一种实用太阳能充电器的研制

龚 舒，卢雯兴，龚 畅，陈绍南，李如琦

（广西大学电气工程学院，南宁 530004）

随着传统能源的日益枯竭，太阳能作为一种清洁、高效的可再生能源而备受关注。目前，太阳能的利用，主要包括光热转换和光伏发电两方面，光伏发电已经成为电力电子的研究热点之一[1～2]。锂电池由于能量密度高、使用寿命长等优点，广泛应用在便携式电子产品中[3]，随着太阳能电池板性价比的提高，由太阳能直接为锂电池提供充电能量，将会得到越来越广泛的应用。本文介绍了一种实用太阳能充电器的研制过程，分析了这种充电器的工作原理，给出了实验结果。

1 系统结构

由于太阳能电池板的输出电压及功率随光照强度波动较大，因此首先将太阳能电池板的输出波动电压经电压变换电路后，转变成充电管理电路所需要的稳定电压，根据电池电压，充电管理电路可对电池进行预充、恒流、恒压3阶段充电，从而提高充电效率，延长电池使用寿命。此外，可根据太阳光照情况，手动调节充电电流大小。为此，将太阳能充电器系统框架确定为如图1所示。

图1 系统结构框图

2 电压变换电路设计

2.1 Buck变换器的原理分析

图2(a)是Buck变换器的电路图，主要工作波形如2(b)所示，其中，IP、IR分别是电感电流的峰值和波动值，D、D'、T 分别是开关管导通占空比、二极管导通占空比和开关周期。

在一个开关周期结束时，根据电感电流是否为零，Buck变换器可工作在不连续导电模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）和连续导电模式（Continuous Conduction Mode，CCM）[4～5]。由图2(b)可知，各支路电流的直流分量为：

图2 Buck变换器

各支路电流的有效值分别为

其中fS为开关频率，定义为fS=1/T。

由能量守恒可知

由电感电压的伏秒平衡可知，

联立式(1)、式(6)、式(7)、式(8)可解得，DCM 与 CCM 的临界电感值为

在不同工作模式下，输出电容上的纹波电压的峰峰值分别为[4～5]

由以上分析可知，若电感感量大于LC，则变换器工作在CCM模式；反之，变换器工作在DCM模式。CCM模式的电感值大，具有电流应力小和输出纹波小的优点，DCM则反之。

2.2 电路设计

太阳能电池板为Buck变换器提供能量，充电管理电路是变换器的负载，根据实际应用情况，该级的设计参数为：输入电压5.5～12 V，输出电压4.7 V/550mA，输出纹波电压50 mVpp。

实验电路及其参数如图3所示，其中太阳能电池板的主要参数为：标称功率5W，工作电压8.75 V，工作电流0.56 A，尺寸190mm×255mm×18mm。

图3 电压变换电路

IC1为主控制芯片，型号LM2596T，内部集成PWM控制电路和主开关管，各引脚功能如表1所示。

表1 LM 2596T 的引脚功能

为了提升转换效率，Buck变换器设计在CCM模式，将已知参数代入式(9)，可得到L1的最大临界电感值为17μH，取电感感量为47μH，即可保证在1/2额定负载且输入电压变化的情况下，变换器仍然工作在CCM模式。由2.1节的推导，可以算得，流过IC1内部主开关最大电流的直流分量和有效值分别为0.47 A和0.51 A（低压输入时），LM2596最大电流为3 A，完全可满足要求；流过续流二极管D1最大电流的直流分量和有效值分别为0.33 A和0.44 A（高压输入时），选用SB240可满足电压、电流应力要求，并留有较大余量。C1、C2为输入滤波电容，并兼能量缓存的作用。R1、R2、R3、Z1、Q1 组成输入欠压保护，使得IC1在输入电压高于4.7 V时（约为5.4V）才能工作。C3决定输出电压纹波，由式(10)求得。输出电压由R4、R5决定，由下式求得

3 充电管理电路设计

3.1 锂电池充电特性曲线

理论和实践证明，锂电池的充放电，是一个复杂的化学过程，锂电池一般是分阶段进行充电，充电曲线如图4所示。

图4 锂电池的充电曲线

当电池电压小于VMIN时，用较小电流IPRE进行预充电；当电池电压大于VMIN，小于VREG，用较大电流IREG进行恒流快速充电；当电池电压上升至VREG，进行恒压充电，在充电电流减小至IPRE时，充电完成。

3.2 电路设计

充电管理电路采用BQ2057C作为控制芯片，封装为TSSOP，其各引脚功能如表2所示。

表2 BQ2057C的引脚功能

图5 充电管理电路

充电管理电路如图5所示，图中VO为电压变换电路的输出电压，C4、C5为瓷片电容，滤除电路中的高频杂波；R8、R9分压后，IC2的4脚电压取为VO的一半，即关闭温度检测功能。充电电流由下式决定

可根据光照情况选择充电电流，在S1闭合时，快速充电模式，充电电流在530mA左右。在S1打开时，慢速充电模式，充电电流在320mA左右。LED指示充电状态，R11为限流电阻，预充和充电时，IC2的5较为高电平，LED灯亮；充电完成后，5脚为低电平，LED等不亮。Q1为线性调整管，在满足电压、电流应力的要求下，应选用高β值，低Vce压差的管子，FZT788B可满足要求。

4 实验结果

在快速充电模式下，电压变换电路的工作波形如图6所示，CH1是D2两端电压，CH2是C3两端电压。可见，在输入电压较大范围的波动下，电压变换电路始终能为电池管理电路提供稳定的4.7 V电压。对于单节860mAh的锂电池，初始电压3.2 V（普通手机的电池欠压保护电压），在快速充电模式下，整个充电过程持续约1.5 h，在慢速充电模式下，整个充电过程持续约2.5 h，充电器的整机效率在62%～80%。

图6 实验波形

5 结束语

本文研制了一款实用的太阳能充电器，太阳能电池板的输出波动电压，经电压变换电路后，转变成充电所需要的稳定电压，根据电池电压，充电管理电路可对电池进行预充、恒流、恒压3阶段充电，从而提升充电效率，延长电池使用寿命。实验结果表明，该充电器的转换效率高达80%，可在1.5～2.5 h内完成普通手机电池的充电，具有一定的实用价值。

[1]卢 琳，殳国华，张仕文.基于MPPT的智能太阳能充电系统研究[J].电力电子技术，2007，42(2):96-98.

[2]吴理博，赵争鸣，刘建政，等.独立光伏照明系统中的能量管理控制[J].中国电机工程学报，2005，25(22):68-72.

[3]周志敏，周纪海，纪爱华.充电器电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[4]刘树林，刘 健，寇 蕾，等.Buck变换器的输出纹波电压分析及其应用[J].电工技术学报，2007，22(2):91-97.

[5]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.