針對鋰電池的太陽能充電器的設計*

李曉帆

（湖南懷化學院 物信系，湖南 懷化418008）

太陽能是一種便捷、環保、可再生的新能源。太陽能電池將光能轉換成電能，其等效電路如圖1所示。

太陽能電池輸出電壓電流I-V方程為[1]：

其中I為PN結的電流，I0為反向飽和電流，V為外加電壓，q為電子電荷(1.6×10-19C)，K為玻爾茲曼常數(1.38×10-23J/K)，T為絕對溫度，A為二極管因子（取值范圍 1～5）。

太陽能電池電壓電流為非線性的，日照條件不變的情況下，太陽能電池輸出存在一個最大功率點，即在該點輸出電壓和輸出電流下，能夠將太陽能最大程度地轉化為充電電能。目前所采用的方法是在太陽能電池陣列和負載之間增加一個DC-DC變換器，通過改變DC-DC變換器中功率開關管的導通率，使太陽能電池工作在最大功率點（MPPT），實現最大功率點跟蹤。

本設計從充分利用太陽能的轉換能量角度，選用SPV1040 DC-DC轉換芯片，跟蹤最大功率點，提高太陽能的轉換效率；考慮到太陽能電池輸出電壓的變化范圍以及鋰電池的充電安全和充電器的自身工作狀況，選用L6924D電源管理芯片，設計出以SPV1040和L6924D為主要芯片的太陽能鋰電池充電器。

1 芯片介紹

1.1 SPV1040的結構與工作原理

SPV1040是ST公司生產的太陽能充電器 IC[2]，內置采用擾動觀察法（Perturb&Observe algorithm）的 MPPT算法，可動態調整充電器的輸入阻抗，確保充電器輸入阻抗與太陽能電池完全匹配，最大限度地提高從充電器到電池的能量輸送效率和系統的整體能效。溫度、老化、灰塵等引起太陽能電池變化所造成的不匹配問題，都可通過MPPT技術加以解決，從而提高系統的能量轉換效率。

SPV1040內置MPP模塊實現最大功率點跟蹤。SPV1040內部通過模擬模塊產生輸入參考電壓Vin_ref和VBG，對超低輸入電壓、輸出過流、結溫過高和輸入反極性輸入進行管理。

1.2 L6924D的結構和工作原理

L6924D是集成功率開關的鋰電池充電芯片[3]，內部產生 1.8 V參考電壓，通過電阻分壓，將溫度變化傳遞到輸入端，實現對電池溫度的監視；考慮到不同廠家鋰電池輸出電壓的不同，可通過VOPRG端的設置，懸空時輸出 4.2 V，接地時輸出為4.1 V；可通過SD端設置芯片的工作狀態；通過VIN-SNS和 VOSNS端監視輸入電壓、輸出電壓；在L6924D內部集成兩個晶體管，通過集電極與ST1、ST2可驅動LED或與主機連接，顯示充電器狀態。通過LED顯示狀態情況如表 1所示[4-5]。

表1 用LED顯示的充電器狀態

2 電路設計

根據蜂窩電話用鋰離子電池總規范(GB/T 18287-2000)，充電過程經歷預充電、恒流充電和恒壓充電[6]。恒壓充電的電壓為充電限制電壓。對于鋰離子電池充電，需進行過充電保護、過電流保護和短路保護。

針對鋰電池的太陽能充電器設計電路包括太陽能電池板升壓電路和鋰電池充電管理電路。太陽能電池板升壓電路如圖2所示。鋰電池充電管理電路如圖3所示。

2.1 參數選擇

2.1.1限制電壓設置

通過對VOPRG端的連接，設置輸出電壓。VOPRG懸空，輸出為4.1 V，VOPRG接地，輸出電壓為4.2 V。

2.1.2恒流充電電流的設置

在IPRG端與GND之間加入電阻RPRG(即圖 3中 R13)，設置 RPRG可改變恒流充電電流值 ICHG，其大小由式（2）決定。

其中 KPRG=9 500，VBG=1.23 V。

2.1.3預充電電流的設置和預充電結束電壓

VPRE端懸空，預充電電壓取默認值2.8 V。VPRE通過電阻RPRE接地，改變電阻RPRE值，改變預充電結束電壓值。RPRE值由式（3）決定。

其中VPRETHdefault=2.8 V。

默認預充電電流為恒流充電電流的10%，在IPRE和地或參考電壓VREF間加入電阻，可設置預充電電流值。IPRE與地之間加入電阻，預充電電流值較默認值高。接入電阻RPRE由式（4）決定。

IPRE與參考電壓VREF間加入電阻，預充電電流值較默認值低。接入電阻 RPRE由式（5）決定。

其中 VREF=1.8 V，KPRE=950，VBG=1.23 V。

2.1.4充電結束電流的設置

恒壓充電電流逐漸減少到IENDTH時可認為充電結束。IENDTH可通過在IEND端接入電阻 REND，與 GND相連。REND的阻值由式（6）決定。

其中 VMIN為 50 mV，KEND為常數 1 050。

2.2 測試結果

本設計太陽能電池板使用2片5 V/250 mA單晶超薄硅板，鋰電池規格為 3.7 V/1 200 mAh、充電限制電壓為4.2 V的手機鋰電池。考慮手機鋰電池充電時間和充電方式，設置預充電電流IPRECH=80 mA，預充電結束電壓VPRETH=2.8 V，恒流充電電流ICHG=480 mA，結束電流為IENDTH=15 mA，恒壓充電電壓為4.2 V。

設太陽能電池的輸出端即SPV1040的輸入端電壓為 VIN,SPV1040的輸出端電壓為VOUT，充電電壓為 VBAT，鋰電池初始充電電壓為2.30 V，測試結果如表2所示。可見充電273 min后STI燈滅ST2亮，充電結束。

本設計對容量為1 200 mAh的手機鋰電池充電，陽光充足，充電時間為4 h，基本滿足對鋰電池的充電要求。

表2 SPV1040輸入輸出電壓測試

針對鋰電池的太陽能充電器通過SPV1040內置MPPT算法，將太陽能電池板能量盡量轉變為電能（轉化效率達95%），經過對L6924D外圍電路選擇，設置充電參數，實現對鋰電池的充電管理和對充電電池的保護。

[1]趙為.太陽能光伏并網發電系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2003.

[2]SPV1040：high efficiency solar battery charger with embedded MPPT[DB/OL].(2011-04-06)[2011-08-18].http：//www.st.com/internet/analog/product/251161.jsp.

[3]L6924D：battery charger system with integrated power switch for Li-Ion/Li-Polymer[DB/OL].(2010-09-22)[2011-08-18].http://www.st.com/internet/analog/product/103931.jsp.

[4]NOGUCHI T，TOGASHI S，NAKAMOTO R.Short-Current-Pulse based adaptive maximum-power-point tracking for photovoltaic power generation system[J].IEEE Transaetions on Industrial Electronics，1997，44(6)：769-773.

[5]ARAB A H，DRISS B A，AMIMEUR R，et al.Photovoltaic systems sizing for algeria[J].Solar Energy，1995，54(2)：99-104.

[6]GB/T 18287-2000.蜂窩電話用鋰離子電池總規范[S].北京：中國標準出版社，2001.