太陽(yáng)能是為便攜式設備供電的有吸引力的能源。一段時(shí)間以來(lái)，它一直被廣泛地用于諸如計算器和航天飛機這樣的應用。最近，人們正考慮把太陽(yáng)能用于包括移動(dòng)電話(huà)充電器這樣的范圍更寬廣的消費電子應用。
然而，太陽(yáng)能電池板所提供的功率高度依賴(lài)于工作環(huán)境。這包括諸如光密度、時(shí)間和位置之類(lèi)的因素。因此，電池通常被用作能量存儲單元。當來(lái)自太陽(yáng)能板的電能有余的時(shí)候，就可以對電池充電；當太陽(yáng)能板提供的電能不足時(shí)，電池就可以為系統供電。我們如何設計鋰例子電池充電器以便從太陽(yáng)能電池中獲取最多的功率并有效地對鋰電池充電呢？首先，我們將討論太陽(yáng)能電池的工作原理和電氣輸出特性；然后，我們將討論電池充電系統要求以及匹配太陽(yáng)能電池特性的系統解決方案，以便從太陽(yáng)能電池獲取最大的功率。
太陽(yáng)能I-V特性
一般地說(shuō)，太陽(yáng)能電池由p-n結構成，其中的光能(光子)引起電子和空穴的重新組合，產(chǎn)生電流。因為p-n結的特性類(lèi)似于二極管的特性，如圖1所示的電路通常被用于簡(jiǎn)化太陽(yáng)能電池的特性。
圖1：簡(jiǎn)化的太陽(yáng)能電池的電路模型。
電流源IPH產(chǎn)生的電流正比于落在太陽(yáng)能電池上的光量。在沒(méi)有負載連接的時(shí)候，幾乎所有產(chǎn)生的電流都流過(guò)二極管D，其正向電壓決定太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓(VOC)。該電壓的變化嚴格地取決于每一種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池。但是，對于大多數硅電池，其0.5V到0.8V之間的電壓范圍恰好就是p-n結二極管的正向電壓。
并聯(lián)電阻(RP)代表實(shí)際太陽(yáng)能電池中出現的微小泄漏電流，Rs代表連接損耗。隨著(zhù)負載電流增加，由太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的大部分電流被分流到二極管并進(jìn)入負載。對于大多負載電流的數值，這只對輸出電壓有很小的影響。
圖2所示為太陽(yáng)能電池的輸出特性，由于二極管的I-V特性存在微小的變化，串聯(lián)電阻(Rs)上的電壓降也存在微小的變化，但是，輸出電壓保持很大的恒定。然而，在一些點(diǎn)通過(guò)內部二極管的電流是如此之小，以至于它變得偏置不夠，并且，隨著(zhù)負載電流的增加，跨越它的電壓快速減少。最后，如果所有產(chǎn)生的電流流過(guò)負載并且不流過(guò)二極管的話(huà)，輸出電壓就為零。該電流被稱(chēng)為太陽(yáng)能電池的短路電流(ISC)，它與VOC一道是定義工作性能的主要參數之一。因此，太陽(yáng)能電池被認為是“電流受限”的電源。當輸出電流增加的時(shí)候，其輸出電壓降低，直到最終減少為零，如果負載電流達到其短路電流的話(huà)。
圖2：典型的太陽(yáng)能電池I-V特性。
在大多數應用中，人們期望從太陽(yáng)能電池獲取盡可能多的功率。因為輸出功率是輸出電壓和電流的乘積，有必要確定電池的哪一部分的工作區域產(chǎn)生的輸出電壓和電流的乘積的數值最大，這一點(diǎn)被稱(chēng)為最大功率點(diǎn)(MPP)。在一種極端情況下，輸出電壓為其最大數值(VOC)，但是，輸出電流為零；在其它極端情況下，輸出電流位其最大值(ISC)，但是，輸出電壓為零。在兩種情況下，輸出電壓和電流的乘積都是零。因此，MPP必須位于兩種極端情況之間的某處。
可以容易地證明：在任何應用中，MPP實(shí)際上出現在太陽(yáng)能電池的輸出特性(見(jiàn)圖3)下半部的某個(gè)位置。實(shí)際上，問(wèn)題在于太陽(yáng)能電池的MPP的嚴格位置會(huì )根據光線(xiàn)和環(huán)境溫度變化。因此，所設計的系統要產(chǎn)生最大的太陽(yáng)能，就必須動(dòng)態(tài)地調節太陽(yáng)能電池輸出的電流，以便它在實(shí)際工作條件下位于或接近MPP工作。
圖3：太陽(yáng)能電池輸出特性。
優(yōu)化充電器設計以從太陽(yáng)能板獲得最大的功率。
跟蹤太陽(yáng)能板系統的MPP的途徑有多種，這些常常相當復雜，特別是在諸如衛星通信這樣的重要任務(wù)系統中。然而，在許多對成本敏感的應用中，極其精確的MPP跟蹤方案卻是不必要的。所有的要求就是以簡(jiǎn)單、低成本的解決方案儲存大約90%的可用能量。充電控制系統如何使太陽(yáng)能電池以接近MPP的方式工作呢？
動(dòng)態(tài)功率路徑管理(DPPM)技術(shù)可以滿(mǎn)足跟蹤MPP所面臨的這種挑戰。圖4顯示了從太陽(yáng)能板獲得最大功率的鋰離子電池充電應用電路，其中，MOSFET Q2被用于調節電池充電電流、充電電壓或系統總線(xiàn)電壓。太陽(yáng)能板被用做為單顆鋰離子電池充電的電源。太陽(yáng)能板由若干串在一起的電池組成，每一串具有11個(gè)串聯(lián)的硅電池，其行為就像電流受到限制的電壓源，其中，電流限度由太陽(yáng)能板的大小以及照射在上面的光通量來(lái)確定。
DPPM監測因電流受限電源引起的系統總線(xiàn)電壓(VOUT)降。連接到系統總線(xiàn)上的電容(CO)開(kāi)始放電，一旦系統所需要的電流和電池充電器的電流大于太陽(yáng)能板所提供的電流，就會(huì )造成系統的總線(xiàn)電壓開(kāi)始下降。當系統總線(xiàn)電壓跌落到預設的DPPM閥值的時(shí)候，電池充電控制系統就把系統總線(xiàn)電壓調節到DPMM閥值。
圖4：利用太陽(yáng)能板對一個(gè)鋰離子電池充電。
從這個(gè)太陽(yáng)能板獲得的最大輸出電壓(VOC)通常在5.5V到6V之間。因為該電壓低于預設的6V輸出調節電壓，MOSFET Q1被完全關(guān)閉。如果系統和電池充電器所需要的總電流超過(guò)太陽(yáng)能電池的輸出電流―取決于光線(xiàn)強弱―能力，太陽(yáng)能板的輸出電壓將下跌，從而使輸出電壓(VOUT)下降。當VOUT下降到VDPPM―也是太陽(yáng)能板的輸出電壓―的時(shí)候，充電電流就下降了。太陽(yáng)能板現在將在接近其MPP的狀態(tài)下工作，如果VDPPM被設置為接近MPP的話(huà)。通過(guò)恰當地把RDPPM編程到一個(gè)電平，就容許VOUT保持在最小的4.5V，從而實(shí)現這一點(diǎn)。這個(gè)VDPPM數值就被人們所采用，因為它相當符合太陽(yáng)能板的MPP。
假設跨越MOSFET Q1的電壓降為300mV，那么，跨越每一個(gè)電池的電壓將等于436mV，從而把太陽(yáng)能板的功率輸出最大化。如果VOUT大于4.5V，DPPM功能毫無(wú)作用―要把太陽(yáng)能板從其MPP移開(kāi)。但是，這只能發(fā)生在如果系統及電池充電器所需要的功率小于太陽(yáng)能板能夠提供的功率的情況下。在這種情況下，降低效率不是那么重要。如圖3所示，隨著(zhù)輸出功率逼近MPP，輸出功率曲線(xiàn)變得十分平坦，然后，突然急劇下降。因此，把VDPPM設置得稍高比設置得稍低要好。這樣做將把不正確的工作點(diǎn)對輸出功率的影響最小化。如果太陽(yáng)能板提供的功率不足以為系統供電，甚至當電池充電電流已經(jīng)被降低到零的時(shí)候，MOSFET Q2就導通，VOUT下降到剛好低于電池電壓VBAT，并且電池提供太陽(yáng)能板所不能提供的電流。
如果充電器工作在DPPM狀態(tài)，內部安全定時(shí)器就自動(dòng)地延長(cháng)時(shí)間。因此，當考慮諸如低光線(xiàn)或無(wú)光條件之類(lèi)的特殊工作條件時(shí)，電池充電就非常低，或電池可能甚至工作在放電模式。要設置覆蓋所有應用的合適的充電安全定時(shí)器幾乎是不可能的。否則，就可能產(chǎn)生一個(gè)虛假的安全定時(shí)器錯誤。因此，解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)選項就是禁止安全定時(shí)器工作。
本文小結
太陽(yáng)能板所提供的電源被認為是“電流受限”的電壓源。太陽(yáng)能板對鋰電池的最大充電功率的實(shí)現途徑是：當系統和電池充電所需要的總電流超過(guò)太陽(yáng)能板的輸出電流能力時(shí)，要通過(guò)降低充電電流來(lái)調節M(mǎn)PP附近的系統總線(xiàn)電壓。對于設計一個(gè)可能的太陽(yáng)能板供電的系統來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵的元素就是系統功率和電池充電功率控制架構。 |
