一種便攜式簡易智能光伏充電器的設計

李威辰，郭瑭瑭，鄧 焰，何湘寧

（浙江大學電氣工程學院，杭州 310027）

1 引言

隨著全球對能源需求的不斷增長以及環境污染的日益加重，光伏發電越來越受到廣泛的重視。其中獨立光伏發電系統廣泛用在便攜的應用場合，來提供清潔的、可持續的電力供應。一般的獨立光伏發電系統的前級由光伏電池、DC-DC變流器和蓄電池組成，是一個光伏充電器[1]。

光伏電池的伏安特性曲線是非線性的，存在著一個最大功率點。為了充分利用光伏電池，應使光伏電池一直工作在最大功率點處，輸出最多的電能。但是，當外界環境的溫度和光照強度變化時，最大功率點的位置也相應變化，因此需要調整光伏電池，使其工作在新的最大功率點處，這就是光伏發電中的最大功率點跟蹤（MPPT）問題。

傳統的蓄電池充電過程包括兩個階段：首先是對蓄電池進行恒流充電，當蓄電池的電壓達到浮充電壓后，充電模式變為恒壓充電[2]。

采用光伏電池為蓄電池充電，一方面要充分利用光伏電池，對光伏電池進行最大功率點跟蹤。但是在充電的末期，充電電流過大會對蓄電池造成損傷，減少蓄電池的壽命。另一方面，如果按照傳統的充電方式進行充電，則會造成太陽能的損失。因此，光伏充電器的充電策略與傳統的充電器不同，除了考慮不損傷蓄電池外，還需要考慮光伏電池的利用率。此外，在便攜應用場合中，充電器的體積和重量也很重要。

本文提出一種便攜式簡易智能光伏充電器的設計，適合使用光伏電池為蓄電池充電的場合，采用了開路電壓比例法實現MPPT。充電過程包括三種充電模式。第一種是限流充電模式，把充電電流限制在蓄電池最大充電電流以下，從而保護蓄電池不受損傷。第二種是MPPT充電模式，充電器對光伏電池進行最大功率點跟蹤，充分利用光伏電池。第三種是恒壓充電模式，充電器對蓄電池進行恒壓浮充，此時充電電流很小。充電器可根據實際情況智能的在三種充電模式中進行相互轉換。

2 簡易智能光伏充電器的原理

圖1 是簡易智能光伏充電器的結構框圖。在便攜應用場合中，光伏電池要滿足輕便的要求，所以光伏電池的電壓選擇在16.5～21 V之間，高于蓄電池的11.1 V電壓。為了減小體積和重量，蓄電池采用鋰電池。充電器的主電路采用降壓型的Buck變流器，因為Buck變流器結構簡單，成本低。

充電器的控制電路由MPPT控制環、限流控制環、恒壓控制環和一個智能選擇開關組成。根據光伏電池的輸出功率和蓄電池的電壓，智能選擇開關可以自動選擇三個控制環中的一個對主電路進行控制。

當光伏電池輸出的功率過大，智能選擇開關會選擇限流控制環，使得充電電流低于蓄電池的最大充電電流。當光伏電池的輸出功率適當而且蓄電池的電壓低于浮充電壓，智能選擇開關會選擇MPPT控制環，從光伏電池盡可能多的獲取電能，充分利用光伏電池。當蓄電池電壓達到浮充電壓后，恒壓控制環被選中。充電器會對蓄電池以很小的電流進行恒壓浮充。

有很多方法能夠實現MPPT，如開路電壓比例法、擾動觀察法和電導增量法等等[3]。這里使用了開路電壓比例法，因為使用這種方法只需檢測光伏電池的開路電壓，簡單而且易于實現，同時和MPPT有關的電路可以集成在一塊芯片上，從而縮小體積。

圖1 簡易智能光伏充電器的結構框圖

3 設計方案的具體實現

圖2 是控制電路的具體實現框圖。智能選擇開關可以由兩個二極管輕易實現。恒壓控制環中，蓄電池電壓采樣值Vo和參考值Voref作為輸入；MPPT控制環中，Buck變流器輸入電壓采樣值Vi和參考值Viref作為輸入。在充電的初始階段，蓄電池的電壓低于浮充電壓，Vo低于Voref，恒壓控制環的輸出為高電平。二極管D2反偏，恒壓控制環不起作用，Buck變流器由MPPT控制環控制。當蓄電池電壓達到浮充電壓后，恒壓控制環有效，取代之前的MPPT控制環。限流控制環由峰值電流模式控制芯片實現，需要采樣流過開關管的電流。為使電路工作穩定，需要加斜坡補償。所以無論選擇哪個控制環，充電電流都不會高于蓄電池的最大充電電流。

本文提出的充電器使用開路電壓比例法實現MPPT。光伏電池的光照強度特性曲線如圖3，光伏電池的溫度特性曲線如圖4。顯然，光伏電池最大功率點的電壓約為開路電壓的80%，而且這一個參數幾乎不隨溫度和光照強度的變化而變化。因此在MPPT控制環中，使用開路電壓的80%作為參考電壓Viref，將光伏電池的工作電壓穩定在開路電壓的80%左右，從而實現MPPT。

圖2 控制電路框圖

圖3 溫度不變，光照變化時P-V曲線

圖4 光照不變，溫度變化時P-V曲線

在開路電壓比例法中，如何獲取光伏電池的開路電壓參數很關鍵。圖5是采樣保持電路的原理框圖。555定時器周期的發出采樣脈沖。當555定時器輸出高電平時，通過峰值電流模式控制芯片關斷開關管，此時Buck變流器的輸入電壓恰好是光伏電池的開路電壓。經過短暫的采樣時間后，555定時器輸出低電平，采樣保持芯片LF398輸出電壓不變，為衰減后的光伏電池的開路電壓。將此電壓用電阻分壓，衰減到原來的80%作為MPPT控制環的參考電壓Viref。此時電路正常工作，將Buck的輸入電壓，即光伏電池的工作電壓穩定在開路電壓的80%左右，實現MPPT。采樣的周期需要適當的選擇，過短的采樣周期會造成太陽能的浪費。相反，采樣周期過長會導致得到的采樣電壓值下降，降低采樣的精度。本文的采樣周期選擇約10 s，采樣的時間約100 ms。

圖5 采樣保持電路原理框圖

此外，Buck變流器，恒壓控制環和限流控制環的參數設計與傳統的蓄電池充電電路一致，在此不再贅述。

4 實驗驗證

充電器電路的具體參數如表1。為了驗證提出的設計方案的可行性，制作了一臺60 W光伏充電器樣機。光伏電池的開路電壓在16.5 V至21 V之間，鋰電池的電壓在9 V至12 V之間，容量為10 Ah。

圖6 是采樣開路電壓的實驗波形。其中，Voc為光伏電池開路電壓波形，Vsample為采樣得到的衰減過的光伏電池開路電壓波形，Vpulse為采樣脈沖電壓波形。從圖中可以看出，當光伏電池的開路電壓Voc改變之后，當采樣脈沖Vpulse由低電平變為高電平時，采樣保持芯片LF398處于采樣狀態，采樣電壓Vsample可以跟蹤到改變后的開路電壓。隨后采樣脈沖Vpulse由高電平變為低電平，LF398處于保持階段，采樣電壓Vsample不再變化。

表1 充電電路參數

Buck變流器中，門極驅動信號和開關管的電壓波形如圖7所示。Buck變流器的輸入電壓Vin和輸出電壓Vout波形如圖8所示。從這兩幅圖可以看出，充電電路工作良好。

圖6 采樣開路電壓實驗波形

圖7 門極驅動信號和開關管電壓波形

圖9 蓄電池電壓和充電電流變化曲線

在充電階段，蓄電池的電壓和充電電流的變化曲線如圖9所示。蓄電池電壓由11.55 V充到11.82 V，充電電流下降。最后，蓄電池的電壓穩定下來，不再上升，說明已經進入恒壓充電模式。

光伏電池的工作電壓Vop與開路電壓Voc的比例Vop/Voc的變化曲線如圖10所示。在充電的最初階段，該比例約為82%，由此說明光伏電池工作在最大功率點附近。當電路運行在恒壓充電模式時，該比例遠大于82%，說明光伏電池不再工作在最大功率點附近，以此來保護蓄電池。

圖10 充電電壓與比例系數Vop/Voc的變化曲線

5 結語

本文提出了一種便攜式簡易智能光伏充電器的設計方案。該方案的優點在于：（1）由于控制電路僅由幾片模擬芯片組成，而主電路是一個Buck變流器，所以充電器的電路很簡單，由此帶來了成本低、體積小、重量輕的優點。這些優點都滿足便攜應用場合的需要；（2）該充電器能夠在外部溫度和光照強度變化的情況下，實現對光伏電池的最大功率點的跟蹤，從而充分利用了光伏電池，避免了太陽能的浪費，同時還保留了傳統充電器的功能；（3）該充電器易于集成，可以進一步減小尺寸和體積，提高功率密度。最后，為了驗證該方案的可行性和實用性，制作了一臺60 W的樣機。

[1]肖鵬,陳國呈,吳春華,張翼.一種新型光伏獨立發電系統拓撲及控制策略[J].上海大學學報（自然科學版）,2008,14（6）:633-636.

[2]曹成茂,馬德貴.鉛酸蓄電池充電電路設計研究[J].安徽農業大學學報,1998,25（2）:200-202.

[3]T Esram,P L Chapman.Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques.IEEE Transactions on Energy Conversion,2007，22（2）:439-449.