鋰電池太陽能充電電路設(shè)計(jì)

楊皓欽　余醉仙　馬春良　許志楊

摘 要 本文旨在設(shè)計(jì)一種新型充電電路，利用太陽能對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。通過TD1410芯片實(shí)現(xiàn)降壓型電路設(shè)計(jì)，對(duì)太陽能電池電壓的輸出進(jìn)行穩(wěn)壓，繼而對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，并且對(duì)電路板進(jìn)行了多次測試。結(jié)果表明，電路穩(wěn)壓充電效果良好，為利用太陽能對(duì)鋰電池進(jìn)行充電的充電器設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞 太陽能 TD1410 降壓電路 鋰電池充電

中圖分類號(hào)：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.024

Abstract The purpose of this paper is to design a new charging circuit， using solar energy to charge the lithium battery. Through the TD1410 chip to achieve step-down circuit design， the output voltage of the solar cell voltage， and then charge the lithium battery， and the circuit board has been tested for many times. The results show that the circuit has a good effect， and it can be used as reference for the design of charger for lithium battery.

Key words solar； TD1410； step-down circuit； lithium battery charging

太陽能作為一種可再生能源，從發(fā)展之初就備受關(guān)注。如今，經(jīng)過近六十年的研究，太陽能電池的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。太陽能型移動(dòng)電源在長日照地區(qū)有很大的運(yùn)用空間，可以通過充足的光照補(bǔ)充電量。然而，它容易受到天氣特別是光照的影響，使得輸出電流波動(dòng)較大。若將太陽能電池的電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定，滿足鋰電池充電需求，便能解決該問題，從而可以在偏遠(yuǎn)落后地區(qū)或者通電困難的情況滿足供能需求。

鋰電池作為一種便攜式可充電池，具有能量密度高，壽命長，充電功率范圍廣等突出優(yōu)點(diǎn)。本文采用了太陽能電池通過降壓電路對(duì)鋰電池進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)功率的穩(wěn)定輸出，避免了大幅波動(dòng)的電流產(chǎn)生，同時(shí)具有過電流保護(hù)和短路電流保護(hù)功能。

1 太陽能電池工作特點(diǎn)

常見的太陽能電池以光電效應(yīng)工作，特性類似二極管。當(dāng)太陽能電池被陽光照射時(shí)，半導(dǎo)體材料p-n結(jié)產(chǎn)生新的空穴-電子對(duì)。在p-n結(jié)電場作用下，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成負(fù)電荷區(qū)；而電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，在N區(qū)形成正電荷區(qū)。兩區(qū)域間的電動(dòng)勢因此產(chǎn)生，接上電路后電流便可形成。

由于太陽能發(fā)電板的輸出電流和電壓是隨電池板上有效光照強(qiáng)度變化而波動(dòng)。所以一般無法用太陽能電池直接給用電系統(tǒng)供電。因而考慮先將太陽能電池的能量存儲(chǔ)起來，再通過蓄電池進(jìn)行供電。這便要求充電電路能夠適應(yīng)太陽能電池的電壓——電流輸出特性，并且能提供穩(wěn)定的充電電壓和充電電流。

2 電路設(shè)計(jì)

單塊鋰電池的充電電壓為低于4.2V的恒流或4.2V時(shí)恒壓充電模式，若充電電壓超過4.25V，則會(huì)損傷電池。因此，充電電路中芯片電壓典型值在4.2V左右。

基于太陽能電池板的浮動(dòng)電壓——電流的輸出特性和鋰電池的特性，我們擬使用以TD1410（PWM Buck DC/DC Converter）為核心的脈寬調(diào)制降壓型直流/直流變換電路作為充電電路。

2.1 降壓斬波電路的基本原理

如圖1所示，這是一個(gè)降壓斬波電路結(jié)構(gòu)簡圖，E為直流電源，V為晶閘管，VD為續(xù)流二極管，設(shè)電感L值很大，電容C值也很大，使電感電流和電容電壓即負(fù)載電壓E基本為恒定值。

V導(dǎo)通時(shí)，電源E向電感L供電并使其蓄能，電路中電流為。此時(shí)，電容C維持輸出電壓恒定并供電給負(fù)載R，負(fù)載電壓E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升；

V斷開后，電感L的能量向R供能，電流為，負(fù)載電壓與電源電壓極性相反。負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓I/O近似為0，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且波動(dòng)小，電路中串接的電感L值較大，負(fù)載電壓的平均值為：

= = =

改變占空比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0< <1/2時(shí)為降壓；當(dāng)1/2<<1時(shí)為升壓。根據(jù)該原理，搭建出降壓電路基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 基于TD1410降壓充電電路設(shè)計(jì)

圖2中TD1410芯片固定頻率為380KHZ，為脈沖寬度調(diào)制電路，是一款開關(guān)型的降壓轉(zhuǎn)換電路。內(nèi)部集成了功率晶體管，使電源電壓在3.6V-20V范圍波動(dòng)情況下能夠穩(wěn)定輸出2A電流。以圖1所示的降壓斬波電路作為模板，太陽能電池的電壓在15～20V浮動(dòng)，作為左端的直流輸入。電路中的電容起到濾波和減少電壓波動(dòng)的作用。TD1410的八個(gè)引腳需要用到五個(gè)。輸出端連接的SS34（肖特基二極管）其作用有二：一是起開關(guān)電路輸出續(xù)流作用，保持輸出電流的連續(xù)性；二是起反向隔離作用，防止輸出端的11.1V電壓反向影響輸入端。在理論上認(rèn)為電感值為無窮大，在實(shí)際工程運(yùn)用中，考慮電感性能和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)指標(biāo)，選用15uh的電感。調(diào)節(jié)和可以改變輸出電壓和電流，即改變占空比。該設(shè)計(jì)具有良好的帶負(fù)載能力和線性特性，適應(yīng)0～100%的占空比，具有過電流保護(hù)和短路電流保護(hù)功能。

3 電路測試

鋰電池太陽能充電電路設(shè)計(jì)基于圖2完成。考慮到實(shí)驗(yàn)過程中，電壓和電流等參量會(huì)受到天氣和光照等因素的影響，本實(shí)驗(yàn)選取了在光照強(qiáng)度理想的情況下，在不同時(shí)刻對(duì)鋰電池進(jìn)行充電測試分析。太陽能電池開路電壓20V，短路電流1.2A，最大功率電壓20V，最大功率電流1.1A；電池包采用3塊鋰電池串聯(lián)，標(biāo)稱電壓11.1V，最大充電電壓14.3V，放電欠壓保護(hù)9V，最大充電電流3A。

因?yàn)楣庹諒?qiáng)度的變化最終導(dǎo)致的是輸入電壓電流的變化，所以我們選取電壓和電流作為輸入變量。分析實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，與輸入電壓相比，充電電壓有明顯下降，并且波動(dòng)幅度明顯小于輸入電壓的波動(dòng)，如圖3所示。對(duì)比圖4中的輸入電流和充電電流，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入電流大于0.95A時(shí)，充電電流略小于輸入電流；當(dāng)輸入電流小于0.95A時(shí)，充電電流略大于輸入電流，這表明在充電過程中，電路可以對(duì)充電電壓和充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其滿足鋰電池的充電需求，同時(shí)，減小電壓和電流的波動(dòng)，保證了充電的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)使用TD1410作為充電管理芯片，針對(duì)3S鋰電池和太陽能電池特性，設(shè)置合適的充電電壓和充電電流，搭建出了能量轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板對(duì)鋰電池的穩(wěn)定有效充電，并且滿足鋰電池和太陽能電池板的使用要求。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，電路可以對(duì)充電電壓和充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其滿足鋰電池的充電需求，并且減小了電壓和電流的波動(dòng)，在一定范圍內(nèi)時(shí)都能實(shí)現(xiàn)了正常充電。此外，該設(shè)計(jì)還具有過電流保護(hù)和短路電流保護(hù)功能。然而充電效率還有待提高。

*通訊作者：余醉仙

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