便攜式太陽能雙向變換器及其能量管理研究

潘三博，郝夏斐

（安陽師范學(xué)院，安陽 455002）

0 引言

太陽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)對溫室效應(yīng)的一個重要舉措。太陽能產(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速度為42%。在當(dāng)今信息社會中，便攜式電子設(shè)備已充斥著人們的生活，從手機、數(shù)碼相機、電子書到一些便攜式測控儀器滿足著人們的生活和工作需求。太陽能光伏充電能滿足便攜式電子設(shè)備供電方便的要求。隨著太陽能應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，高效率的便攜式太陽能充電器將會廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備[1]。

本文提出一種太陽能雙向變換器，它包含太陽能電池板、USB口充電電源與負載、鋰離子儲能電池。通過由電感、P型 MOSFET與 N型MOSFET組成的雙向變換器運行于不同的工作模式，實現(xiàn)了提高效率、太陽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個大小不同的USB口的方案不同，本電路采用一個標(biāo)準(zhǔn)USB口，既能作為輸入充電接口，也能作為輸出接口。大大簡化輸出，防止了用戶使用錯誤造成的損壞。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所示是太陽能雙向變換器的主電路。便攜式太陽能變換器的太陽能板功率較小，一般需要儲能。它包含：太陽能電池板、鋰離子儲能電池和充電電源與負載接口。其中，充電電源與負載接口共用一個USB口。按照能量的供給與流向，電路主要分為以下三個工作模式：

圖1 太陽能雙向變換器原理框圖

模式一：太陽能供電，USB口不接通。

當(dāng)蓄電池電壓低于一定范圍時，太陽能電池通過雙向變換器給蓄電池充電，雙向變換器工作于降壓變換。其中太陽能板通過二極管接至變換器，防止電流回流，保護太陽能板。直至蓄電池電壓充到保護電壓上限時，雙向變換電路停止工作，蓄電池保護電路動作，蓄電池充滿電。

模式二：太陽能供電，USB口接通。

當(dāng)USB口接充電電源時，這時太陽能板與USB的輸入一起給蓄電池充電。工作過程與模式一類似。當(dāng)USB口接便攜式電子產(chǎn)品負載時，太陽能板與蓄電池一起給USB供電。雙向變換器工作于升壓變換，儲能蓄電池給負載放電。直至蓄電池電壓放到保護電壓下限時，雙向變換電路停止工作，蓄電池保護電路動作，蓄電池放完電。

模式三：太陽能不供電， USB口接通。

此模式與模式二類似。當(dāng)USB口接充電電源時，是充電電源通過雙向變換器的降壓變換給蓄電池充電。當(dāng)USB口接便攜式電子負載時，則是蓄電池通過雙向變換器的升壓變換給負載放電。瞬時功率較小的太陽能板不提供能量。

當(dāng)太陽能不供電， USB口也不接通時，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載，對確定電路工作于哪種模式非常重要。通過檢測USB口電壓，當(dāng)電壓為穩(wěn)定的5V時， USB口接的是充電電壓。當(dāng)電壓低于5V且電流方向為蓄電池輸出時，則USB口接的是負載。下面詳細分析主要工作模式下的能量管理。

2.1 太陽能板的最大功率輸出

太陽能供電給儲能蓄電池，這是這種產(chǎn)品工作時間最多的一種方式。這時，雙向變換器工作于降壓模式，就是太陽能板給自帶的儲能蓄電池充電。為充分利用太陽能，通常需加上最大功率跟蹤控制[2]，比沒有最大功率控制的多輸出20%的能量[3]。因為輸出的對象是蓄電池，所以可以認為一定的作用時間內(nèi)，蓄電池電壓保持不變。檢測到的電流與上一時刻的電流進行對比，如果電流比較大，則可認為輸出功率比較大。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，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)置的儲能電池對負載電池進行充電時采用慢充-快充-恒壓沖三段式充電曲線[4]。共包括三個階段，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進行充電，此時負載電池電壓會不斷升高，充電電壓同時要不斷升高；第三階段為恒壓充電階段，當(dāng)手機電池電壓升高到一定程度時，采用恒壓進行充電，此時充電電流會逐漸降低，降低至50mA以下則認為充電過程已經(jīng)結(jié)束。如果在這個工作過程中，陽光足夠，太陽能板有輸出，則太陽能板通過防回流二極管也給負載充電。

3 實驗電路與結(jié)果

為驗證原理，制作了實驗樣機。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。為了簡化便攜式電子產(chǎn)品電路，Q1、Q2這2個MOSFET一個采用P溝道，一個采用N溝道，就可以只用一個驅(qū)動電源。U4與U5為蓄電池保護電路，能有效保護電池過充電與過放點。

圖3 太陽能雙向變換器主電路圖

目前的太陽能便攜式充電器一般2個USB口，一個是輸入，一個是輸出。考慮到雙向變換器充電與對電子產(chǎn)品負載充電不同時進行，電路里面只有一個USB口。如上文所述，工作的時候通過檢測USB口電壓來區(qū)別是工作在充電模式下還是工作在放電模式下。這樣既簡化了電路，又防止了因接錯接口帶來的損壞。

為了有效識別不同的工作模式，并實現(xiàn)能量管理。采用微控制器進行控制必不可少。本文采用德州儀器的專用于便攜式電子設(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16MIPS。包含極低功耗振蕩器，待機模式時0.3μA，工作模式時220μA/MIPS。它包含8K的Flash與512B的SRAM存儲單元，有8個通道精度為10位的A/D轉(zhuǎn)換，可以滿足圖3中電流、電壓的采樣精度。有22個I/O口，2個定時器，雙向變換器的2個開關(guān)管Q1與Q2工作于互補狀態(tài)，輸出只要一路PWM信號，從P3口輸出。圖4所示為MSP430微處理器電路圖。

通過本樣機帶1w的太陽能板給蓄電池負責(zé)充電，測試蓄電池充滿電比不用最大功率控制，比用太陽能板直接充電要少1個小時，在這種小功率時，約提高輸出10%。通過本樣機給一個完全放電的智能手機進行充電，測得的輸出電壓電流曲線如圖5所示。

圖4 微處理器電路圖

圖5 給手機負載的充電曲線

4 結(jié)論

本文對一種太陽能雙向變換器的工作原理與電路設(shè)計進行了討論。把光伏電站中普遍采用的最大功率跟蹤控制技術(shù)引入便攜式太陽能手機充電器中，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檢測太陽能電池板的電壓，并追蹤最高電壓電流值，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池進行充電。對蓄電池進行三段式充電，以提高電子產(chǎn)品使用壽命。根據(jù)實際測試，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)動電源和采用一個USB口對電路簡化也是本文的特色之處。

這種太陽能雙向變換器可作為充電器廣泛使用于各種手機、PDA、MP4以及數(shù)碼相機等電子產(chǎn)品，使用方便，環(huán)保節(jié)能。

[1] 孫超, 郭勇, 陳新. 獨立光伏系統(tǒng)中太陽能充電器的研究[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]. 計算機仿真. 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手機充電器的設(shè)計, 電子科技[J].2008, 21(9):33-35.

[5] 沈建華. MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 清華大學(xué)出版社, 2005.