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如何设计锂离子电池充电器,以从太阳能电池板获得最大电力
文章来源:永阜康科技 更新时间:2021/8/5 9:56:00

摘要

太阳能对便携式设备供电而言相当有吸引力,也一度广泛应用于计算器和航天飞行器等应用中。近期,我们正考虑将太阳能应用于包括移动电话充电器在内的更广泛的消费类产品应用中。

不过,太阳能电池板能提供的电力主要取决于工作环境,如光照强度、时间、地点等因素。电池通常用作能量存储设备,如果太阳能电池板能提供更多电力,就可给电池充电;如果太阳能电池板提供的电力不足,那么反过来电池就给系统供电。我们要如何设计锂离子电池充电器才能尽可能地利用太阳能电池并给锂离子电池充电呢?首先,我们来讨论太阳能电池的工作原理与电子输出特性,然后,我们再讨论电池充电系统的要求以及系统解决方案与太阳能电池特性相匹配的问题,从而尽可能地利用太阳能电池。

太阳能电池的 I-V 特性

基本上,太阳能电池包括一个 p-n 接点,光能(光子)在此使得电子和空穴重新组合,从而产生电流。由于 p-n接点的特性类似于二极管,因此我们通常将图 1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。

此处插入图 1
图 1 :太阳能电池的简化电路模型

电流源 IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时,几乎所有生成的电流都流经二极管 D,其正向电压决定着太阳能电池的开路电压 (VOC)。VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅电池来说,VOC 值都在 0.5V~0.6V 之间,这也是 p-n 接点二极管的正常正向电压范围。

并行电阻 (RP) 表示实际电池发生的较小漏电流,而 Rs 则表示连接损耗。随着负载电流的增加,太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。对大多数负载电流值来说,这对输出电压仅产生很小的影响。

图 2 显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的 I-V 特性不同而略有变化,且串联电阻 (RS) 也会造成较小的压降,但输出电压基本保持为常量。不过,在某一时刻,通过内部二极管的电流会非常小,导致偏置不足,这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后,当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时,输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流 (ISC),它与 VOC 都是决定电池工作性能的主要参数,因此,我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时,输出电压会下降,最后降为零,这时负载电流为短路电流。

此处插入图 2
2 :典型的太阳能电池 I-V 特性

在大多数应用中,理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积,因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值,即所谓的最大功率点 (MPP)。在一种极端情况下,输出电压为最大值(VOC),但输出电流为零;在另一种极端情况下,输出电流为最大值 (ISC),但输出电压为零。在上述两种情况下,输出电压与电流的乘积均为零,因此,MPP 必须在两种极端情况之间。

我们可以很容易地证明(或通过实验观察到),不管在何种应用,MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处(见图 3)。实践中的问题在于,太阳能电池 MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化,因此,为了尽可能利用太阳能,系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近 MPP。

此处插入图 3
图 3 :太阳能电池输出特性

 

优化电池充电器设计,以从太阳能电池板获得最大电力

我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的 MPP,不过这些方法通常会比较复杂,特别对卫星等关键任务系统来说更是如此。不过,在许多低成本系统中,我们并不必强求 MPP 跟踪系统的精确性。简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的 90% 左右就可以了。充电控制系统如何让太阳能电池的工作接近 MPP 呢?

动态电源路径管理 (DPPM) 技术能满足跟踪 MPP 的设计挑战。图 4 显示了锂离子电池充电应用的电路,可实现太阳能电池板电力的最大化,且我们能用 MOSFET Q2 来调节电池充电电流、充电电压或系统总线电压。太阳能电池板用作电源,对单节锂离子电池进行充电。太阳能电池板包括一系列硅单元串,每串包括 11 个硅单元,就好像电流有限的电压源,电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。

DPPM 能够监控系统总线电压 (VOUT) 随电流限制电源的下降。系统总线连接的电容 (Co) 开始放电,一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能电池板提供的电流,就会使系统总线电压下降。一旦系统总线电压降到预设的DPPM 阈值,电池充电控制系统将在 DPPM 阈值位置调节系统总线电压。我们可通过降低电池充电电流来实现上述目的,从而获得太阳能电池板的最大电力。DPPM 控制电路设法达到稳定状态条件,使系统获得所需的电力,并用剩余电力给电池充电,这样,我们就能最大化太阳能电池板的电力,并提高系统的可靠性。

此处插入图 4
图 4:用太阳能电池板给一节锂离子电池充电

图中太阳能电池板提供的最大输出电压 (VOC) 通常在 5.5V~6.0V 之间。由于该电压低于预定义的 6V 输出调节电压,因此 MOSFET Q1 完全打开。如果系统和电池充电器所需的总电流超过太阳能电池根据光照量决定的输出电流,那么太阳能电池板的输出电压将降低,从而减小输出电压 (VOUT)。当 VOUT 降至 VDPPM 时(也是太阳能电池板的输出电压),充电电流降低。如 VDPPM 设置靠近 MPP 的话,那么太阳能电池板这时将工作在靠近 MPP 的位置。我们通过对 RDPPM 进行适当编程,使其达到一定的值,确保 VOUT 保持最小为 4.5V,从而实现上述目的。我们之所以使用 VDPPM 的值,是因为它合理地对应于太阳能电池板的 MPP。

假定 MOSFET Q1 上的压降为 300mV,那么每个单元上的压降将等于 436mV,这将最大化太阳能电池板的功率输出。如果 VOUT 大于 4.5V,那么 DPPM 不起作用,太阳能电池板将远离其 MPP。不过,只有系统和电池充电器所需的电力小于太阳能电池板的供电量时,才会发生上述情况。这时,效率降低并不会很重要。图 3 显示出,输出功率接近 MPP 时,其曲线比较平坦,随后会急剧下降,因此我们最好将 VDPPM 设得略高一些,而不要设得略低,这将尽可能降低因工作电压设置不当而对输出功率产生不良影响。假如即便电池充电电流降至零时,太阳能电池板可用的电力也不足以给系统供电的话,那么 MOSFET Q 2将完全打开,VOUT 刚好降至电池电压 VBAT 值以下,且电池可提供太阳能电池板所不能提供的电流。

如充电器工作于 DPPM 中时,内部安全定时器会自动扩展。这样,在低光照或无光照等特殊工作条件下,电池充电会非常慢,抑或电池会处于放电模式。我们几乎不可能就所有应用设置适当的充电安全定时器,否则就可能导致安全定时器出错,因此我们可通过禁用安全定时器来解决相关问题。

总结

我们认为,太阳能电池板提供的电力是一种电流有限的电压电源。我们可在系统和电池充电所需的总电流超过太阳能电池板提供的电流时,通过降低充电电流并在 MPP 附近调节系统总线电压,从而使太阳能电池板给锂离子电池充电提供最大电力。系统电源和电池充电电源控制架构是设计可靠的太阳能电池板供电系统的关键组成部分。



 
 
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