太陽(yáng)能的綠色與可再生特性，使其在低碳和能源緊缺的今日備受關(guān)注。鋰離子電池因比能量高、自放電低的特性，逐漸取代鉛酸電池成為主流。由目前常用的太陽(yáng)能電池的輸出特性可知，太陽(yáng)能電池在一定的光照度和溫度下，既非恒流源，亦非恒壓源，其最大功率受負(fù)載影響。而鋰離子電池可看作一個(gè)小負(fù)載電壓源。如不加控制直接將二者連接，則將太陽(yáng)能電池的工作電壓箝位于鋰離子電池工作電壓，無(wú)法高效利用能源。

本文采用SpCE061單片機(jī)，利用MppT技術(shù)使太陽(yáng)能電池工作于最大功率點(diǎn)，并且對(duì)鋰離子電池的充電過程進(jìn)行控制，延長(zhǎng)鋰離子電池使用壽命，保證充電安全。

1最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)原理（MaximumpowerpointTracking簡(jiǎn)稱MppT）

太陽(yáng)能電池有著非線性的光伏特性，所以即使在同一光照強(qiáng)度下，由于負(fù)載的不同也會(huì)輸出不同的功率。

其電壓、電流與功率在光照度1kW/m2，T=25℃條件下的輸出曲線如圖1所示。其短路電流isc與開路電壓uoc由生產(chǎn)商給出，pmpp為該條件下的最大功率點(diǎn)。

由于太陽(yáng)能電池受到光強(qiáng)、光線入射角度、溫度等多種因素的影響，最大功率相應(yīng)改變，對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)的輸出電壓、輸出電流和內(nèi)阻也在不停變化。因此，要使用基于pWM的可調(diào)DC/DC變換器，使負(fù)載相應(yīng)改變，才能使太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)上。

圖1太陽(yáng)能電池的典型輸出曲線

2電路工作原理

圖2示出太陽(yáng)能充電器的原理框圖。其中微控制器采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的SpCE061A單片機(jī)，該單片機(jī)含有7個(gè)10位ADC（模-數(shù)轉(zhuǎn)換器）并內(nèi)置了pWM功能，大大簡(jiǎn)化電路復(fù)雜程度，提高穩(wěn)定性。電壓采樣電路與電流采樣電路通過ADC將電壓值與電流值送入MCU，MCU根據(jù)MppT算法計(jì)算pWM控制BUCK電路完成對(duì)充電過程的控制。

圖2整體充電器原理框圖

圖3為BUCK變換器電路。由MOSFET管Q3、電感L1與繼流二極管D1構(gòu)成典型的BUCK降壓DC/DC變換器，Q1和Q2組成MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路，Uout輸出至鋰離子電池正極。

圖3BUCK變換器電路

圖4為電流采樣電路。Rsense用一小阻值精密電阻作為采樣電阻，通過將電阻兩端電壓使用差分放大器輸送到SpCE061的A/D端進(jìn)行采樣。為使采樣精確，防止電源線與地線干擾，使用線性光耦HCNR200進(jìn)行隔離。

圖4電流采樣電路

圖5所示為電壓采樣電路。因?yàn)镾pCE061的A/D端輸入范圍為0~3V，而太陽(yáng)能電池的輸出常常高于3V，因此采用反向比例放大器，使輸入與AD采樣范圍相匹配。

圖5電壓采樣電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在BUCK上，存在UarrD=Ubat的關(guān)系。由此可知：

式中，Ubat為電池兩端電壓；D為占空比；Uarr為太陽(yáng)能電池兩端電壓。將式（1）代入式（2）可得：

由圖1可知，當(dāng)取最大功率點(diǎn)時(shí)，dparr/dUarr=0，代入式（3）、（4）可知：

因此，有關(guān)p/D的曲線為凸函數(shù)，且當(dāng)p取最大值時(shí)有唯一D值與之對(duì)應(yīng)。

由于DC/DC變換器連接至鋰離子電池兩端的輸出電壓短時(shí)間內(nèi)變化不大，在短時(shí)間可認(rèn)為恒定。因此，該設(shè)計(jì)的最大功率點(diǎn)跟蹤可簡(jiǎn)化為通過pWM調(diào)整電流至最大值，即認(rèn)為太陽(yáng)能電池的輸出功率達(dá)到最大。

由鋰離子電池充電特性可知，為保證充電安全高效，需采用預(yù)充、恒流、涓流的三段式充電。系統(tǒng)通過對(duì)鋰離子電池兩端電壓進(jìn)行檢測(cè)，判斷充電狀態(tài)，進(jìn)而采取相應(yīng)的充電策略。

當(dāng)光照強(qiáng)度降低，程序判斷太陽(yáng)能電池出現(xiàn)的功率小于系統(tǒng)自身開銷時(shí)，進(jìn)入休眠模式。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)以上原理及其電路圖所述，所制作的MppT太陽(yáng)能充電器與用二極管搭建的傳統(tǒng)太陽(yáng)能充電器測(cè)試數(shù)據(jù)比較如表1所示。其中太陽(yáng)能電池采用華微公司生產(chǎn)的單晶太陽(yáng)能電池板，其最大輸出功率15W，開路電壓17.4V;鋰離子電池組采用4串聯(lián)18650型鋰離子電池，充電截止電壓16.8V，電池組容量10.4Ah。

表1傳統(tǒng)充電器與MppT充電器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)充電器的太陽(yáng)能電池利用率約為66%，而本方法的MppT充電器利用率約為97%，輸出功率有明顯的上升。通過SpCE061單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的帶有MppT功能的太陽(yáng)能充電器不僅大幅提高了太陽(yáng)能電池利用率，并包含了三段式充電的智能充電策略，在軟件模塊中加入了防止過充電的安全策略，并且在光照強(qiáng)度大幅下降到低于系統(tǒng)開銷的情況下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)休眠。通過改進(jìn)算法，設(shè)置更為精確的參數(shù)，可以使充電效率進(jìn)一步提高。