一种便携式简易智能光伏充电器的设计

李威辰，郭瑭瑭，邓 焰，何湘宁

（浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

1 引言

随着全球对能源需求的不断增长以及环境污染的日益加重，光伏发电越来越受到广泛的重视。其中独立光伏发电系统广泛用在便携的应用场合，来提供清洁的、可持续的电力供应。一般的独立光伏发电系统的前级由光伏电池、DC-DC变流器和蓄电池组成，是一个光伏充电器[1]。

光伏电池的伏安特性曲线是非线性的，存在着一个最大功率点。为了充分利用光伏电池，应使光伏电池一直工作在最大功率点处，输出最多的电能。但是，当外界环境的温度和光照强度变化时，最大功率点的位置也相应变化，因此需要调整光伏电池，使其工作在新的最大功率点处，这就是光伏发电中的最大功率点跟踪（MPPT）问题。

传统的蓄电池充电过程包括两个阶段：首先是对蓄电池进行恒流充电，当蓄电池的电压达到浮充电压后，充电模式变为恒压充电[2]。

采用光伏电池为蓄电池充电，一方面要充分利用光伏电池，对光伏电池进行最大功率点跟踪。但是在充电的末期，充电电流过大会对蓄电池造成损伤，减少蓄电池的寿命。另一方面，如果按照传统的充电方式进行充电，则会造成太阳能的损失。因此，光伏充电器的充电策略与传统的充电器不同，除了考虑不损伤蓄电池外，还需要考虑光伏电池的利用率。此外，在便携应用场合中，充电器的体积和重量也很重要。

本文提出一种便携式简易智能光伏充电器的设计，适合使用光伏电池为蓄电池充电的场合，采用了开路电压比例法实现MPPT。充电过程包括三种充电模式。第一种是限流充电模式，把充电电流限制在蓄电池最大充电电流以下，从而保护蓄电池不受损伤。第二种是MPPT充电模式，充电器对光伏电池进行最大功率点跟踪，充分利用光伏电池。第三种是恒压充电模式，充电器对蓄电池进行恒压浮充，此时充电电流很小。充电器可根据实际情况智能的在三种充电模式中进行相互转换。

2 简易智能光伏充电器的原理

图1 是简易智能光伏充电器的结构框图。在便携应用场合中，光伏电池要满足轻便的要求，所以光伏电池的电压选择在16.5～21 V之间，高于蓄电池的11.1 V电压。为了减小体积和重量，蓄电池采用锂电池。充电器的主电路采用降压型的Buck变流器，因为Buck变流器结构简单，成本低。

充电器的控制电路由MPPT控制环、限流控制环、恒压控制环和一个智能选择开关组成。根据光伏电池的输出功率和蓄电池的电压，智能选择开关可以自动选择三个控制环中的一个对主电路进行控制。

当光伏电池输出的功率过大，智能选择开关会选择限流控制环，使得充电电流低于蓄电池的最大充电电流。当光伏电池的输出功率适当而且蓄电池的电压低于浮充电压，智能选择开关会选择MPPT控制环，从光伏电池尽可能多的获取电能，充分利用光伏电池。当蓄电池电压达到浮充电压后，恒压控制环被选中。充电器会对蓄电池以很小的电流进行恒压浮充。

有很多方法能够实现MPPT，如开路电压比例法、扰动观察法和电导增量法等等[3]。这里使用了开路电压比例法，因为使用这种方法只需检测光伏电池的开路电压，简单而且易于实现，同时和MPPT有关的电路可以集成在一块芯片上，从而缩小体积。

图1 简易智能光伏充电器的结构框图

3 设计方案的具体实现

图2 是控制电路的具体实现框图。智能选择开关可以由两个二极管轻易实现。恒压控制环中，蓄电池电压采样值Vo和参考值Voref作为输入；MPPT控制环中，Buck变流器输入电压采样值Vi和参考值Viref作为输入。在充电的初始阶段，蓄电池的电压低于浮充电压，Vo低于Voref，恒压控制环的输出为高电平。二极管D2反偏，恒压控制环不起作用，Buck变流器由MPPT控制环控制。当蓄电池电压达到浮充电压后，恒压控制环有效，取代之前的MPPT控制环。限流控制环由峰值电流模式控制芯片实现，需要采样流过开关管的电流。为使电路工作稳定，需要加斜坡补偿。所以无论选择哪个控制环，充电电流都不会高于蓄电池的最大充电电流。

本文提出的充电器使用开路电压比例法实现MPPT。光伏电池的光照强度特性曲线如图3，光伏电池的温度特性曲线如图4。显然，光伏电池最大功率点的电压约为开路电压的80%，而且这一个参数几乎不随温度和光照强度的变化而变化。因此在MPPT控制环中，使用开路电压的80%作为参考电压Viref，将光伏电池的工作电压稳定在开路电压的80%左右，从而实现MPPT。

图2 控制电路框图

图3 温度不变，光照变化时P-V曲线

图4 光照不变，温度变化时P-V曲线

在开路电压比例法中，如何获取光伏电池的开路电压参数很关键。图5是采样保持电路的原理框图。555定时器周期的发出采样脉冲。当555定时器输出高电平时，通过峰值电流模式控制芯片关断开关管，此时Buck变流器的输入电压恰好是光伏电池的开路电压。经过短暂的采样时间后，555定时器输出低电平，采样保持芯片LF398输出电压不变，为衰减后的光伏电池的开路电压。将此电压用电阻分压，衰减到原来的80%作为MPPT控制环的参考电压Viref。此时电路正常工作，将Buck的输入电压，即光伏电池的工作电压稳定在开路电压的80%左右，实现MPPT。采样的周期需要适当的选择，过短的采样周期会造成太阳能的浪费。相反，采样周期过长会导致得到的采样电压值下降，降低采样的精度。本文的采样周期选择约10 s，采样的时间约100 ms。

图5 采样保持电路原理框图

此外，Buck变流器，恒压控制环和限流控制环的参数设计与传统的蓄电池充电电路一致，在此不再赘述。

4 实验验证

充电器电路的具体参数如表1。为了验证提出的设计方案的可行性，制作了一台60 W光伏充电器样机。光伏电池的开路电压在16.5 V至21 V之间，锂电池的电压在9 V至12 V之间，容量为10 Ah。

图6 是采样开路电压的实验波形。其中，Voc为光伏电池开路电压波形，Vsample为采样得到的衰减过的光伏电池开路电压波形，Vpulse为采样脉冲电压波形。从图中可以看出，当光伏电池的开路电压Voc改变之后，当采样脉冲Vpulse由低电平变为高电平时，采样保持芯片LF398处于采样状态，采样电压Vsample可以跟踪到改变后的开路电压。随后采样脉冲Vpulse由高电平变为低电平，LF398处于保持阶段，采样电压Vsample不再变化。

表1 充电电路参数

Buck变流器中，门极驱动信号和开关管的电压波形如图7所示。Buck变流器的输入电压Vin和输出电压Vout波形如图8所示。从这两幅图可以看出，充电电路工作良好。

图6 采样开路电压实验波形

图7 门极驱动信号和开关管电压波形

图9 蓄电池电压和充电电流变化曲线

在充电阶段，蓄电池的电压和充电电流的变化曲线如图9所示。蓄电池电压由11.55 V充到11.82 V，充电电流下降。最后，蓄电池的电压稳定下来，不再上升，说明已经进入恒压充电模式。

光伏电池的工作电压Vop与开路电压Voc的比例Vop/Voc的变化曲线如图10所示。在充电的最初阶段，该比例约为82%，由此说明光伏电池工作在最大功率点附近。当电路运行在恒压充电模式时，该比例远大于82%，说明光伏电池不再工作在最大功率点附近，以此来保护蓄电池。

图10 充电电压与比例系数Vop/Voc的变化曲线

5 结语

本文提出了一种便携式简易智能光伏充电器的设计方案。该方案的优点在于：（1）由于控制电路仅由几片模拟芯片组成，而主电路是一个Buck变流器，所以充电器的电路很简单，由此带来了成本低、体积小、重量轻的优点。这些优点都满足便携应用场合的需要；（2）该充电器能够在外部温度和光照强度变化的情况下，实现对光伏电池的最大功率点的跟踪，从而充分利用了光伏电池，避免了太阳能的浪费，同时还保留了传统充电器的功能；（3）该充电器易于集成，可以进一步减小尺寸和体积，提高功率密度。最后，为了验证该方案的可行性和实用性，制作了一台60 W的样机。

[1]肖鹏,陈国呈,吴春华,张翼.一种新型光伏独立发电系统拓扑及控制策略[J].上海大学学报（自然科学版）,2008,14（6）:633-636.

[2]曹成茂,马德贵.铅酸蓄电池充电电路设计研究[J].安徽农业大学学报,1998,25（2）:200-202.

[3]T Esram,P L Chapman.Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques.IEEE Transactions on Energy Conversion,2007，22（2）:439-449.