探讨太阳能手机锂离子电池充电器

冲式充电曲线示意图

Fig.2 The curves of pulse mode charge

通过以上分析可知，由于目前的锂电池充电器基本上按照稳定电源供电的前提条件来设计，当由太阳能提供电源时不能很好地适应光照、温度等环境变化。

2 太阳能手机锂离子电池充电器

2.1 系统结构

本文设计的太阳能手机锂离子电池充电器系统框图如图3所示。该充电器主要由三部分组成：光伏电池、由单片机实现的控制器与一个降压型直流变换器。

图3 系统结构图

Fig.3 The system architecture

BUCK变换器的主要功能是：在预充电阶段输出小电流Imin；在快速充电阶段进行太阳能电池的最大功率点跟踪，当电流达到Imax时限制电流以恒流充电；在脉冲充电阶段根据电池电压值输出恒流或停止输出。单片机实现的功能是：采集锂离子电池的电压Vbatt、电流Ibatt、温度Tbatt和太阳能电池的电压Vpv、电流Ipv；由软件程序控制使充电器在不同的充电状态之间转换；在不同的充电状态根据控制目标计算出占空比D，输出PWM驱动脉冲。

2.2 充电控制方法

本文设计的太阳能充电控制器是一个多目标控制系统[4]，在充电的不同阶段，控制占空比的目标也不同，其充电状态转换如图4所示。

图4 充电状态转换图

Fig.4 The change of charge state

转换条件：①：Vbatt＜Vmin ； ②、③：Vbatt≥Vmin ； ④：Ibatt≥Imax ； ⑤：Ibatt＜Imax；⑥、⑦：Vbatt≥Vmax；⑧：Ton/Toff≤设定值。

（1）预充电：当锂电池插入充电器后，若电池电压低于设定的门限值Vmin，则单片机对占空比的控制目标是输出很窄的PWM脉冲，使变换器输出一个小电流Imin，对过放电的锂离子电池进行修复充电；若电池电压≥Vmin可跳过预充电阶段而直接进入快速充电阶段。

（2）快速充电：当电池电流Ibatt≥Imax时，单片机控制PWM脉宽使变换器输出恒定电流；当太阳能电池的输出功率下降使Ibatt＜Imax时，则转入最大功率跟踪状态，调整占空比改变BUCK输入电压使光伏电池工作在最大功率点附近，即根据Ibatt的大小充电器可以来回地在MPPT与恒流两个状态之间转换，直到Vbatt≥Vmax（4.2V），转入脉冲充电阶段。

（3）脉冲充电：此阶段变换器进行间歇性的恒流输出，每隔一段时间ΔT判断一次电池电压值，若Vbatt＜Vmax，则输出恒流对电池充电；若Vbatt≥Vmax，则停止对电池充电。开关管驱动脉冲示意图如图5。Ton为输出PWM驱动脉冲的时间，Toff为停止充电的时间。在Ton期间开关管以占空比D导通和关断以实现恒流控制，D= ton/ts。周期ts由开关工作频率确定，为μs数量级。而Ton和Toff为ΔT的整数倍，ΔT为ms数量级。在脉冲充电开始时，Ton/Toff比值较大，随着电池的逐渐充满，Toff越来越长，当Ton/Toff小于设定值时，电池充满，终止充电。

Fig.5 The drive pulse of MOSFET

当电压达到Vmax后，脉冲充电器仍对锂电池施加大电流的充电脉冲，使电池电压在脉冲期间略微超出Vmax，但这并不会使电池提前老化。相反，脉冲充电可以减小充电过程中极化现象的影响，有效增大充电电量，提高充电效率[5]。

3 仿真结果

为了验证该太阳能手机锂电池充电方法是否可行，采用matlab的simulink工具箱搭建了系统仿真模型[6-8]，simulink仿真模型如图6所示。图中光伏阵列输出功率为5W，锂离子电池的额定容量为850mAh。Precharge、MPPT、CC、Pulse 4个模块分别实现预充、最大功率跟踪、恒流、脉冲充电功能，由Control模块控制多路开关进行转换。最大功率跟踪采用由光伏阵列输出功率的比较结果直接改变DC/DC变换器占空比的登山法[9]。由信号模块signal1模拟光照强度的变化。预充电压门限设为2.9V,预充电流Imin设置为0.1C(C为锂电池的额定容量)。恒流充电电流设为1C，考虑到电感电流纹波的影响，设置MPPT与恒流的转换门限为0.95Imax。ΔT设为64ms，当Ton/Toff小于1/256时认为电池已充满。

图6 系统的simulink仿真模型

Fig.6 System simulation model in simulink

采用图7所示光照强度，仿真结果如图8(a)所示。从充电状态转换图8(c)可看出当光照在1000s和2000s处变化时，充电器能自动在恒流与MPPT充电状态之间转换，使充电电流Ibatt达到最优化。在脉冲充电阶段，当光照在4000s处跌落时，充电器仍然继续充电，直至Ton/Toff小于设定值，电池充满。由放大的电流波形图8(b)可看到随着充电时间的增长Toff 逐渐变大的过程。电压Vbatt曲线符合锂电池的充电特性，电池充满后电压保持在4.2V。

图9为在相同光照下充电器不具有MPPT功能时的仿真结果。从图上看出1000s-2000s光照跌落时的充电