一种适配太阳能充电的低成本MPPT移动电源设计

金 政，袁 讯，邹 恩

（广州新华学院，广东 广州 523133）

0 引 言

随着社会经济的发展，人们对健康的重视程度正在逐步提高，参与户外运动的人数逐年增长。其中长距离的徒步、骑行以及登山等活动越来越盛行，而在此过程中人们所选择的活动路线往往是人烟稀少的荒野，这就导致随身携带的电子设备经常无法及时获得电量补充。为了解决这个问题，以前人们会携带足够多的备用电池，但过多的电池会大大增加整个行程当中的负担。针对该问题，考虑到目前快充充电的普及，本文设计了一种满足多快充协议并适配太阳能充电的低成本MPPT移动电源，可以有效提升太阳能充电效率。

1 MPPT算法

太阳能电池作为一种非线性元件，既不是恒压源也不是恒流源。图1、图2、图3以及图4分别给出了太阳能电池在不同光照强度和不同温度下的特征曲线，从中可以看出太阳能电池的最大功率点会随光照强度与温度的变化而发生改变[1]。

图1 不同光照下的U-I特性曲线

图2 不同温度下的U-I特性曲线

图4 不同温度下的U-P特性曲线

为了提高太阳能电池板在给移动电源充电过程中的转换效率，减少功率的浪费，需要利用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术。关于太阳能MPPT算法一直以来有着非常多的研究，其中传统算法主要包括恒定电压法、扰动观测法、电导增量法以及模糊控制法等，本设计所采用的是恒定电压法[2-4]。从图1和图3中可以看到，当温度不变、光照强度发生改变时，最大功率点处的电压基本保持一致，这也就意味着只需要在太阳能电池板给移动电源充电的过程中使输出电压稳定在某个特定值即可实现MPPT功能。然而从图2和图4中又可以看到，如果温度发生改变，最大功率点处的电压也会相应地发生改变，这样又会导致采用恒定电压法不能完全实现最大功率点的跟踪[5]。在实际使用中，太阳能充电主要在天气较好的状况下才具有明显的效果，在阴雨天则效果较差，并且太阳能主要的充电时间段一般分布在9:00—15:00。而在天气状况较好时，9:00—15:00的环境温度变化一般不会特别剧烈，最大功率点的电压也就不会发生较大的偏移。同时在电路设计中将跟踪电压设置为可调模式，可进一步适应在不同气温条件下对最大功率点电压的跟踪。在这样的应用场景下，采用恒定电压法是可行的。此外，相较于其他几种MPPT算法，恒定电压法还具有控制简单、占用硬件资源少的优点，可以有效减少移动电源的使用成本[6]。

2 设计方案

图5为MPPT移动电源系统框图，主要包括输入单元、MPPT单元、电池保护单元、储电单元、控制单元以及输出单元。输入单元可以采用太阳能电池板，也可以采用常规的手机充电器；MPPT单元采用降压电路给锂电池充电，同时实现最大功率点跟踪；控制单元主要用来实现一些状态的指示、输出单元使能、充放电保护等功能；输出单元则是将锂电池的电压升高到适当的值给其他电子设备充电，同时支持多快充协议。

图5 MPPT移动电源系统框图

3 硬件设计

本文重点对MPPT单元、控制单元、输出单元（包括快充协议识别功能）进行设计，输入单元的电压应在4.5～28 V，储电单元采用单节锂电池，充满电后的电压为4.2 V。

3.1 MPPT单元

为了实现MPPT功能，选用上海如韵电子公司生产的CN3791芯片。这是一款基于恒定电压法跟踪最大功率点的PWM降压模式芯片，搭配简单的外围电路即可对单节锂电池进行三段式充电。MPPT充电电路如图6所示，电路中R2和R3分别采用了两个可调电阻，通过调节R2和R3的阻值可以在一定范围内设置最大功率点的跟踪电压，从而实现在不同的气温条件下有效跟踪太阳能最大功率点的电压。

图6 MPPT充电电路

3.2 电池保护单元

如图7所示，锂电池保护电路采用DW01单节锂电池保护芯片，具有过充、过放以及短路保护功能。将GM8205A双N-MOS管并联，可以有效提高电流保护阈值。

3.3 输出单元

由于本设计中的储电单元采用的是单节锂电池，满电后的电压只有4.2 V，而常用的负载额定充电电压一般也要5 V，有些支持快充功能的手机充电电压可以达到9 V、12 V，因此必须将锂电池的低电压通过升压电路升到高电压后才可以给手机正常充电[7]。

为了提升锂电池的电压，可以采用Boost升压拓扑来实现，如图8所示。

图8 升压输出

本设计采用了TI公司的TPS61088同步整流升压芯片，输入电压最低2.7 V，最高输出电压可达12.6 V，具有较高的转换效率，能够满足设计需求。锂电池经过升压之后，并不能直接触发手机的快充功能，还需要在它们之间增加一个快充协议识别电路，如图9所示[8]。此电路采用了IP2161快充协议芯片，支持包括高通QC2.0/3.0、苹果2.4A、华为FCP以及展讯SFCP等多种市场上常见的快充协议。当检测到接入USB端口的待充设备为非快充设备类型时，通过改变DP、DM两个引脚的电压来握手不同设备。当检测到接入USB端口的待充设备为快充设备类型时，自动识别快充类型并对协议请求进行解析和响应，从而完成与待充电设备的握手过程。然后按照协议请求通过FB引脚SOURCE或SINK电流调整反馈环路的反馈电压，从而调节快充电压。

图9 快充协议识别电路

3.4 控制单元

如果单纯考虑对成本的控制，省掉控制单元也能够满足设计的基本功能需求。其中充电状态可以通过在MPPT电路中增加两颗LED灯进行指示，但是为了更精确显示电量以及考虑后续功能的扩展等因素，本设计采用了低成本单片机STC89C51，如图10所示。

图10 单片机控制电路

4 软件设计与测试

单片机主要通过检测电池电压显示电量，检测电池温度控制充放电。在没有充放电时进入休眠状态，减少电量的损耗。此外，通过外部按键产生的电平变化可以唤醒移动电源。

实验选择的是一块户外常见的折叠式太阳能板，标称功率13 W，厂家给出的在标准测试条件下最大功率点处的电压和电流分别为6.89 V和1.92 A。为了避免测试结果因自然光照强度随机变化带来的误差，实验中使用由卤钨灯阵列组成的模拟光源替代太阳光照射，通过改变模拟光源与太阳能板之间的高度可以调整辐射强度与温度。由于缺少测试光强的设备，为了保证每种负载的测试条件一致，实验过程中将模拟光源与太阳能板的距离统一设置为30 cm，MPPT跟踪电压设置为6.2 V，每一种负载都在开启光源后30 s的时刻记录充电数据。表1为使用太阳能板对3种不同的负载进行充电的对比测试结果。

表1 太阳能充电对比测试

从测试结果来看，加入MPPT功能后，太阳能的充电效率有明显提升。

5 结 论

从优化户外长距离行程中电量补充方案的角度出发，设计了一种适配太阳能充电的低成本MPPT移动电源，并通过实验对比的方式验证了其能够有效提升充电效率，具有广阔的市场前景。