太阳能移动电源的设计与实现

魏克俭，聂 剑

（1.公安部第一研究所 北京 100048；2.海尔广科数字技术有限公司 北京 100086）

太阳能移动电源的出现不仅解决了数码产品的电池续航时间问题，而且绿色节能环保，日益受到人们的重视。目前市面上的太阳能移动电源产品，质量参差不齐，转换效率普遍较低。造成效率低的原因主要有两个方面：首先是太阳能电池板的效率较低、多数移动电源产品没有最大功率跟踪功能；其次是二次转换电路的效率较低。本文设计了基于最大功率跟踪功能的太阳能移动电源，并通过对二次转换电路的优化设计来提高二次转换效率，实现了太阳能移动电源整机效率的提升。

1 太阳能移动电源现状

1.1 太阳能电池板的现状

目前市面上大多数的太阳能电池板为多晶硅材质，转换效率能达到14%～18%，太阳能发电站、偏远山区家用供电普遍使用多晶硅电池板，并且基本都实现了最大功率跟踪功能，但是这种电池板体积大，不便于携带[1-2]。后来出现了柔性太阳能电池板，代表厂家有 Uni-solar、Global solar，这种电池板弱光性能优于多晶硅电池板，而且重量轻、可弯曲，适合在移动太阳能电源中使用，其主要缺点是效率较低，一般为7%～10%。

1.2 太阳能电池板的特性

太阳能电池板在最大功率点工作时，可提供峰值输出功率，最大功率点与太阳光的强度、环境温度、风速等多种因素相关，目前还没有一种模型能够包括所有因素，进行最大功率点跟踪[3]。在所有的最大功率点跟踪方法中，间歇扫描法，周期性对太阳能电池的功率进行扫描，找出最大功率点。这种发法增加的电路功耗很小，成本相对较低，算法简单，适合在可间隙供电的系统中使用。

1.3 太阳能移动电源方案比较

目前太阳能移动电源的方案主要有两种：一种是仅由太阳能电池板与相应的稳压电路组成，成本低、电路简单，但是不能储能，在无阳光时，将会断电；另一种由太阳能电池板、稳压电路和移动蓄电池组成，这种方案具有储能功能，在无阳光时，还能维持供电，但是电路较复杂、成本高。这两种方案有一个共同的缺点，都没有最大功率跟踪，不能充分利用太阳能电池板的能效。目前对这种小功率太阳能电池板进行最大功率跟踪的专用芯片很少[4]。

2 设计方案

图1为太阳能移动电源系统框图，主要由太阳能电池板、最大功率跟踪单元、充电管理单元、控制单元、电池保护单元、锂电池组以及输出单元组成。本设计的储能单元采用3.7 V锂电池组，为了增加使用灵活性，本设计兼容市面普通的5 V充电器，在有市电情况下，可以用普通的5 V充电器进行充电。

图1 太阳能移动电源系统框图Fig.1 Block diagram of Solarmobile power supply

3 硬件设计

3.1 太阳能电池板的选型

采用Uni-solar公司的PVL68柔性太阳能电池板，它重量轻、适合移动电源使用。PVL68的标称功率为1W，开路电压为2 V，本设计用6个电池板串联，则太阳能电池组最大输出电压为12 V，输出功率为6W。PVL68在不同光照条件的伏安特性如图2所示（温度25℃）。

图2 伏安特性曲线Fig.2 Voltage current characteristics curve

在标称条件下（光照强度1 000W/m2，25℃），PVL68的短路电流是5.1 A，开路电压是23.1V，最大功率点的电压和电流分别是16.5 V和 4.13 A，最大功率是68W。在非标称条件下（光照强度 800W/m2，46℃），短路电流是 4.1 A，开路电压是21.1 V，最大功率点的电压和电流分别是15.4 V和3.42 A，最大功率是53W。从伏安特性及参数可以得出以下结论：PVL68在光照一定的情况下，不同的输出电压，对应的输出功率不同，存在一个最大功率输出点；在不同光照条件下，对应最大输出功率的电压也不同；温度对最大输出功率有一定的影响。因此，实现最大功率跟踪功能，对充分利用太阳能电池发电性能会有较大的影响。

3.2 最大功率跟踪单元

本设计采用间歇扫描法实现对太阳能电池板的最大功率跟踪，即周期性的对太阳能电池板的最大功率进行扫描。扫描单元由一个恒流负载实现，控制单元控制其电流的大小，同时控制单元采集电池板的输出电压，计算出最大功率点，作为后续电池管理单元的部分参数。实际测试结果表明，采用本方法进行最大功率跟踪能使太阳能电池的输出功率增加约15%。

3.3 控制单元

控制单元CPU采用Microchip公司的PIC16F877单片机，该单片机内部集成有ADC与DAC，可以简化控制单元的设计。控制单元主要实现以下功能：外部5V充电器检测；太阳能电池板最大功率扫描；太阳能电池板输出电压采集；锂电池组的充电管理；锂电池组电压检测；输出单元Boost电路输入电流的检测，实现锂电池边充边放的功能。

3.4 充电管理单元

为了提高充电效率，充电管理单元采用普通开关型DCDC转换器与控制器来实现，而没有采用充电管理芯片。锂电池充电曲线要求在不同电压阶段，充电电流不同，本设计采用电流反馈环来进行充电电流的设置，电流的设置通过控制单元实现。DC-DC转换器选用TI公司TPS62140A，该芯片采用Buck电路模式，输入电压范围是3～17 V，输出能达到2A，内部集成高、低边的MOSFET，在9 V输入，3.3 V、1 A输出时，转换效率能够达到90%以上[5]。

外部电流反馈，使用电阻进行电流采样，并进行相应的处理，然后与参考进行比较，作用于电压反馈回路，达到控制充电电流目的。控制单元根据锂电池充电曲线，通过控制电流环路，调整充电电流。实验发现，电流环的反馈增益对环路的稳定性有影响，需详细优化。

3.5 锂电池保护单元

保护电路原理见图3。采用Mitsumi公司的MM3280J04芯片实现对锂电池的过放、过充、短路、过热保护功能[6]。该芯片的过充锁定电压是4.275 V，过充释放电压是4.215 V，充电过流电压是0.1 V；过放锁定电压是3.0V，过放释放电压是3.2 V，放电过流电压是0.15 V。其中MOSFET选用SSF2816E，其为一对N沟道增强型MOSFET，漏极相连，最大工作电压电流分别为20 V、4 A，当VGS为2.5 V时导通电阻为45mΩ，热阻为100℃/W。

图3 锂电池保护电路原理图Fig.3 Schematic diagram of lithium battery protection circuit

因为太阳能电板的标称功率为6W，假设充电电路效率为90%，则充电单元提供的最大功率为5.4W，假设电池3.4 V进入恒流充电，则最大电流为1.76 A左右，芯片的充电限制电流设置2.5 A左右即可。MM3280J04的充电过流电压为0.1 V，则采样电阻为40mΩ即可。本设计的输出额定参数为5 V、2 A，最大功率为10W，假设输出Boost电路的效率为90%，则电池输出最大功率为11.2W，由于MM3280J04的关断电压门限为3 V，则放电电流最大为3.74 A，SSF2816E的最大电流4 A，按照50%降额，因此需要用两个SSF2816E并联使用，同时满足采样电阻的需求。最大放电电流时MOSFET的压降为 168.3mV（3.7 4V*45 mΩ），已超过 0.15 V的放电门限电压。但实际上SSF2816E的导通电阻小于45 mΩ，最低VGS电压为3 V（即电池过放关断电压），假设电阻为45mΩ，则总的耗散功率为630 mW，每个 SSF2816E的耗散功率为315mW，其热阻为100℃/W，其温升为31.5℃，实际导通电阻小于45 mΩ，取40 mΩ，则导通电阻压降为149.6mV，已临界放电过流电压，实际应用中可以忽略。

3.6 输出单元

输出电路原理见图4，采用Boost电路实现，选用TI公司的TPS61032PWP芯片实现5 V输出。该芯片在输入3.2 V，输出5 V、2 A时，效率达到88%以上，满足设计要求。

图4 输出电路原理图Fig.4 Schematic diagram of output circuit

4 软件设计

软件设计流程如图5所示。微处理器监控电池电压、控制电池的充电状态和放电电路的开启。主程序在没有充放电操作时处于休眠状态，这样可以减小移动电源的自身损耗。通过外部按键产生电平变化中断来唤醒移动电源。

5 设计关键点

利用控制单元实现以下关键功能：

1）利用间歇扫描法，进行太阳能电池最大功率点跟踪，使其始终工作在最大功率点，改善太阳能电池的利用效率。

2）利用控制单元进行锂电池充电管理，满足锂电池的充电曲线，最大限度的保护电池。

3）实现锂电池组的边充边放功能，控制单元检测Boost输入电流，然后调整锂电池的充电电流。此功能充分利用太阳能电池板的作用，特别是在锂电池已充满时，可以直接给外部设备进行供电。

图5 软件设计流程图Fig.5 Flow chart of the software design

6 结束语

小功率太阳能设备在日常生活中的应用越来越多，本文设计的基于最大功率点跟踪技术的太阳能移动电源可靠性和转换效率高、成本低，具有良好的应用前景。

[1]钱伯章.太阳能技术与应用[M].北京:科学出版社，2010.

[2]施祖铭.太阳能光伏电池的发展[J].装备机械，2010（4）:69-73.SHI Zu-ming.Development of solar cells[J].Equipment Machinery，2010（4）:69-73.

[3]杨帆，彭宏伟，胡为兵，等.太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨[J].电子器件，2008，31（4）:1081-1084.YANG Fan，PENG Hong-wei，HUWei-bing，etal.Study technology ofmaximum power point tracker on the solar cell[J].Electron Devices，2008，31（4）:1081-1084.

[4]刘阳，胡芃，张谦.基于LT3652的太阳能充电器设计方法[J].电子设计工程，2011，19（17）:167-170.LIU Yang，HU Peng，ZHANG Qian.Asolar charger design method based on LT3652[J].Electronic Design Engineering，2011，19（17）:167-170.

[5]辛伊波，陈文清.开关电源基础与应用[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社，2011.

[6]Mitsumi Integrated Products.c_battery_mm3280 Datasheet[EB/OL].（2012-10-20）[2014-12-01].http://www.mitsumi.co.jp/chinese/catalog/pdf/c_battery_mm3280.pdf.