一種適配太陽能充電的低成本MPPT移動電源設計

2022-01-20 06:56:04金政，袁訊，鄒恩

通信電源技術 2021年15期

金政，袁訊，鄒恩

（廣州新華學院，廣東廣州 523133）

0 引言

隨著社會經濟的發展，人們對健康的重視程度正在逐步提高，參與戶外運動的人數逐年增長。其中長距離的徒步、騎行以及登山等活動越來越盛行，而在此過程中人們所選擇的活動路線往往是人煙稀少的荒野，這就導致隨身攜帶的電子設備經常無法及時獲得電量補充。為了解決這個問題，以前人們會攜帶足夠多的備用電池，但過多的電池會大大增加整個行程當中的負擔。針對該問題，考慮到目前快充充電的普及，本文設計了一種滿足多快充協議并適配太陽能充電的低成本MPPT移動電源，可以有效提升太陽能充電效率。

1 MPPT算法

太陽能電池作為一種非線性元件，既不是恒壓源也不是恒流源。圖1、圖2、圖3以及圖4分別給出了太陽能電池在不同光照強度和不同溫度下的特征曲線，從中可以看出太陽能電池的最大功率點會隨光照強度與溫度的變化而發生改變[1]。

圖1 不同光照下的U-I特性曲線

圖2 不同溫度下的U-I特性曲線

圖4 不同溫度下的U-P特性曲線

為了提高太陽能電池板在給移動電源充電過程中的轉換效率，減少功率的浪費，需要利用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術。關于太陽能MPPT算法一直以來有著非常多的研究，其中傳統算法主要包括恒定電壓法、擾動觀測法、電導增量法以及模糊控制法等，本設計所采用的是恒定電壓法[2-4]。從圖1和圖3中可以看到，當溫度不變、光照強度發生改變時，最大功率點處的電壓基本保持一致，這也就意味著只需要在太陽能電池板給移動電源充電的過程中使輸出電壓穩定在某個特定值即可實現MPPT功能。然而從圖2和圖4中又可以看到，如果溫度發生改變，最大功率點處的電壓也會相應地發生改變，這樣又會導致采用恒定電壓法不能完全實現最大功率點的跟蹤[5]。在實際使用中，太陽能充電主要在天氣較好的狀況下才具有明顯的效果，在陰雨天則效果較差，并且太陽能主要的充電時間段一般分布在9:00—15:00。而在天氣狀況較好時，9:00—15:00的環境溫度變化一般不會特別劇烈，最大功率點的電壓也就不會發生較大的偏移。同時在電路設計中將跟蹤電壓設置為可調模式，可進一步適應在不同氣溫條件下對最大功率點電壓的跟蹤。在這樣的應用場景下，采用恒定電壓法是可行的。此外，相較于其他幾種MPPT算法，恒定電壓法還具有控制簡單、占用硬件資源少的優點，可以有效減少移動電源的使用成本[6]。

2 設計方案

圖5為MPPT移動電源系統框圖，主要包括輸入單元、MPPT單元、電池保護單元、儲電單元、控制單元以及輸出單元。輸入單元可以采用太陽能電池板，也可以采用常規的手機充電器；MPPT單元采用降壓電路給鋰電池充電，同時實現最大功率點跟蹤；控制單元主要用來實現一些狀態的指示、輸出單元使能、充放電保護等功能；輸出單元則是將鋰電池的電壓升高到適當的值給其他電子設備充電，同時支持多快充協議。

圖5 MPPT移動電源系統框圖

3 硬件設計

本文重點對MPPT單元、控制單元、輸出單元（包括快充協議識別功能）進行設計，輸入單元的電壓應在4.5～28 V，儲電單元采用單節鋰電池，充滿電后的電壓為4.2 V。

3.1 MPPT單元

為了實現MPPT功能，選用上海如韻電子公司生產的CN3791芯片。這是一款基于恒定電壓法跟蹤最大功率點的PWM降壓模式芯片，搭配簡單的外圍電路即可對單節鋰電池進行三段式充電。MPPT充電電路如圖6所示，電路中R2和R3分別采用了兩個可調電阻，通過調節R2和R3的阻值可以在一定范圍內設置最大功率點的跟蹤電壓，從而實現在不同的氣溫條件下有效跟蹤太陽能最大功率點的電壓。

圖6 MPPT充電電路

3.2 電池保護單元

如圖7所示，鋰電池保護電路采用DW01單節鋰電池保護芯片，具有過充、過放以及短路保護功能。將GM8205A雙N-MOS管并聯，可以有效提高電流保護閾值。

3.3 輸出單元

由于本設計中的儲電單元采用的是單節鋰電池，滿電后的電壓只有4.2 V，而常用的負載額定充電電壓一般也要5 V，有些支持快充功能的手機充電電壓可以達到9 V、12 V，因此必須將鋰電池的低電壓通過升壓電路升到高電壓后才可以給手機正常充電[7]。

為了提升鋰電池的電壓，可以采用Boost升壓拓撲來實現，如圖8所示。

圖8 升壓輸出

本設計采用了TI公司的TPS61088同步整流升壓芯片，輸入電壓最低2.7 V，最高輸出電壓可達12.6 V，具有較高的轉換效率，能夠滿足設計需求。鋰電池經過升壓之后，并不能直接觸發手機的快充功能，還需要在它們之間增加一個快充協議識別電路，如圖9所示[8]。此電路采用了IP2161快充協議芯片，支持包括高通QC2.0/3.0、蘋果2.4A、華為FCP以及展訊SFCP等多種市場上常見的快充協議。當檢測到接入USB端口的待充設備為非快充設備類型時，通過改變DP、DM兩個引腳的電壓來握手不同設備。當檢測到接入USB端口的待充設備為快充設備類型時，自動識別快充類型并對協議請求進行解析和響應，從而完成與待充電設備的握手過程。然后按照協議請求通過FB引腳SOURCE或SINK電流調整反饋環路的反饋電壓，從而調節快充電壓。

圖9 快充協議識別電路

3.4 控制單元

如果單純考慮對成本的控制，省掉控制單元也能夠滿足設計的基本功能需求。其中充電狀態可以通過在MPPT電路中增加兩顆LED燈進行指示，但是為了更精確顯示電量以及考慮后續功能的擴展等因素，本設計采用了低成本單片機STC89C51，如圖10所示。

圖10 單片機控制電路

4 軟件設計與測試

單片機主要通過檢測電池電壓顯示電量，檢測電池溫度控制充放電。在沒有充放電時進入休眠狀態，減少電量的損耗。此外，通過外部按鍵產生的電平變化可以喚醒移動電源。

實驗選擇的是一塊戶外常見的折疊式太陽能板，標稱功率13 W，廠家給出的在標準測試條件下最大功率點處的電壓和電流分別為6.89 V和1.92 A。為了避免測試結果因自然光照強度隨機變化帶來的誤差，實驗中使用由鹵鎢燈陣列組成的模擬光源替代太陽光照射，通過改變模擬光源與太陽能板之間的高度可以調整輻射強度與溫度。由于缺少測試光強的設備，為了保證每種負載的測試條件一致，實驗過程中將模擬光源與太陽能板的距離統一設置為30 cm，MPPT跟蹤電壓設置為6.2 V，每一種負載都在開啟光源后30 s的時刻記錄充電數據。表1為使用太陽能板對3種不同的負載進行充電的對比測試結果。