0 引言
能源危機的出現和環(huán)境污染的日益惡化，使太陽(yáng)能作為清潔干凈的可再生能源得到世界各國的高度重視。隨著(zhù)太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)超薄、超輕的光伏電池在便攜式電子設備中的應用也得到了很大發(fā)展。太陽(yáng)能手機鋰電池充電器擺脫了傳統充電電源的束縛，節能與環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景。[1]
由于光伏電池的輸出功率受光照、溫度等環(huán)境因素的影響，太陽(yáng)能充電器既要與使用交流市電的充電器一樣對鋰離子電池進(jìn)行安全快速充電，又要解決以下問(wèn)題[1]：①如何將環(huán)境溫度、光照強度以及其他外界條件的變化融入充電控制方法；②充電控制器的最佳拓撲結構是什么；③如何實(shí)現光伏電池輸出功率的最大化。針對上述問(wèn)題，本文對現在常用的三種手機鋰電池充電器拓撲與控制方法進(jìn)行了分析，指出它們在使用太陽(yáng)能電池供電時(shí)都存在一定的局限性。并設計了一個(gè)由BUCK變換器構成、使用脈沖式充電控制方法、基于單片機控制的太陽(yáng)能手機鋰電池充電器，通過(guò)計算機仿真，驗證了這種充電器的有效性。

1 目前手機鋰電池充電器的分析
目前商業(yè)手機鋰離子電池充電器主要有三種類(lèi)型：線(xiàn)性式充電器、脈沖式充電器和開(kāi)關(guān)式充電器[2]。表1 對這三種充電器的電路拓撲結構及充電控制方法進(jìn)行比較。
從表1可以看出三類(lèi)充電器各有優(yōu)缺點(diǎn)，線(xiàn)性式充電器采用線(xiàn)性調整管進(jìn)行充電電流與電壓的調節，調整管上功耗很大，需要采取有效措施來(lái)解決散熱問(wèn)題。開(kāi)關(guān)式充電器通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的導通與關(guān)斷占空比來(lái)實(shí)現恒流與恒壓，開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，但是電路較復雜。脈沖式充電器兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，但是由于充電器本身不調節電流，所以需要一個(gè)限流型的電源適配器與其配合使用。

表1  三類(lèi)充電器的結構與特點(diǎn)
Table 1 The features and structures of three types chargers

充電器類(lèi)型
 主要電路結構
 充電過(guò)程
 充電終止判斷方法
 充電電流控制方式
 優(yōu)點(diǎn)
 缺點(diǎn)
 
線(xiàn)性式
 線(xiàn)性調整管、線(xiàn)性充電控制電路
 預充→恒流→恒壓
 最小充電電流、定時(shí)
 線(xiàn)性調整管調節
 電路簡(jiǎn)單、體積小、成本低
 損耗大、效率低、發(fā)熱嚴重
 
脈沖式
 開(kāi)關(guān)管、脈沖充電控制電路
 預充→快速→脈沖
 Ton/Toff比值
 依靠外部限流電源適配器
 電路簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、效率高
 需限流型電源適配器
 
開(kāi)關(guān)式
 DC/DC變換器、PWM與充電控制電路
 預充→恒流→恒壓
 最小充電電流、定時(shí)
 調節DC/DC變換器占空比
 功耗低、效率高、充電電流大、輸入電壓范圍寬
 體積大、成本高
以下著(zhù)重分析當由光伏電池為充電器提供電源時(shí)上面三種充電器是否適用。
（1）太陽(yáng)能充電器宜采用DC/DC變換器拓撲結構。由于光伏電池輸出特性具有強烈的非線(xiàn)性，其輸出受環(huán)境溫度、光照強度和負荷等情況影響。從圖1可以看出光伏電池輸出功率隨光照強度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的升高而降低。當光照和溫度變化時(shí)，實(shí)時(shí)調整光伏電池的工作電壓可使其工作在最大功率點(diǎn)附近，即為最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）[3]。因此，為提高光伏電池輸出功率，就需要充電器能調節輸入電壓，以調整光伏電池的工作點(diǎn)。線(xiàn)性式和脈沖式充電器的輸入電壓由外部供電電源決定，因此不能實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤功能。而開(kāi)關(guān)式充電器的輸入電壓可以通過(guò)調節占空比D來(lái)實(shí)現。例如BUCK變換器輸入輸出電壓的關(guān)系式為：Vo＝D*Vin（Vo為鋰電池端電壓，Vin為太陽(yáng)能電池輸出電壓）。由于鋰電池電壓變化緩慢，因此改變開(kāi)關(guān)管占空比D就可以改變Vin，從而實(shí)現MPPT功能。


圖1光伏電池在不同光照（a）和不同溫度（b）下的P－V特性曲線(xiàn)

Fig.1  The P-V curves of the PV module with varying  irradiation (a) and temperature (b)
（2）太陽(yáng)能充電器宜采用脈沖式充電終止判斷方法。線(xiàn)性與開(kāi)關(guān)充電模式常用兩種控制算法來(lái)判斷電池充滿(mǎn)，第一種為檢測最小充電電流法，第二種為定時(shí)法。如前所述，光伏電池的輸出受外界環(huán)境的影響很大。若在充電過(guò)程中，由于天氣變化或周邊環(huán)境的改變使充電電流發(fā)生跌落，并跌落到設置的終止充電電流值以下時(shí)，則檢測最小電流法會(huì )錯誤終止充電。由于充電電流不穩定電池的充電時(shí)長(cháng)也難以預測，因此，定時(shí)終止充電法也不能保證充滿(mǎn)電池。脈沖式充電曲線(xiàn)如圖2所示，在脈沖充電階段，當電池電壓低于4.2V時(shí)則導通開(kāi)關(guān)管對電池充電，當電池電壓超過(guò)4.2V時(shí)則關(guān)斷開(kāi)關(guān)管停止充電，當Ton/Toff值低于設定值時(shí)認為電池充滿(mǎn)而終止充電。若由于外界環(huán)境的變化使充電電流下降，電池電壓也隨著(zhù)下降， Ton/Toff值增大，只有當電池確實(shí)充滿(mǎn)時(shí)Ton/Toff才會(huì )低于設定值，因此不會(huì )造成誤判。

圖2  脈沖式充電曲線(xiàn)示意圖

Fig.2 The curves of pulse mode charge
通過(guò)以上分析可知，由于目前的鋰電池充電器基本上按照穩定電源供電的前提條件來(lái)設計，當由太陽(yáng)能提供電源時(shí)不能很好地適應光照、溫度等環(huán)境變化。

2 太陽(yáng)能手機鋰離子電池充電器
2.1 系統結構
本文設計的太陽(yáng)能手機鋰離子電池充電器系統框圖如圖3所示。該充電器主要由三部分組成：光伏電池、由單片機實(shí)現的控制器與一個(gè)降壓型直流變換器。


圖3 系統結構圖

Fig.3 The system architecture
BUCK變換器的主要功能是：在預充電階段輸出小電流Imin；在快速充電階段進(jìn)行太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，當電流達到Imax時(shí)限制電流以恒流充電；在脈沖充電階段根據電池電壓值輸出恒流或停止輸出。單片機實(shí)現的功能是：采集鋰離子電池的電壓Vbatt、電流Ibatt、溫度Tbatt和太陽(yáng)能電池的電壓Vpv、電流Ipv；由軟件程序控制使充電器在不同的充電狀態(tài)之間轉換；在不同的充電狀態(tài)根據控制目標計算出占空比D，輸出PWM驅動(dòng)脈沖。
2.2 充電控制方法
本文設計的太陽(yáng)能充電控制器是一個(gè)多目標控制系統[4]，在充電的不同階段，控制占空比的目標也不同，其充電狀態(tài)轉換如圖4所示。

圖4  充電狀態(tài)轉換圖

Fig.4  The change of charge state
轉換條件：①：Vbatt＜Vmin ；  ②、③：Vbatt≥Vmin ； ④：Ibatt≥Imax ； ⑤：Ibatt＜Imax；⑥、⑦：Vbatt≥Vmax；⑧：Ton/Toff≤設定值。
（1）預充電：當鋰電池插入充電器后，若電池電壓低于設定的門(mén)限值Vmin，則單片機對占空比的控制目標是輸出很窄的PWM脈沖，使變換器輸出一個(gè)小電流Imin，對過(guò)放電的鋰離子電池進(jìn)行修復充電；若電池電壓≥Vmin可跳過(guò)預充電階段而直接進(jìn)入快速充電階段。
（2）快速充電：當電池電流Ibatt≥Imax時(shí)，單片機控制PWM脈寬使變換器輸出恒定電流；當太陽(yáng)能電池的輸出功率下降使Ibatt＜Imax時(shí)，則轉入最大功率跟蹤狀態(tài)，調整占空比改變BUCK輸入電壓使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近，即根據Ibatt的大小充電器可以來(lái)回地在MPPT與恒流兩個(gè)狀態(tài)之間轉換，直到Vbatt≥Vmax（4.2V），轉入脈沖充電階段。
（3）脈沖充電：此階段變換器進(jìn)行間歇性的恒流輸出，每隔一段時(shí)間ΔT判斷一次電池電壓值，若Vbatt＜Vmax，則輸出恒流對電池充電；若Vbatt≥Vmax，則停止對電池充電。開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)脈沖示意圖如圖5。Ton為輸出PWM驅動(dòng)脈沖的時(shí)間，Toff為停止充電的時(shí)間。在Ton期間開(kāi)關(guān)管以占空比D導通和關(guān)斷以實(shí)現恒流控制，D= ton/ts。周期ts由開(kāi)關(guān)工作頻率確定，為μs數量級。而Ton和Toff為ΔT的整數倍，ΔT為ms數量級。在脈沖充電開(kāi)始時(shí)，Ton/Toff比值較大，隨著(zhù)電池的逐漸充滿(mǎn)，Toff越來(lái)越長(cháng)，當Ton/Toff小于設定值時(shí)，電池充滿(mǎn)，終止充電。

Fig.5 The drive pulse of MOSFET
當電壓達到Vmax后，脈沖充電器仍對鋰電池施加大電流的充電脈沖，使電池電壓在脈沖期間略微超出Vmax，但這并不會(huì )使電池提前老化。相反，脈沖充電可以減小充電過(guò)程中極化現象的影響，有效增大充電電量，提高充電效率[5]。

3 仿真結果
為了驗證該太陽(yáng)能手機鋰電池充電方法是否可行，采用matlab的simulink工具箱搭建了系統仿真模型[6-8]，simulink仿真模型如圖6所示。圖中光伏陣列輸出功率為5W，鋰離子電池的額定容量為850mAh。Precharge、MPPT、CC、Pulse 4個(gè)模塊分別實(shí)現預充、最大功率跟蹤、恒流、脈沖充電功能，由Control模塊控制多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉換。最大功率跟蹤采用由光伏陣列輸出功率的比較結果直接改變DC/DC變換器占空比的登山法[9]。由信號模塊signal1模擬光照強度的變化。預充電壓門(mén)限設為2.9V,預充電流Imin設置為0.1C(C為鋰電池的額定容量)。恒流充電電流設為1C，考慮到電感電流紋波的影響，設置MPPT與恒流的轉換門(mén)限為0.95Imax。ΔT設為64ms，當Ton/Toff小于1/256時(shí)認為電池已充滿(mǎn)。



圖6  系統的simulink仿真模型

Fig.6  System simulation model in simulink
采用圖7所示光照強度，仿真結果如圖8(a)所示。從充電狀態(tài)轉換圖8(c)可看出當光照在1000s和2000s處變化時(shí)，充電器能自動(dòng)在恒流與MPPT充電狀態(tài)之間轉換，使充電電流Ibatt達到最優(yōu)化。在脈沖充電階段，當光照在4000s處跌落時(shí)，充電器仍然繼續充電，直至Ton/Toff小于設定值，電池充滿(mǎn)。由放大的電流波形圖8(b)可看到隨著(zhù)充電時(shí)間的增長(cháng)Toff 逐漸變大的過(guò)程。電壓Vbatt曲線(xiàn)符合鋰電池的充電特性，電池充滿(mǎn)后電壓保持在4.2V。
圖9為在相同光照下充電器不具有MPPT功能時(shí)的仿真結果。從圖上看出1000s-2000s光照跌落時(shí)的充電電流明顯低于圖8 (a)的電流，使鋰電池電壓增長(cháng)變慢，導致總充電時(shí)間延長(cháng)了約400s。
圖10為用一個(gè)恒壓模塊代替圖6中Pulse模塊進(jìn)行仿真的結果，此時(shí)采用檢測最小電流法（小于0.1C）終止充電。當進(jìn)入恒壓充電階段后，在4000s處光照下降時(shí)充電器立即停止充電，然而此時(shí)電流的下降是由于外界因素的影響，并不是電池已充滿(mǎn)，因此鋰電池電壓很快下降。

4 結論
本文設計的太陽(yáng)能手機鋰電池充電器采用DC/DC變換器拓撲結構，能夠實(shí)現最大功率跟蹤，使光伏電池效率最大化，同時(shí)在充電終止判斷方法上，考慮了光照強度、環(huán)境溫度等因素對鋰電池充電曲線(xiàn)的影響，能夠準確進(jìn)行充電終止判斷，使鋰電池達到額定容量。


圖7  光照強度變化圖
Fig.7 Change of the irradiation

圖8 （a）脈沖充電鋰電池電壓、電流波形圖 （b）局部放大圖（c）充電狀態(tài)轉換圖
Fig.8  (a) Voltage and current wave of the Li-ion battery in the pulse charge mode (b) local zoom (c) The change of charge state

圖9  無(wú)MPPT充電時(shí)鋰電池電壓、電流波形圖
Fig.9  Voltage and current wave of the Li-ion battery without MPPT


圖10  恒流恒壓充電時(shí)鋰電池電壓、電流波形圖
Fig.10 Voltage and current wave of the Li-ion battery in the CC-CV charge mode