针对锂电池的太阳能充电器的设计*

李晓帆

（湖南怀化学院 物信系，湖南 怀化418008）

太阳能是一种便捷、环保、可再生的新能源。太阳能电池将光能转换成电能，其等效电路如图1所示。

太阳能电池输出电压电流I-V方程为[1]：

其中I为PN结的电流，I0为反向饱和电流，V为外加电压，q为电子电荷(1.6×10-19C)，K为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T为绝对温度，A为二极管因子（取值范围 1～5）。

太阳能电池电压电流为非线性的，日照条件不变的情况下，太阳能电池输出存在一个最大功率点，即在该点输出电压和输出电流下，能够将太阳能最大程度地转化为充电电能。目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个DC-DC变换器，通过改变DC-DC变换器中功率开关管的导通率，使太阳能电池工作在最大功率点（MPPT），实现最大功率点跟踪。

本设计从充分利用太阳能的转换能量角度，选用SPV1040 DC-DC转换芯片，跟踪最大功率点，提高太阳能的转换效率；考虑到太阳能电池输出电压的变化范围以及锂电池的充电安全和充电器的自身工作状况，选用L6924D电源管理芯片，设计出以SPV1040和L6924D为主要芯片的太阳能锂电池充电器。

1 芯片介绍

1.1 SPV1040的结构与工作原理

SPV1040是ST公司生产的太阳能充电器 IC[2]，内置采用扰动观察法（Perturb&Observe algorithm）的 MPPT算法，可动态调整充电器的输入阻抗，确保充电器输入阻抗与太阳能电池完全匹配，最大限度地提高从充电器到电池的能量输送效率和系统的整体能效。温度、老化、灰尘等引起太阳能电池变化所造成的不匹配问题，都可通过MPPT技术加以解决，从而提高系统的能量转换效率。

SPV1040内置MPP模块实现最大功率点跟踪。SPV1040内部通过模拟模块产生输入参考电压Vin_ref和VBG，对超低输入电压、输出过流、结温过高和输入反极性输入进行管理。

1.2 L6924D的结构和工作原理

L6924D是集成功率开关的锂电池充电芯片[3]，内部产生 1.8 V参考电压，通过电阻分压，将温度变化传递到输入端，实现对电池温度的监视；考虑到不同厂家锂电池输出电压的不同，可通过VOPRG端的设置，悬空时输出 4.2 V，接地时输出为4.1 V；可通过SD端设置芯片的工作状态；通过VIN-SNS和 VOSNS端监视输入电压、输出电压；在L6924D内部集成两个晶体管，通过集电极与ST1、ST2可驱动LED或与主机连接，显示充电器状态。通过LED显示状态情况如表 1所示[4-5]。

表1 用LED显示的充电器状态

2 电路设计

根据蜂窝电话用锂离子电池总规范(GB/T 18287-2000)，充电过程经历预充电、恒流充电和恒压充电[6]。恒压充电的电压为充电限制电压。对于锂离子电池充电，需进行过充电保护、过电流保护和短路保护。

针对锂电池的太阳能充电器设计电路包括太阳能电池板升压电路和锂电池充电管理电路。太阳能电池板升压电路如图2所示。锂电池充电管理电路如图3所示。

2.1 参数选择

2.1.1限制电压设置

通过对VOPRG端的连接，设置输出电压。VOPRG悬空，输出为4.1 V，VOPRG接地，输出电压为4.2 V。

2.1.2恒流充电电流的设置

在IPRG端与GND之间加入电阻RPRG(即图 3中 R13)，设置 RPRG可改变恒流充电电流值 ICHG，其大小由式（2）决定。

其中 KPRG=9 500，VBG=1.23 V。

2.1.3预充电电流的设置和预充电结束电压

VPRE端悬空，预充电电压取默认值2.8 V。VPRE通过电阻RPRE接地，改变电阻RPRE值，改变预充电结束电压值。RPRE值由式（3）决定。

其中VPRETHdefault=2.8 V。

默认预充电电流为恒流充电电流的10%，在IPRE和地或参考电压VREF间加入电阻，可设置预充电电流值。IPRE与地之间加入电阻，预充电电流值较默认值高。接入电阻RPRE由式（4）决定。

IPRE与参考电压VREF间加入电阻，预充电电流值较默认值低。接入电阻 RPRE由式（5）决定。

其中 VREF=1.8 V，KPRE=950，VBG=1.23 V。

2.1.4充电结束电流的设置

恒压充电电流逐渐减少到IENDTH时可认为充电结束。IENDTH可通过在IEND端接入电阻 REND，与 GND相连。REND的阻值由式（6）决定。

其中 VMIN为 50 mV，KEND为常数 1 050。

2.2 测试结果

本设计太阳能电池板使用2片5 V/250 mA单晶超薄硅板，锂电池规格为 3.7 V/1 200 mAh、充电限制电压为4.2 V的手机锂电池。考虑手机锂电池充电时间和充电方式，设置预充电电流IPRECH=80 mA，预充电结束电压VPRETH=2.8 V，恒流充电电流ICHG=480 mA，结束电流为IENDTH=15 mA，恒压充电电压为4.2 V。

设太阳能电池的输出端即SPV1040的输入端电压为 VIN,SPV1040的输出端电压为VOUT，充电电压为 VBAT，锂电池初始充电电压为2.30 V，测试结果如表2所示。可见充电273 min后STI灯灭ST2亮，充电结束。

本设计对容量为1 200 mAh的手机锂电池充电，阳光充足，充电时间为4 h，基本满足对锂电池的充电要求。

表2 SPV1040输入输出电压测试

针对锂电池的太阳能充电器通过SPV1040内置MPPT算法，将太阳能电池板能量尽量转变为电能（转化效率达95%），经过对L6924D外围电路选择，设置充电参数，实现对锂电池的充电管理和对充电电池的保护。

[1]赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2003.

[2]SPV1040：high efficiency solar battery charger with embedded MPPT[DB/OL].(2011-04-06)[2011-08-18].http：//www.st.com/internet/analog/product/251161.jsp.

[3]L6924D：battery charger system with integrated power switch for Li-Ion/Li-Polymer[DB/OL].(2010-09-22)[2011-08-18].http://www.st.com/internet/analog/product/103931.jsp.

[4]NOGUCHI T，TOGASHI S，NAKAMOTO R.Short-Current-Pulse based adaptive maximum-power-point tracking for photovoltaic power generation system[J].IEEE Transaetions on Industrial Electronics，1997，44(6)：769-773.

[5]ARAB A H，DRISS B A，AMIMEUR R，et al.Photovoltaic systems sizing for algeria[J].Solar Energy，1995，54(2)：99-104.

[6]GB/T 18287-2000.蜂窝电话用锂离子电池总规范[S].北京：中国标准出版社，2001.