便攜式太陽(yáng)能雙向變換器及其能量管理研究

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(shū)到一些便攜式測(cè)控儀器滿(mǎn)足著人們的生活和工作需求。太陽(yáng)能光伏充電能滿(mǎn)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(guò)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(hù)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(guò)程與模式一類(lèi)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(lèi)似。當(dāng)USB口接充電電源時(shí)，是充電電源通過(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(xiàn)[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(guò)程已經(jīng)結(jié)束。如果在這個(gè)工作過(guò)程中，陽(yáng)光足夠，太陽(yáng)能板有輸出，則太陽(yáng)能板通過(guò)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(guò)充電與過(guò)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。考慮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(guò)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(zhuān)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(mǎn)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(kāi)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(guò)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(mǎn)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)

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.

[3] 趙宏, 潘俊民. 基于Boost電路的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)[J]. 電力電子技術(shù). 2004, 38(3):55-57.

[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.