便携式太阳能双向变换器及其能量管理研究

潘三博，郝夏斐

（安阳师范学院，安阳 455002）

0 引言

太阳能是一种清洁高效的可再生能源，它的利用是节约资源、节能减排、应对温室效应的一个重要举措。太阳能产业已成为当今世界上发展最快的高新技术产业之一，最近十年的平均增长速度为42%。在当今信息社会中，便携式电子设备已充斥着人们的生活，从手机、数码相机、电子书到一些便携式测控仪器满足着人们的生活和工作需求。太阳能光伏充电能满足便携式电子设备供电方便的要求。随着太阳能应用技术的发展，高效率的便携式太阳能充电器将会广泛应用于便携式电子设备[1]。

本文提出一种太阳能双向变换器，它包含太阳能电池板、USB口充电电源与负载、锂离子储能电池。通过由电感、P型 MOSFET与 N型MOSFET组成的双向变换器运行于不同的工作模式，实现了提高效率、太阳能最大功率输出和蓄电池充电性能优化。与现有产品采用的输入充电接口和输出接口用2个大小不同的USB口的方案不同，本电路采用一个标准USB口，既能作为输入充电接口，也能作为输出接口。大大简化输出，防止了用户使用错误造成的损坏。该产品可以广泛应用于便携式电子设备的充电装置。

1 电路及工作原理

如图1所示是太阳能双向变换器的主电路。便携式太阳能变换器的太阳能板功率较小，一般需要储能。它包含：太阳能电池板、锂离子储能电池和充电电源与负载接口。其中，充电电源与负载接口共用一个USB口。按照能量的供给与流向，电路主要分为以下三个工作模式：

图1 太阳能双向变换器原理框图

模式一：太阳能供电，USB口不接通。

当蓄电池电压低于一定范围时，太阳能电池通过双向变换器给蓄电池充电，双向变换器工作于降压变换。其中太阳能板通过二极管接至变换器，防止电流回流，保护太阳能板。直至蓄电池电压充到保护电压上限时，双向变换电路停止工作，蓄电池保护电路动作，蓄电池充满电。

模式二：太阳能供电，USB口接通。

当USB口接充电电源时，这时太阳能板与USB的输入一起给蓄电池充电。工作过程与模式一类似。当USB口接便携式电子产品负载时，太阳能板与蓄电池一起给USB供电。双向变换器工作于升压变换，储能蓄电池给负载放电。直至蓄电池电压放到保护电压下限时，双向变换电路停止工作，蓄电池保护电路动作，蓄电池放完电。

模式三：太阳能不供电， USB口接通。

此模式与模式二类似。当USB口接充电电源时，是充电电源通过双向变换器的降压变换给蓄电池充电。当USB口接便携式电子负载时，则是蓄电池通过双向变换器的升压变换给负载放电。瞬时功率较小的太阳能板不提供能量。

当太阳能不供电， USB口也不接通时，电路不工作。

2 能量管理方案

从工作原理分析可知，正确判定USB口接入的是充电电源还是负载，对确定电路工作于哪种模式非常重要。通过检测USB口电压，当电压为稳定的5V时， USB口接的是充电电压。当电压低于5V且电流方向为蓄电池输出时，则USB口接的是负载。下面详细分析主要工作模式下的能量管理。

2.1 太阳能板的最大功率输出

太阳能供电给储能蓄电池，这是这种产品工作时间最多的一种方式。这时，双向变换器工作于降压模式，就是太阳能板给自带的储能蓄电池充电。为充分利用太阳能，通常需加上最大功率跟踪控制[2]，比没有最大功率控制的多输出20%的能量[3]。因为输出的对象是蓄电池，所以可以认为一定的作用时间内，蓄电池电压保持不变。检测到的电流与上一时刻的电流进行对比，如果电流比较大，则可认为输出功率比较大。调节占空比，按照占空比朝着最大输出功率的方向变化。就可以实现最大功率控制。如图2所示是这一基于控制思想的太阳能输出最大功率控制算法流程图。

图2 最大功率控制算法流程图

2.2 锂电池的管理

双向变换器自身的储能蓄电池给便携式电子产品供电也是这种产品重要的一种工作方式。这时，双向变换器工作于升压模式，就是自带电池给便携式电子产品的电池的充电器。

为提高电池使用寿命，充电器内置的储能电池对负载电池进行充电时采用慢充-快充-恒压冲三段式充电曲线[4]。共包括三个阶段，第一阶段为慢充阶段，采用较低的3V以下电压及约1/10的峰值充电电流约50mA进行预充电；第二阶段为快充阶段，采用峰值充电电流约500mA进行充电，此时负载电池电压会不断升高，充电电压同时要不断升高；第三阶段为恒压充电阶段，当手机电池电压升高到一定程度时，采用恒压进行充电，此时充电电流会逐渐降低，降低至50mA以下则认为充电过程已经结束。如果在这个工作过程中，阳光足够，太阳能板有输出，则太阳能板通过防回流二极管也给负载充电。

3 实验电路与结果

为验证原理，制作了实验样机。主电路如图3所示。其中Q2、Q1、L1组成双向变换器，可以工作为升压电路，也可以工作于降压电路。为了简化便携式电子产品电路，Q1、Q2这2个MOSFET一个采用P沟道，一个采用N沟道，就可以只用一个驱动电源。U4与U5为蓄电池保护电路，能有效保护电池过充电与过放点。

图3 太阳能双向变换器主电路图

目前的太阳能便携式充电器一般2个USB口，一个是输入，一个是输出。考虑到双向变换器充电与对电子产品负载充电不同时进行，电路里面只有一个USB口。如上文所述，工作的时候通过检测USB口电压来区别是工作在充电模式下还是工作在放电模式下。这样既简化了电路，又防止了因接错接口带来的损坏。

为了有效识别不同的工作模式，并实现能量管理。采用微控制器进行控制必不可少。本文采用德州仪器的专用于便携式电子设备的MSP430F2132微控制器[5]。该微控制器是基于闪存的超低功耗 MCU。在 1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达16MIPS。包含极低功耗振荡器，待机模式时0.3μA，工作模式时220μA/MIPS。它包含8K的Flash与512B的SRAM存储单元，有8个通道精度为10位的A/D转换，可以满足图3中电流、电压的采样精度。有22个I/O口，2个定时器，双向变换器的2个开关管Q1与Q2工作于互补状态，输出只要一路PWM信号，从P3口输出。图4所示为MSP430微处理器电路图。

通过本样机带1w的太阳能板给蓄电池负责充电，测试蓄电池充满电比不用最大功率控制，比用太阳能板直接充电要少1个小时，在这种小功率时，约提高输出10%。通过本样机给一个完全放电的智能手机进行充电，测得的输出电压电流曲线如图5所示。

图4 微处理器电路图

图5 给手机负载的充电曲线

4 结论

本文对一种太阳能双向变换器的工作原理与电路设计进行了讨论。把光伏电站中普遍采用的最大功率跟踪控制技术引入便携式太阳能手机充电器中，使该产品的性能得到了提升。本产品的便携式低能耗MSP430微控制器能够实时检测太阳能电池板的电压，并追踪最高电压电流值，使系统以最高的效率对蓄电池进行充电。对蓄电池进行三段式充电，以提高电子产品使用寿命。根据实际测试，在小功率电路应用中最终输出功率提高约 10%。采用P沟道，与N沟道MOSFET组成双向变换器以减少驱动电源和采用一个USB口对电路简化也是本文的特色之处。

这种太阳能双向变换器可作为充电器广泛使用于各种手机、PDA、MP4以及数码相机等电子产品，使用方便，环保节能。

[1] 孙超, 郭勇, 陈新. 独立光伏系统中太阳能充电器的研究[J]. 电力电子技术. 2009, 43(4): 44-46.

[2] 禹华军, 潘俊民. 光伏电池输出特性与最大功率跟踪的仿真分析[J]. 计算机仿真. 2005, 22(6): 248-252.

[3] 赵宏, 潘俊民. 基于Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪系统[J]. 电力电子技术. 2004, 38(3):55-57.

[4] 郭光明, 王秀华. USB手机充电器的设计, 电子科技[J].2008, 21(9):33-35.

[5] 沈建华. MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计[M]. 清华大学出版社, 2005.