快充協(xié)議。

圖5 MPPT移動(dòng)電源系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)對(duì)MPPT單元、控制單元、輸出單元（包括快充協(xié)議識(shí)別功能）進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸入單元的電壓應(yīng)在4.5～28 V，儲(chǔ)電單元采用單節(jié)鋰電池，充滿電后的電壓為4.2 V。

3.1 MPPT單元

為了實(shí)現(xiàn)MPPT功能，選用上海如韻電子公司生產(chǎn)的CN3791芯片。這是一款基于恒定電壓法跟蹤最大功率點(diǎn)的PWM降壓模式芯片，搭配簡(jiǎn)單的外圍電路即可對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行三段式充電。MPPT充電電路如圖6所示，電路中R2和R3分別采用了兩個(gè)可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)R2和R3的阻值可以在一定范圍內(nèi)設(shè)置最大功率點(diǎn)的跟蹤電壓，從而實(shí)現(xiàn)在不同的氣溫條件下有效跟蹤太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)的電壓。

圖6 MPPT充電電路

3.2 電池保護(hù)單元

如圖7所示，鋰電池保護(hù)電路采用DW01單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片，具有過(guò)充、過(guò)放以及短路保護(hù)功能。將GM8205A雙N-MOS管并聯(lián)，可以有效提高電流保護(hù)閾值。

3.3 輸出單元

由于本設(shè)計(jì)中的儲(chǔ)電單元采用的是單節(jié)鋰電池，滿電后的電壓只有4.2 V，而常用的負(fù)載額定充電電壓一般也要5 V，有些支持快充功能的手機(jī)充電電壓可以達(dá)到9 V、12 V，因此必須將鋰電池的低電壓通過(guò)升壓電路升到高電壓后才可以給手機(jī)正常充電[7]。

為了提升鋰電池的電壓，可以采用Boost升壓拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 升壓輸出

本設(shè)計(jì)采用了TI公司的TPS61088同步整流升壓芯片，輸入電壓最低2.7 V，最高輸出電壓可達(dá)12.6 V，具有較高的轉(zhuǎn)換效率，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。鋰電池經(jīng)過(guò)升壓之后，并不能直接觸發(fā)手機(jī)的快充功能，還需要在它們之間增加一個(gè)快充協(xié)議識(shí)別電路，如圖9所示[8]。此電路采用了IP2161快充協(xié)議芯片，支持包括高通QC2.0/3.0、蘋(píng)果2.4A、華為FCP以及展訊SFCP等多種市場(chǎng)上常見(jiàn)的快充協(xié)議。當(dāng)檢測(cè)到接入U(xiǎn)SB端口的待充設(shè)備為非快充設(shè)備類(lèi)型時(shí)，通過(guò)改變DP、DM兩個(gè)引腳的電壓來(lái)握手不同設(shè)備。當(dāng)檢測(cè)到接入U(xiǎn)SB端口的待充設(shè)備為快充設(shè)備類(lèi)型時(shí)，自動(dòng)識(shí)別快充類(lèi)型并對(duì)協(xié)議請(qǐng)求進(jìn)行解析和響應(yīng)，從而完成與待充電設(shè)備的握手過(guò)程。然后按照協(xié)議請(qǐng)求通過(guò)FB引腳SOURCE或SINK電流調(diào)整反饋環(huán)路的反饋電壓，從而調(diào)節(jié)快充電壓。

圖9 快充協(xié)議識(shí)別電路

3.4 控制單元

如果單純考慮對(duì)成本的控制，省掉控制單元也能夠滿足設(shè)計(jì)的基本功能需求。其中充電狀態(tài)可以通過(guò)在MPPT電路中增加兩顆LED燈進(jìn)行指示，但是為了更精確顯示電量以及考慮后續(xù)功能的擴(kuò)展等因素，本設(shè)計(jì)采用了低成本單片機(jī)STC89C51，如圖10所示。

圖10 單片機(jī)控制電路

4 軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

單片機(jī)主要通過(guò)檢測(cè)電池電壓顯示電量，檢測(cè)電池溫度控制充放電。在沒(méi)有充放電時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少電量的損耗。此外，通過(guò)外部按鍵產(chǎn)生的電平變化可以喚醒移動(dòng)電源。

實(shí)驗(yàn)選擇的是一塊戶外常見(jiàn)的折疊式太陽(yáng)能板，標(biāo)稱功率13 W，廠家給出的在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下最大功率點(diǎn)處的電壓和電流分別為6.89 V和1.92 A。為了避免測(cè)試結(jié)果因自然光照強(qiáng)度隨機(jī)變化帶來(lái)的誤差，實(shí)驗(yàn)中使用由鹵鎢燈陣列組成的模擬光源替代太陽(yáng)光照射，通過(guò)改變模擬光源與太陽(yáng)能板之間的高度可以調(diào)整輻射強(qiáng)度與溫度。由于缺少測(cè)試光強(qiáng)的設(shè)備，為了保證每種負(fù)載的測(cè)試條件一致，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將模擬光源與太陽(yáng)能板的距離統(tǒng)一設(shè)置為30 cm，MPPT跟蹤電壓設(shè)置為6.2 V，每一種負(fù)載都在開(kāi)啟光源后30 s的時(shí)刻記錄充電數(shù)據(jù)。表1為使用太陽(yáng)能板對(duì)3種不同的負(fù)載進(jìn)行充電的對(duì)比測(cè)試結(jié)果。

表1 太陽(yáng)能充電對(duì)比測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，加入MPPT功能后，太陽(yáng)能的充電效率有明顯提升。

5 結(jié) 論

從優(yōu)化戶外長(zhǎng)距離行程中電量補(bǔ)充方案的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種適配太陽(yáng)能充電的低成本MPPT移動(dòng)電源，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式驗(yàn)證了其能夠有效提升充電效率，具有廣闊的市場(chǎng)前景。