光伏智能充电器的设计与研究

王秋妍，贾国顺

(1.火箭军工程大学基础部，陕西西安，710025；2.96841部队，青海西宁，810011)

0 引言

随着科技的飞速发展，对电能的需求越来越大。但是，由于常规能源的日益枯竭，绿色、可再生能源逐渐受到青睐，促使全世界对包括太阳能、核能和风能等新型能源的研究更加紧迫。太阳能电池也称为 “光伏电池”，通过光电效应或者化学效应，把光能转化成电能。本文将对太阳能光伏电池在各种外界环境进行试验、探究，模拟各种外界因素，找到光伏电池在某些特定条件下的特性。并基于光伏电池通过稳压电源设计，提高光伏电池在复杂条件下的输出稳定性，实现智能锂电池充电。

1 光伏电池光照实验测试

光伏电池的工作原理是光电效应，主要由硅、化合物半导体和有机材料等制成。为了能够更好的利用太阳能电池，本文通过试验探究太阳能电池的各项工作特性，主要针对一天内不同的时间点，太阳光照逐渐变化对光伏电池的特性进行试验探究。

光照强度分别为1100W/㎡、800W/㎡、600W/㎡，内阻分别为 0.8～0.9Ω、1.4～1.6Ω、1.9～2Ω，最大输出功率分别为14W、11W、9.18W，实验数据分别如表1、表2和表3所示。

表1 光照强度1100W/㎡的测量数据

1 4 3 98 3 06 11 6352 1 3 7 3 72 13 0032 0 9 3 52 3 94 13 764 0 8 3 26 4 12 14 0892 0 7 2 89 4 22 13 5792

表2 光照强度800W/㎡的测量数据

表3 光照强度600W/㎡的测量数据

由试验数据可知，在太阳光功率下降到800W/㎡时，光伏电池的功率已经明显有所下降，而且其最大输出功率电阻也有所提高。说明随着太阳光照功率的降低，太阳能电池的内阻也在不断增大。这和光照强度对于载流子的数量和活动的影响是相互吻合的。

2 光伏智能充电器设计

由于光伏电池受外界因素的影响较大，因此，往往要通过后续电路处理才能在工程实际中得到应用。本文将设计光伏稳压电源，实现对锂电池的充电。根据设计要求，本文将采用MAX1898芯片，它是一款能够实现锂离子电池充电各项指标的控制芯片，其电路如图1所示。电路中7脚与GND之间需要接入10uF旁路电容，防止充电过程中电源电压不稳定，带来的充电的波动。在充电的锂离子电池与晶体管的漏极/集电极之间必须接入肖特基二极管。来防止充电时，由于电路原因，导致锂离子电池漏电。

图1 基于MAX1898充电器电路

芯片选择：选择MAX1898EUB42芯片。

场效应管选择：使用irf9540场效应管，漏极最大电流-23A，最大耐压100V。

ISET端电阻选择：因为本设计选择两种锂离子电池进行充电试验。分别为2000mAh和2800mAh。所以按照1C的快速充电要求，因该选择700Ω和500Ω的电阻。

肖特基二极管选择：因为本设计电路电压和电流等参数要求较低。选用普遍常用的1N5819肖特基二极管即可满足要求。

3 实验结果和数据

在太阳功率大于1000W/㎡时，在两个小时四十分钟左右就可以把电池充满，充满后自动断电，当换上另一块没有电的电池时，电路可以自动检测，并自动重启。

另外，选择一天当中太阳光功率在1200W/㎡，1000W/㎡，800W/㎡，600W/㎡，400W/㎡下，比较十五分钟内手机的充电量，如表4所示。显然，当太阳功率继续下降时，充电器所提供的电量就已经相当微弱。

表4 太阳光功率和充电量

充电器系统在快速充电阶段，虽然太阳光的功率会有所波动，但是通过监控引脚4的外接电阻两端的电压值，可以看到，充电器所提供的电流基本不变；遮挡住部分太阳能板，系统的输入电压降低，但是充电器端电压保持平稳。充电器电路在各阶段的电压、电流波形如图2所示。

图2 充电阶段电压、电流波形图

可见，实验波形与理论波形基本一致，可以实现锂离子电池的快速充电。只是该充电系统对太阳功率的要求比较苛刻，例如在光照不足或采光不好的情况下，对充电指标会产生较大影响。

4 总结

虽然光伏电池技术发展较快，并且已经比较成熟，但是太阳能电池所提供的输出并能直接应用于工程实践，因此必须经过后续电路的处理。针对电子设备的飞速发展，本文在研究光伏电池性能的基础上，设计智能充电器，实现对锂电池的智能充电。目前，随着电力电子技术的发展，光伏电池利用逆变器，产生交流电，可以独自供电也可以实现并网发电，这类光伏发电系统已经广泛应用于我们的生产、生活中。