分析探討太陽能手機(jī)鋰離子電池充電器

0 引言

能源危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)境污染的日益惡化，使太陽能作為清潔干凈的可再生能源得到世界各國的高度重視。隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展，近年來超薄、超輕的光伏電池在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用也得到了很大發(fā)展。太陽能手機(jī)鋰電池充電器擺脫了傳統(tǒng)充電電源的束縛，節(jié)能與環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景。[1]

由于光伏電池的輸出功率受光照、溫度等環(huán)境因素的影響，太陽能充電器既要與使用交流市電的充電器一樣對鋰離子電池進(jìn)行安全快速充電，又要解決以下問題[1]：①如何將環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度以及其他外界條件的變化融入充電控制方法；②充電控制器的最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是什么；③如何實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出功率的最大化。針對上述問題，本文對現(xiàn)在常用的三種手機(jī)鋰電池充電器拓?fù)渑c控制方法進(jìn)行了分析，指出它們在使用太陽能電池供電時(shí)都存在一定的局限性。并設(shè)計(jì)了一個由BUCK變換器構(gòu)成、使用脈沖式充電控制方法、基于單片機(jī)控制的太陽能手機(jī)鋰電池充電器，通過計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證了這種充電器的有效性。

1 目前手機(jī)鋰電池充電器的分析

目前商業(yè)手機(jī)鋰離子電池充電器主要有三種類型：線性式充電器、脈沖式充電器和開關(guān)式充電器[2]。表1 對這三種充電器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及充電控制方法進(jìn)行比較。

從表1可以看出三類充電器各有優(yōu)缺點(diǎn)，線性式充電器采用線性調(diào)整管進(jìn)行充電電流與電壓的調(diào)節(jié)，調(diào)整管上功耗很大，需要采取有效措施來解決散熱問題。開關(guān)式充電器通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷占空比來實(shí)現(xiàn)恒流與恒壓，開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，但是電路較復(fù)雜。脈沖式充電器兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，但是由于充電器本身不調(diào)節(jié)電流，所以需要一個限流型的電源適配器與其配合使用。

表1  三類充電器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

Table 1 The features and structures of three types chargers

充電器類型
 主要電路結(jié)構(gòu)
 充電過程
 充電終止判斷方法
 充電電流控制方式
 優(yōu)點(diǎn)
 缺點(diǎn)
 
線性式
 線性調(diào)整管、線性充電控制電路
 預(yù)充→恒流→恒壓
 最小充電電流、定時(shí)
 線性調(diào)整管調(diào)節(jié)
 電路簡單、體積小、成本低
 損耗大、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重
 
脈沖式
 開關(guān)管、脈沖充電控制電路
 預(yù)充→快速→脈沖
 Ton/Toff比值
 依靠外部限流電源適配器
 電路簡單、體積小、功耗低、效率高
 需限流型電源適配器
 
開關(guān)式
 DC/DC變換器、PWM與充電控制電路
 預(yù)充→恒流→恒壓
 最小充電電流、定時(shí)
 調(diào)節(jié)DC/DC變換器占空比
 功耗低、效率高、充電電流大、輸入電壓范圍寬
 體積大、成本高
 

 以下著重分析當(dāng)由光伏電池為充電器提供電源時(shí)上面三種充電器是否適用。

（1）太陽能充電器宜采用DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于光伏電池輸出特性具有強(qiáng)烈的非線性，其輸出受環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和負(fù)荷等情況影響。從圖1可以看出光伏電池輸出功率隨光照強(qiáng)度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的升高而降低。當(dāng)光照和溫度變化時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作電壓可使其工作在最大功率點(diǎn)附近，即為最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）[3]。因此，為提高光伏電池輸出功率，就需要充電器能調(diào)節(jié)輸入電壓，以調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)。線性式和脈沖式充電器的輸入電壓由外部供電電源決定，因此不能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能。而開關(guān)式充電器的輸入電壓可以通過調(diào)節(jié)占空比D來實(shí)現(xiàn)。例如BUCK變換器輸入輸出電壓的關(guān)系式為：Vo＝D*Vin（Vo為鋰電池端電壓，Vin為太陽能電池輸出電壓）。由于鋰電池電壓變化緩慢，因此改變開關(guān)管占空比D就可以改變Vin，從而實(shí)現(xiàn)MPPT功能。

圖1光伏電池在不同光照（a）和不同溫度（b）下的P－V特性曲線

Fig.1  The P-V curves of the PV module with varying  irradiation (a) and temperature (b)

（2）太陽能充電器宜采用脈沖式充電終止判斷方法。線性與開關(guān)充電模式常用兩種控制算法來判斷電池充滿，第一種為檢測最小充電電流法，第二種為定時(shí)法。如前所述，光伏電池的輸出受外界環(huán)境的影響很大。若在充電過程中，由于天氣變化或周邊環(huán)境的改變使充電電流發(fā)生跌落，并跌落到設(shè)置的終止充電電流值以下時(shí)，則檢測最小電流法會錯誤終止充電。由于充電電流不穩(wěn)定電池的充電時(shí)長也難以預(yù)測，因此，定時(shí)終止充電法也不能保證充滿電池。脈沖式充電曲線如圖2所示，在脈沖充電階段，當(dāng)電池電壓低于4.2V時(shí)則導(dǎo)通開關(guān)管對電池充電，當(dāng)電池電壓超過4.2V時(shí)則關(guān)斷開關(guān)管停止充電，當(dāng)Ton/Toff值低于設(shè)定值時(shí)認(rèn)為電池充滿而終止充電。若由于外界環(huán)境的變化使充電電流下降，電池電壓也隨著下降， Ton/Toff值增大，只有當(dāng)電池確實(shí)充滿時(shí)Ton/Toff才會低于設(shè)定值，因此不會造成誤判。

圖2  脈沖式充電曲線示意圖

Fig.2 The curves of pulse mode charge

通過以上分析可知，由于目前的鋰電池充電器基本上按照穩(wěn)定電源供電的前提條件來設(shè)計(jì)，當(dāng)由太陽能提供電源時(shí)不能很好地適應(yīng)光照、溫度等環(huán)境變化。

2 太陽能手機(jī)鋰離子電池充電器

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的太陽能手機(jī)鋰離子電池充電器系統(tǒng)框圖如圖3所示。該充電器主要由三部分組成：光伏電池、由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制器與一個降壓型直流變換器。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 The system architecture

BUCK變換器的主要功能是：在預(yù)充電階段輸出小電流Imin；在快速充電階段進(jìn)行太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，當(dāng)電流達(dá)到Imax時(shí)限制電流以恒流充電；在脈沖充電階段根據(jù)電池電壓值輸出恒流或停止輸出。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能是：采集鋰離子電池的電壓Vbatt、電流Ibatt、溫度Tbatt和太陽能電池的電壓Vpv、電流Ipv；由軟件程序控制使充電器在不同的充電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換；在不同的充電狀態(tài)根據(jù)控制目標(biāo)計(jì)算出占空比D，輸出PWM驅(qū)動脈沖。

2.2 充電控制方法

本文設(shè)計(jì)的太陽能充電控制器是一個多目標(biāo)控制系統(tǒng)[4]，在充電的不同階段，控制占空比的目標(biāo)也不同，其充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4  充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

Fig.4  The change of charge state

轉(zhuǎn)換條件：①：Vbatt＜Vmin ；  ②、③：Vbatt≥Vmin ； ④：Ibatt≥Imax ； ⑤：Ibatt＜Imax；⑥、⑦：Vbatt≥Vmax；⑧：Ton/Toff≤設(shè)定值。

（1）預(yù)充電：當(dāng)鋰電池插入充電器后，若電池電壓低于設(shè)定的門限值Vmin，則單片機(jī)對占空比的控制目標(biāo)是輸出很窄的PWM脈沖，使變換器輸出一個小電流Imin，對過放電的鋰離子電池進(jìn)行修復(fù)充電；若電池電壓≥Vmin可跳過預(yù)充電階段而直接進(jìn)入快速充電階段。

（2）快速充電：當(dāng)電池電流Ibatt≥Imax時(shí)，單片機(jī)控制PWM脈寬使變換器輸出恒定電流；當(dāng)太陽能電池的輸出功率下降使Ibatt＜Imax時(shí)，則轉(zhuǎn)入最大功率跟蹤狀態(tài)，調(diào)整占空比改變BUCK輸入電壓使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近，即根據(jù)Ibatt的大小充電器可以來回地在MPPT與恒流兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，直到Vbatt≥Vmax（4.2V），轉(zhuǎn)入脈沖充電階段。

（3）脈沖充電：此階段變換器進(jìn)行間歇性的恒流輸出，每隔一段時(shí)間ΔT判斷一次電池電壓值，若Vbatt＜Vmax，則輸出恒流對電池充電；若Vbatt≥Vmax，則停止對電池充電。開關(guān)管驅(qū)動脈沖示意圖如圖5。Ton為輸出PWM驅(qū)動脈沖的時(shí)間，Toff為停止充電的時(shí)間。在Ton期間開關(guān)管以占空比D導(dǎo)通和關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)恒流控制，D= ton/ts。周期ts由開關(guān)工作頻率確定，為μs數(shù)量級。而Ton和Toff為ΔT的整數(shù)倍，ΔT為ms數(shù)量級。在脈沖充電開始時(shí)，Ton/Toff比值較大，隨著電池的逐漸充滿，Toff越來越長，當(dāng)Ton/Toff小于設(shè)定值時(shí)，電池充滿，終止充電。

Fig.5 The drive pulse of MOSFET

當(dāng)電壓達(dá)到Vmax后，脈沖充電器仍對鋰電池施加大電流的充電脈沖，使電池電壓在脈沖期間略微超出Vmax，但這并不會使電池提前老化。相反，脈沖充電可以減小充電過程中極化現(xiàn)象的影響，有效增大充電電量，提高充電效率[5]。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證該太陽能手機(jī)鋰電池充電方法是否可行，采用matlab的simulink工具箱搭建了系統(tǒng)仿真模型[6-8]，simulink仿真模型如圖6所示。圖中光伏陣列輸出功率為5W，鋰離子電池的額定容量為850mAh。Precharge、MPPT、CC、Pulse 4個模塊分別實(shí)現(xiàn)預(yù)充、最大功率跟蹤、恒流、脈沖充電功能，由Control模塊控制多路開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。最大功率跟蹤采用由光伏陣列輸出功率的比較結(jié)果直接改變DC/DC變換器占空比的登山法[9]。由信號模塊signal1模擬光照強(qiáng)度的變化。預(yù)充電壓門限設(shè)為2.9V,預(yù)充電流Imin設(shè)置為0.1C(C為鋰電池的額定容量)。恒流充電電流設(shè)為1C，考慮到電感電流紋波的影響，設(shè)置MPPT與恒流的轉(zhuǎn)換門限為0.95Imax。ΔT設(shè)為64ms，當(dāng)Ton/Toff小于1/256時(shí)認(rèn)為電池已充滿。

圖6  系統(tǒng)的simulink仿真模型

Fig.6  System simulation model in simulink

采用圖7所示光照強(qiáng)度，仿真結(jié)果如圖8(a)所示。從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖8(c)可看出當(dāng)光照在1000s和2000s處變化時(shí)，充電器能自動在恒流與MPPT充電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，使充電電流Ibatt達(dá)到最優(yōu)化。在脈沖充電階段，當(dāng)光照在4000s處跌落時(shí)，充電器仍然繼續(xù)充電，直至Ton/Toff小于設(shè)定值，電池充滿。由放大的電流波形圖8(b)可看到隨著充電時(shí)間的增長Toff 逐漸變大的過程。電壓Vbatt曲線符合鋰電池的充電特性，電池充滿后電壓保持在4.2V。

圖9為在相同光照下充電器不具有MPPT功能時(shí)的仿真結(jié)果。從圖上看出1000s-2000s光照跌落時(shí)的充電電流明顯低于圖8 (a)的電流，使鋰電池電壓增長變慢，導(dǎo)致總充電時(shí)間延長了約400s。

圖10為用一個恒壓模塊代替圖6中Pulse模塊進(jìn)行仿真的結(jié)果，此時(shí)采用檢測最小電流法（小于0.1C）終止充電。當(dāng)進(jìn)入恒壓充電階段后，在4000s處光照下降時(shí)充電器立即停止充電，然而此時(shí)電流的下降是由于外界因素的影響，并不是電池已充滿，因此鋰電池電壓很快下降。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的太陽能手機(jī)鋰電池充電器采用DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤，使光伏電池效率最大化，同時(shí)在充電終止判斷方法上，考慮了光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素對鋰電池充電曲線的影響，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行充電終止判斷，使鋰電池達(dá)到額定容量。

圖7  光照強(qiáng)度變化圖

Fig.7 Change of the irradiation

圖8 （a）脈沖充電鋰電池電壓、電流波形圖 （b）局部放大圖（c）充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

Fig.8  (a) Voltage and current wave of the Li-ion battery in the pulse charge mode (b) local zoom (c) The change of charge state

圖9  無MPPT充電時(shí)鋰電池電壓、電流波形圖

Fig.9  Voltage and current wave of the Li-ion battery without MPPT

圖10  恒流恒壓充電時(shí)鋰電池電壓、電流波形圖

Fig.10 Voltage and current wave of the Li-ion battery in the CC-CV charge mode