分析探讨太阳能手机锂离子电池充电器

来源:网络发布时间:2012-04-09774浏览

0 引言

能源危机的出现和环境污染的日益恶化，使太阳能作为清洁干净的可再生能源得到世界各国的高度重视。随着太阳能技术的发展，近年来超薄、超轻的光伏电池在便携式电子设备中的应用也得到了很大发展。太阳能手机锂电池充电器摆脱了传统充电电源的束缚，节能与环保，具有良好的发展前景。[1]

由于光伏电池的输出功率受光照、温度等环境因素的影响，太阳能充电器既要与使用交流市电的充电器一样对锂离子电池进行安全快速充电，又要解决以下问题[1]：①如何将环境温度、光照强度以及其他外界条件的变化融入充电控制方法；②充电控制器的最佳拓扑结构是什么；③如何实现光伏电池输出功率的最大化。针对上述问题，本文对现在常用的三种手机锂电池充电器拓扑与控制方法进行了分析，指出它们在使用太阳能电池供电时都存在一定的局限性。并设计了一个由BUCK变换器构成、使用脉冲式充电控制方法、基于单片机控制的太阳能手机锂电池充电器，通过计算机仿真，验证了这种充电器的有效性。

1 目前手机锂电池充电器的分析

目前商业手机锂离子电池充电器主要有三种类型：线性式充电器、脉冲式充电器和开关式充电器[2]。表1 对这三种充电器的电路拓扑结构及充电控制方法进行比较。

从表1可以看出三类充电器各有优缺点，线性式充电器采用线性调整管进行充电电流与电压的调节，调整管上功耗很大，需要采取有效措施来解决散热问题。开关式充电器通过改变开关管的导通与关断占空比来实现恒流与恒压，开关管工作在开关状态，损耗小，但是电路较复杂。脉冲式充电器兼有两者的优点，但是由于充电器本身不调节电流，所以需要一个限流型的电源适配器与其配合使用。

表1 三类充电器的结构与特点

Table 1 The features and structures of three types chargers

充电器类型
主要电路结构
充电过程
充电终止判断方法
充电电流控制方式
优点
缺点

线性式
线性调整管、线性充电控制电路
预充→恒流→恒压
最小充电电流、定时
线性调整管调节
电路简单、体积小、成本低
损耗大、效率低、发热严重

脉冲式
开关管、脉冲充电控制电路
预充→快速→脉冲
Ton/Toff比值
依靠外部限流电源适配器
电路简单、体积小、功耗低、效率高
需限流型电源适配器

开关式
DC/DC变换器、PWM与充电控制电路
预充→恒流→恒压
最小充电电流、定时
调节DC/DC变换器占空比
功耗低、效率高、充电电流大、输入电压范围宽
体积大、成本高

以下着重分析当由光伏电池为充电器提供电源时上面三种充电器是否适用。

（1）太阳能充电器宜采用DC/DC变换器拓扑结构。由于光伏电池输出特性具有强烈的非线性，其输出受环境温度、光照强度和负荷等情况影响。从图1可以看出光伏电池输出功率随光照强度的增加而增加，随环境温度的升高而降低。当光照和温度变化时，实时调整光伏电池的工作电压可使其工作在最大功率点附近，即为最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）[3]。因此，为提高光伏电池输出功率，就需要充电器能调节输入电压，以调整光伏电池的工作点。线性式和脉冲式充电器的输入电压由外部供电电源决定，因此不能实现最大功率点跟踪功能。而开关式充电器的输入电压可以通过调节占空比D来实现。例如BUCK变换器输入输出电压的关系式为：Vo＝D*Vin（Vo为锂电池端电压，Vin为太阳能电池输出电压）。由于锂电池电压变化缓慢，因此改变开关管占空比D就可以改变Vin，从而实现MPPT功能。

图1光伏电池在不同光照（a）和不同温度（b）下的P－V特性曲线

Fig.1 The P-V curves of the PV module with varying irradiation (a) and temperature (b)

（2）太阳能充电器宜采用脉冲式充电终止判断方法。线性与开关充电模式常用两种控制算法来判断电池充满，第一种为检测最小充电电流法，第二种为定时法。如前所述，光伏电池的输出受外界环境的影响很大。若在充电过程中，由于天气变化或周边环境的改变使充电电流发生跌落，并跌落到设置的终止充电电流值以下时，则检测最小电流法会错误终止充电。由于充电电流不稳定电池的充电时长也难以预测，因此，定时终止充电法也不能保证充满电池。脉冲式充电曲线如图2所示，在脉冲充电阶段，当电池电压低于4.2V时则导通开关管对电池充电，当电池电压超过4.2V时则关断开关管停止充电，当Ton/Toff值低于设定值时认为电池充满而终止充电。若由于外界环境的变化使充电电流下降，电池电压也随着下降， Ton/Toff值增大，只有当电池确实充满时Ton/Toff才会低于设定值，因此不会造成误判。

图2 脉冲式充电曲线示意图

Fig.2 The curves of pulse mode charge

通过以上分析可知，由于目前的锂电池充电器基本上按照稳定电源供电的前提条件来设计，当由太阳能提供电源时不能很好地适应光照、温度等环境变化。

2 太阳能手机锂离子电池充电器

2.1 系统结构

本文设计的太阳能手机锂离子电池充电器系统框图如图3所示。该充电器主要由三部分组成：光伏电池、由单片机实现的控制器与一个降压型直流变换器。

图3 系统结构图

Fig.3 The system architecture

BUCK变换器的主要功能是：在预充电阶段输出小电流Imin；在快速充电阶段进行太阳能电池的最大功率点跟踪，当电流达到Imax时限制电流以恒流充电；在脉冲充电阶段根据电池电压值输出恒流或停止输出。单片机实现的功能是：采集锂离子电池的电压Vbatt、电流Ibatt、温度Tbatt和太阳能电池的电压Vpv、电流Ipv；由软件程序控制使充电器在不同的充电状态之间转换；在不同的充电状态根据控制目标计算出占空比D，输出PWM驱动脉冲。

2.2 充电控制方法

本文设计的太阳能充电控制器是一个多目标控制系统[4]，在充电的不同阶段，控制占空比的目标也不同，其充电状态转换如图4所示。

图4 充电状态转换图

Fig.4 The change of charge state

转换条件：①：Vbatt＜Vmin ； ②、③：Vbatt≥Vmin ； ④：Ibatt≥Imax ； ⑤：Ibatt＜Imax；⑥、⑦：Vbatt≥Vmax；⑧：Ton/Toff≤设定值。

（1）预充电：当锂电池插入充电器后，若电池电压低于设定的门限值Vmin，则单片机对占空比的控制目标是输出很窄的PWM脉冲，使变换器输出一个小电流Imin，对过放电的锂离子电池进行修复充电；若电池电压≥Vmin可跳过预充电阶段而直接进入快速充电阶段。

（2）快速充电：当电池电流Ibatt≥Imax时，单片机控制PWM脉宽使变换器输出恒定电流；当太阳能电池的输出功率下降使Ibatt＜Imax时，则转入最大功率跟踪状态，调整占空比改变BUCK输入电压使光伏电池工作在最大功率点附近，即根据Ibatt的大小充电器可以来回地在MPPT与恒流两个状态之间转换，直到Vbatt≥Vmax（4.2V），转入脉冲充电阶段。

（3）脉冲充电：此阶段变换器进行间歇性的恒流输出，每隔一段时间ΔT判断一次电池电压值，若Vbatt＜Vmax，则输出恒流对电池充电；若Vbatt≥Vmax，则停止对电池充电。开关管驱动脉冲示意图如图5。Ton为输出PWM驱动脉冲的时间，Toff为停止充电的时间。在Ton期间开关管以占空比D导通和关断以实现恒流控制，D= ton/ts。周期ts由开关工作频率确定，为μs数量级。而Ton和Toff为ΔT的整数倍，ΔT为ms数量级。在脉冲充电开始时，Ton/Toff比值较大，随着电池的逐渐充满，Toff越来越长，当Ton/Toff小于设定值时，电池充满，终止充电。

Fig.5 The drive pulse of MOSFET

当电压达到Vmax后，脉冲充电器仍对锂电池施加大电流的充电脉冲，使电池电压在脉冲期间略微超出Vmax，但这并不会使电池提前老化。相反，脉冲充电可以减小充电过程中极化现象的影响，有效增大充电电量，提高充电效率[5]。

3 仿真结果

为了验证该太阳能手机锂电池充电方法是否可行，采用matlab的simulink工具箱搭建了系统仿真模型[6-8]，simulink仿真模型如图6所示。图中光伏阵列输出功率为5W，锂离子电池的额定容量为850mAh。Precharge、MPPT、CC、Pulse 4个模块分别实现预充、最大功率跟踪、恒流、脉冲充电功能，由Control模块控制多路开关进行转换。最大功率跟踪采用由光伏阵列输出功率的比较结果直接改变DC/DC变换器占空比的登山法[9]。由信号模块signal1模拟光照强度的变化。预充电压门限设为2.9V,预充电流Imin设置为0.1C(C为锂电池的额定容量)。恒流充电电流设为1C，考虑到电感电流纹波的影响，设置MPPT与恒流的转换门限为0.95Imax。ΔT设为64ms，当Ton/Toff小于1/256时认为电池已充满。

图6 系统的simulink仿真模型

Fig.6 System simulation model in simulink

采用图7所示光照强度，仿真结果如图8(a)所示。从充电状态转换图8(c)可看出当光照在1000s和2000s处变化时，充电器能自动在恒流与MPPT充电状态之间转换，使充电电流Ibatt达到最优化。在脉冲充电阶段，当光照在4000s处跌落时，充电器仍然继续充电，直至Ton/Toff小于设定值，电池充满。由放大的电流波形图8(b)可看到随着充电时间的增长Toff 逐渐变大的过程。电压Vbatt曲线符合锂电池的充电特性，电池充满后电压保持在4.2V。

图9为在相同光照下充电器不具有MPPT功能时的仿真结果。从图上看出1000s-2000s光照跌落时的充电电流明显低于图8 (a)的电流，使锂电池电压增长变慢，导致总充电时间延长了约400s。

图10为用一个恒压模块代替图6中Pulse模块进行仿真的结果，此时采用检测最小电流法（小于0.1C）终止充电。当进入恒压充电阶段后，在4000s处光照下降时充电器立即停止充电，然而此时电流的下降是由于外界因素的影响，并不是电池已充满，因此锂电池电压很快下降。

4 结论

本文设计的太阳能手机锂电池充电器采用DC/DC变换器拓扑结构，能够实现最大功率跟踪，使光伏电池效率最大化，同时在充电终止判断方法上，考虑了光照强度、环境温度等因素对锂电池充电曲线的影响，能够准确进行充电终止判断，使锂电池达到额定容量。