一種實用太陽能充電器的研制

龔 舒，盧雯興，龔 暢，陳紹南，李如琦

（廣西大學電氣工程學院，南寧 530004）

隨著傳統能源的日益枯竭，太陽能作為一種清潔、高效的可再生能源而備受關注。目前，太陽能的利用，主要包括光熱轉換和光伏發電兩方面，光伏發電已經成為電力電子的研究熱點之一[1～2]。鋰電池由于能量密度高、使用壽命長等優點，廣泛應用在便攜式電子產品中[3]，隨著太陽能電池板性價比的提高，由太陽能直接為鋰電池提供充電能量，將會得到越來越廣泛的應用。本文介紹了一種實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，給出了實驗結果。

1 系統結構

由于太陽能電池板的輸出電壓及功率隨光照強度波動較大，因此首先將太陽能電池板的輸出波動電壓經電壓變換電路后，轉變成充電管理電路所需要的穩定電壓，根據電池電壓，充電管理電路可對電池進行預充、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，可根據太陽光照情況，手動調節充電電流大小。為此，將太陽能充電器系統框架確定為如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 電壓變換電路設計

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值，D、D'、T 分別是開關管導通占空比、二極管導通占空比和開關周期。

在一個開關周期結束時，根據電感電流是否為零，Buck變換器可工作在不連續導電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）和連續導電模式（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，具有電流應力小和輸出紋波小的優點，DCM則反之。

2.2 電路設計

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載，根據實際應用情況，該級的設計參數為：輸入電壓5.5～12 V，輸出電壓4.7 V/550mA，輸出紋波電壓50 mVpp。

實驗電路及其參數如圖3所示，其中太陽能電池板的主要參數為：標稱功率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LM2596T，內部集成PWM控制電路和主開關管，各引腳功能如表1所示。

表1 LM 2596T 的引腳功能

為了提升轉換效率，Buck變換器設計在CCM模式，將已知參數代入式(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節的推導，可以算得，流過IC1內部主開關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），LM2596最大電流為3 A，完全可滿足要求；流過續流二極管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），選用SB240可滿足電壓、電流應力要求，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，使得IC1在輸入電壓高于4.7 V時（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 充電管理電路設計

3.1 鋰電池充電特性曲線

理論和實踐證明，鋰電池的充放電，是一個復雜的化學過程，鋰電池一般是分階段進行充電，充電曲線如圖4所示。

圖4 鋰電池的充電曲線

當電池電壓小于VMIN時，用較小電流IPRE進行預充電；當電池電壓大于VMIN，小于VREG，用較大電流IREG進行恒流快速充電；當電池電壓上升至VREG，進行恒壓充電，在充電電流減小至IPRE時，充電完成。

3.2 電路設計

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，即關閉溫度檢測功能。充電電流由下式決定

可根據光照情況選擇充電電流，在S1閉合時，快速充電模式，充電電流在530mA左右。在S1打開時，慢速充電模式，充電電流在320mA左右。LED指示充電狀態，R11為限流電阻，預充和充電時，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為線性調整管，在滿足電壓、電流應力的要求下，應選用高β值，低Vce壓差的管子，FZT788B可滿足要求。

4 實驗結果

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。可見，在輸入電壓較大范圍的波動下，電壓變換電路始終能為電池管理電路提供穩定的4.7 V電壓。對于單節860mAh的鋰電池，初始電壓3.2 V（普通手機的電池欠壓保護電壓），在快速充電模式下，整個充電過程持續約1.5 h，在慢速充電模式下，整個充電過程持續約2.5 h，充電器的整機效率在62%～80%。

圖6 實驗波形

5 結束語

本文研制了一款實用的太陽能充電器，太陽能電池板的輸出波動電壓，經電壓變換電路后，轉變成充電所需要的穩定電壓，根據電池電壓，充電管理電路可對電池進行預充、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。實驗結果表明，該充電器的轉換效率高達80%，可在1.5～2.5 h內完成普通手機電池的充電，具有一定的實用價值。

[1]盧 琳，殳國華，張仕文.基于MPPT的智能太陽能充電系統研究[J].電力電子技術，2007，42(2):96-98.

[2]吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.獨立光伏照明系統中的能量管理控制[J].中國電機工程學報，2005，25(22):68-72.

[3]周志敏，周紀海，紀愛華.充電器電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[4]劉樹林，劉 健，寇 蕾，等.Buck變換器的輸出紋波電壓分析及其應用[J].電工技術學報，2007，22(2):91-97.

[5]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.