太陽能移動電源的設計與實現

魏克儉，聶 劍

（1.公安部第一研究所 北京 100048；2.海爾廣科數字技術有限公司 北京 100086）

太陽能移動電源的出現不僅解決了數碼產品的電池續航時間問題，而且綠色節能環保，日益受到人們的重視。目前市面上的太陽能移動電源產品，質量參差不齊，轉換效率普遍較低。造成效率低的原因主要有兩個方面：首先是太陽能電池板的效率較低、多數移動電源產品沒有最大功率跟蹤功能；其次是二次轉換電路的效率較低。本文設計了基于最大功率跟蹤功能的太陽能移動電源，并通過對二次轉換電路的優化設計來提高二次轉換效率，實現了太陽能移動電源整機效率的提升。

1 太陽能移動電源現狀

1.1 太陽能電池板的現狀

目前市面上大多數的太陽能電池板為多晶硅材質，轉換效率能達到14%～18%，太陽能發電站、偏遠山區家用供電普遍使用多晶硅電池板，并且基本都實現了最大功率跟蹤功能，但是這種電池板體積大，不便于攜帶[1-2]。后來出現了柔性太陽能電池板，代表廠家有 Uni-solar、Global solar，這種電池板弱光性能優于多晶硅電池板，而且重量輕、可彎曲，適合在移動太陽能電源中使用，其主要缺點是效率較低，一般為7%～10%。

1.2 太陽能電池板的特性

太陽能電池板在最大功率點工作時，可提供峰值輸出功率，最大功率點與太陽光的強度、環境溫度、風速等多種因素相關，目前還沒有一種模型能夠包括所有因素，進行最大功率點跟蹤[3]。在所有的最大功率點跟蹤方法中，間歇掃描法，周期性對太陽能電池的功率進行掃描，找出最大功率點。這種發法增加的電路功耗很小，成本相對較低，算法簡單，適合在可間隙供電的系統中使用。

1.3 太陽能移動電源方案比較

目前太陽能移動電源的方案主要有兩種：一種是僅由太陽能電池板與相應的穩壓電路組成，成本低、電路簡單，但是不能儲能，在無陽光時，將會斷電；另一種由太陽能電池板、穩壓電路和移動蓄電池組成，這種方案具有儲能功能，在無陽光時，還能維持供電，但是電路較復雜、成本高。這兩種方案有一個共同的缺點，都沒有最大功率跟蹤，不能充分利用太陽能電池板的能效。目前對這種小功率太陽能電池板進行最大功率跟蹤的專用芯片很少[4]。

2 設計方案

圖1為太陽能移動電源系統框圖，主要由太陽能電池板、最大功率跟蹤單元、充電管理單元、控制單元、電池保護單元、鋰電池組以及輸出單元組成。本設計的儲能單元采用3.7 V鋰電池組，為了增加使用靈活性，本設計兼容市面普通的5 V充電器，在有市電情況下，可以用普通的5 V充電器進行充電。

圖1 太陽能移動電源系統框圖Fig.1 Block diagram of Solarmobile power supply

3 硬件設計

3.1 太陽能電池板的選型

采用Uni-solar公司的PVL68柔性太陽能電池板，它重量輕、適合移動電源使用。PVL68的標稱功率為1W，開路電壓為2 V，本設計用6個電池板串聯，則太陽能電池組最大輸出電壓為12 V，輸出功率為6W。PVL68在不同光照條件的伏安特性如圖2所示（溫度25℃）。

圖2 伏安特性曲線Fig.2 Voltage current characteristics curve

在標稱條件下（光照強度1 000W/m2，25℃），PVL68的短路電流是5.1 A，開路電壓是23.1V，最大功率點的電壓和電流分別是16.5 V和 4.13 A，最大功率是68W。在非標稱條件下（光照強度 800W/m2，46℃），短路電流是 4.1 A，開路電壓是21.1 V，最大功率點的電壓和電流分別是15.4 V和3.42 A，最大功率是53W。從伏安特性及參數可以得出以下結論：PVL68在光照一定的情況下，不同的輸出電壓，對應的輸出功率不同，存在一個最大功率輸出點；在不同光照條件下，對應最大輸出功率的電壓也不同；溫度對最大輸出功率有一定的影響。因此，實現最大功率跟蹤功能，對充分利用太陽能電池發電性能會有較大的影響。

3.2 最大功率跟蹤單元

本設計采用間歇掃描法實現對太陽能電池板的最大功率跟蹤，即周期性的對太陽能電池板的最大功率進行掃描。掃描單元由一個恒流負載實現，控制單元控制其電流的大小，同時控制單元采集電池板的輸出電壓，計算出最大功率點，作為后續電池管理單元的部分參數。實際測試結果表明，采用本方法進行最大功率跟蹤能使太陽能電池的輸出功率增加約15%。

3.3 控制單元

控制單元CPU采用Microchip公司的PIC16F877單片機，該單片機內部集成有ADC與DAC，可以簡化控制單元的設計。控制單元主要實現以下功能：外部5V充電器檢測；太陽能電池板最大功率掃描；太陽能電池板輸出電壓采集；鋰電池組的充電管理；鋰電池組電壓檢測；輸出單元Boost電路輸入電流的檢測，實現鋰電池邊充邊放的功能。

3.4 充電管理單元

為了提高充電效率，充電管理單元采用普通開關型DCDC轉換器與控制器來實現，而沒有采用充電管理芯片。鋰電池充電曲線要求在不同電壓階段，充電電流不同，本設計采用電流反饋環來進行充電電流的設置，電流的設置通過控制單元實現。DC-DC轉換器選用TI公司TPS62140A，該芯片采用Buck電路模式，輸入電壓范圍是3～17 V，輸出能達到2A，內部集成高、低邊的MOSFET，在9 V輸入，3.3 V、1 A輸出時，轉換效率能夠達到90%以上[5]。

外部電流反饋，使用電阻進行電流采樣，并進行相應的處理，然后與參考進行比較，作用于電壓反饋回路，達到控制充電電流目的。控制單元根據鋰電池充電曲線，通過控制電流環路，調整充電電流。實驗發現，電流環的反饋增益對環路的穩定性有影響，需詳細優化。

3.5 鋰電池保護單元

保護電路原理見圖3。采用Mitsumi公司的MM3280J04芯片實現對鋰電池的過放、過充、短路、過熱保護功能[6]。該芯片的過充鎖定電壓是4.275 V，過充釋放電壓是4.215 V，充電過流電壓是0.1 V；過放鎖定電壓是3.0V，過放釋放電壓是3.2 V，放電過流電壓是0.15 V。其中MOSFET選用SSF2816E，其為一對N溝道增強型MOSFET，漏極相連，最大工作電壓電流分別為20 V、4 A，當VGS為2.5 V時導通電阻為45mΩ，熱阻為100℃/W。

圖3 鋰電池保護電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of lithium battery protection circuit

因為太陽能電板的標稱功率為6W，假設充電電路效率為90%，則充電單元提供的最大功率為5.4W，假設電池3.4 V進入恒流充電，則最大電流為1.76 A左右，芯片的充電限制電流設置2.5 A左右即可。MM3280J04的充電過流電壓為0.1 V，則采樣電阻為40mΩ即可。本設計的輸出額定參數為5 V、2 A，最大功率為10W，假設輸出Boost電路的效率為90%，則電池輸出最大功率為11.2W，由于MM3280J04的關斷電壓門限為3 V，則放電電流最大為3.74 A，SSF2816E的最大電流4 A，按照50%降額，因此需要用兩個SSF2816E并聯使用，同時滿足采樣電阻的需求。最大放電電流時MOSFET的壓降為 168.3mV（3.7 4V*45 mΩ），已超過 0.15 V的放電門限電壓。但實際上SSF2816E的導通電阻小于45 mΩ，最低VGS電壓為3 V（即電池過放關斷電壓），假設電阻為45mΩ，則總的耗散功率為630 mW，每個 SSF2816E的耗散功率為315mW，其熱阻為100℃/W，其溫升為31.5℃，實際導通電阻小于45 mΩ，取40 mΩ，則導通電阻壓降為149.6mV，已臨界放電過流電壓，實際應用中可以忽略。

3.6 輸出單元

輸出電路原理見圖4，采用Boost電路實現，選用TI公司的TPS61032PWP芯片實現5 V輸出。該芯片在輸入3.2 V，輸出5 V、2 A時，效率達到88%以上，滿足設計要求。

圖4 輸出電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of output circuit

4 軟件設計

軟件設計流程如圖5所示。微處理器監控電池電壓、控制電池的充電狀態和放電電路的開啟。主程序在沒有充放電操作時處于休眠狀態，這樣可以減小移動電源的自身損耗。通過外部按鍵產生電平變化中斷來喚醒移動電源。

5 設計關鍵點

利用控制單元實現以下關鍵功能：

1）利用間歇掃描法，進行太陽能電池最大功率點跟蹤，使其始終工作在最大功率點，改善太陽能電池的利用效率。

2）利用控制單元進行鋰電池充電管理，滿足鋰電池的充電曲線，最大限度的保護電池。

3）實現鋰電池組的邊充邊放功能，控制單元檢測Boost輸入電流，然后調整鋰電池的充電電流。此功能充分利用太陽能電池板的作用，特別是在鋰電池已充滿時，可以直接給外部設備進行供電。

圖5 軟件設計流程圖Fig.5 Flow chart of the software design

6 結束語

小功率太陽能設備在日常生活中的應用越來越多，本文設計的基于最大功率點跟蹤技術的太陽能移動電源可靠性和轉換效率高、成本低，具有良好的應用前景。

[1]錢伯章.太陽能技術與應用[M].北京:科學出版社，2010.

[2]施祖銘.太陽能光伏電池的發展[J].裝備機械，2010（4）:69-73.SHI Zu-ming.Development of solar cells[J].Equipment Machinery，2010（4）:69-73.

[3]楊帆，彭宏偉，胡為兵，等.太陽能電池最大功率點跟蹤技術探討[J].電子器件，2008，31（4）:1081-1084.YANG Fan，PENG Hong-wei，HUWei-bing，etal.Study technology ofmaximum power point tracker on the solar cell[J].Electron Devices，2008，31（4）:1081-1084.

[4]劉陽，胡芃，張謙.基于LT3652的太陽能充電器設計方法[J].電子設計工程，2011，19（17）:167-170.LIU Yang，HU Peng，ZHANG Qian.Asolar charger design method based on LT3652[J].Electronic Design Engineering，2011，19（17）:167-170.

[5]辛伊波，陳文清.開關電源基礎與應用[M].2版.西安:西安電子科技大學出版社，2011.

[6]Mitsumi Integrated Products.c_battery_mm3280 Datasheet[EB/OL].（2012-10-20）[2014-12-01].http://www.mitsumi.co.jp/chinese/catalog/pdf/c_battery_mm3280.pdf.