光伏智能充電器的設計與研究

王秋妍，賈國順

(1.火箭軍工程大學基礎部，陜西西安，710025；2.96841部隊，青海西寧，810011)

0 引言

隨著科技的飛速發展，對電能的需求越來越大。但是，由于常規能源的日益枯竭，綠色、可再生能源逐漸受到青睞，促使全世界對包括太陽能、核能和風能等新型能源的研究更加緊迫。太陽能電池也稱為 “光伏電池”，通過光電效應或者化學效應，把光能轉化成電能。本文將對太陽能光伏電池在各種外界環境進行試驗、探究，模擬各種外界因素，找到光伏電池在某些特定條件下的特性。并基于光伏電池通過穩壓電源設計，提高光伏電池在復雜條件下的輸出穩定性，實現智能鋰電池充電。

1 光伏電池光照實驗測試

光伏電池的工作原理是光電效應，主要由硅、化合物半導體和有機材料等制成。為了能夠更好的利用太陽能電池，本文通過試驗探究太陽能電池的各項工作特性，主要針對一天內不同的時間點，太陽光照逐漸變化對光伏電池的特性進行試驗探究。

光照強度分別為1100W/㎡、800W/㎡、600W/㎡，內阻分別為 0.8～0.9Ω、1.4～1.6Ω、1.9～2Ω，最大輸出功率分別為14W、11W、9.18W，實驗數據分別如表1、表2和表3所示。

表1 光照強度1100W/㎡的測量數據

1 4 3 98 3 06 11 6352 1 3 7 3 72 13 0032 0 9 3 52 3 94 13 764 0 8 3 26 4 12 14 0892 0 7 2 89 4 22 13 5792

表2 光照強度800W/㎡的測量數據

表3 光照強度600W/㎡的測量數據

由試驗數據可知，在太陽光功率下降到800W/㎡時，光伏電池的功率已經明顯有所下降，而且其最大輸出功率電阻也有所提高。說明隨著太陽光照功率的降低，太陽能電池的內阻也在不斷增大。這和光照強度對于載流子的數量和活動的影響是相互吻合的。

2 光伏智能充電器設計

由于光伏電池受外界因素的影響較大，因此，往往要通過后續電路處理才能在工程實際中得到應用。本文將設計光伏穩壓電源，實現對鋰電池的充電。根據設計要求，本文將采用MAX1898芯片，它是一款能夠實現鋰離子電池充電各項指標的控制芯片，其電路如圖1所示。電路中7腳與GND之間需要接入10uF旁路電容，防止充電過程中電源電壓不穩定，帶來的充電的波動。在充電的鋰離子電池與晶體管的漏極/集電極之間必須接入肖特基二極管。來防止充電時，由于電路原因，導致鋰離子電池漏電。

圖1 基于MAX1898充電器電路

芯片選擇：選擇MAX1898EUB42芯片。

場效應管選擇：使用irf9540場效應管，漏極最大電流-23A，最大耐壓100V。

ISET端電阻選擇：因為本設計選擇兩種鋰離子電池進行充電試驗。分別為2000mAh和2800mAh。所以按照1C的快速充電要求，因該選擇700Ω和500Ω的電阻。

肖特基二極管選擇：因為本設計電路電壓和電流等參數要求較低。選用普遍常用的1N5819肖特基二極管即可滿足要求。

3 實驗結果和數據

在太陽功率大于1000W/㎡時，在兩個小時四十分鐘左右就可以把電池充滿，充滿后自動斷電，當換上另一塊沒有電的電池時，電路可以自動檢測，并自動重啟。

另外，選擇一天當中太陽光功率在1200W/㎡，1000W/㎡，800W/㎡，600W/㎡，400W/㎡下，比較十五分鐘內手機的充電量，如表4所示。顯然，當太陽功率繼續下降時，充電器所提供的電量就已經相當微弱。

表4 太陽光功率和充電量

充電器系統在快速充電階段，雖然太陽光的功率會有所波動，但是通過監控引腳4的外接電阻兩端的電壓值，可以看到，充電器所提供的電流基本不變；遮擋住部分太陽能板，系統的輸入電壓降低，但是充電器端電壓保持平穩。充電器電路在各階段的電壓、電流波形如圖2所示。

圖2 充電階段電壓、電流波形圖

可見，實驗波形與理論波形基本一致，可以實現鋰離子電池的快速充電。只是該充電系統對太陽功率的要求比較苛刻，例如在光照不足或采光不好的情況下，對充電指標會產生較大影響。

4 總結

雖然光伏電池技術發展較快，并且已經比較成熟，但是太陽能電池所提供的輸出并能直接應用于工程實踐，因此必須經過后續電路的處理。針對電子設備的飛速發展，本文在研究光伏電池性能的基礎上，設計智能充電器，實現對鋰電池的智能充電。目前，隨著電力電子技術的發展，光伏電池利用逆變器，產生交流電，可以獨自供電也可以實現并網發電，這類光伏發電系統已經廣泛應用于我們的生產、生活中。