分析探讨太阳能手机锂离子电池充电器

0 引言

能源危机的出现和环境污染的日益恶化，使太阳能作为清洁干净的可再生能源得到世界各国的高度重视。随着太阳能技术的发展，近年来超薄、超轻的光伏电池在便携式电子设备中的应用也得到了很大发展。太阳能手机锂电池充电器摆脱了传统充电电源的束缚，节能与环保，具有良好的发展前景。[1]

由于光伏电池的输出功率受光照、温度等环境因素的影响，太阳能充电器既要与使用交流市电的充电器一样对锂离子电池进行安全快速充电，又要解决以下问题[1]：①如何将环境温度、光照强度以及其他外界条件的变化融入充电控制方法；②充电控制器的最佳拓扑结构是什么；③如何实现光伏电池输出功率的最大化。针对上述问题，本文对现在常用的三种手机锂电池充电器拓扑与控制方法进行了分析，指出它们在使用太阳能电池供电时都存在一定的局限性。并设计了一个由BUCK变换器构成、使用脉冲式充电控制方法、基于单片机控制的太阳能手机锂电池充电器，通过计算机仿真，验证了这种充电器的有效性。

1 目前手机锂电池充电器的分析

目前商业手机锂离子电池充电器主要有三种类型：线性式充电器、脉冲式充电器和开关式充电器[2]。表1 对这三种充电器的电路拓扑结构及充电控制方法进行比较。

从表1可以看出三类充电器各有优缺点，线性式充电器采用线性调整管进行充电电流与电压的调节，调整管上功耗很大，需要采取有效措施来解决散热问题。开关式充电器通过改变开关管的导通与关断占空比来实现恒流与恒压，开关管工作在开关状态，损耗小，但是电路较复杂。脉冲式充电器兼有两者的优点，但是由于充电器本身不调节电流，所以需要一个限流型的电源适配器与其配合使用。

表1 三类充电器的结构与特点

Table 1 The features and structures of three types chargers

充电器类型
主要电路结构
充电过程
充电终止判断方法
充电电流控制方式
优点
缺点

线性式
线性调整管、线性充电控制电路
预充→恒流→恒压
最小充电电流、定时
线性调整管调节
电路简单、体积小、成本低
损耗大、效率低、发热严重

脉冲式
开关管、脉冲充电控制电路
预充→快速→脉冲
Ton/Toff比值
依靠外部限流电源适配器
电路简单、体积小、功耗低、效率高
需限流型电源适配器

开关式
DC/DC变换器、PWM与充电控制电路
预充→恒流→恒压
最小充电电流、定时
调节DC/DC变换器占空比
功耗低、效率高、充电电流大、输入电压范围宽
体积大、成本高

以下着重分析当由光伏电池为充电器提供电源时上面三种充电器是否适用。

（1）太阳能充电器宜采用DC/DC变换器拓扑结构。由于光伏电池输出特性具有强烈的非线性，其输出受环境温度、光照强度和负荷等情况影响。从图1可以看出光伏电池输出功率随光照强度的增加而增加，随环境温度的升高而降低。当光照和温度变化时，实时调整光伏电池的工作电压可使其工作在最大功率点附近，即为最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）[3]。因此，为提高光伏电池输出功率，就需要充电器能调节输入电压，以调整光伏电池的工作点。线性式和脉冲式充电器的输入电压由外部供电电源决定，因此不能实现最大功率点跟踪功能。而开关式充电器的输入电压可以通过调节占空比D来实现。例如BUCK变换器输入输出电压的关系式为：Vo＝D*Vin（Vo为锂电池端电压，Vin为太阳能电池输出电压）。由于锂电池电压变化缓慢，因此改变开关管占空比D就可以改变Vin，从而实现MPPT功能。

图1光伏电池在不同光照（a）和不同温度（b）下的P－V特性曲线

Fig.1 The P-V curves of the PV module with varying irradiation (a) and temperature (b)

（2）太阳能充电器宜采用脉冲式充电终止判断方法。线性与开关充电模式常用两种控制算法来判断电池充满，第一种为检测最小充电电流法，第二种为定时法。如前所述，光伏电池的输出受外界环境的影响很大。若在充电过程中，由于天气变化或周边环境的改变使充电电流发生跌落，并跌落到设置的终止充电电流值以下时，则检测最小电流法会错误终止充电。由于充电电流不稳定电池的充电时长也难以预测，因此，定时终止充电法也不能保证充满电池。脉冲式充电曲线如图2所示，在脉冲充电阶段，当电池电压低于4.2V时则导通开关管对电池充电，当电池电压超过4.2V时则关断开关管停止充电，当Ton/Toff值低于设定值时认为电池充满而终止充电。若由于外界环境的变化使充电电流下降，电池电压也随着下降， Ton/Toff值增大，只有当电池确实充满时Ton/Toff才会低于设定值，因此不会造成误判。

图2 脉冲式充电曲线示意图

Fig