单片式电池充电器简化太阳能供电设计

作者：凌力尔特公司电池管理产品部产品线经理 Trevor Barcelo

即使以当前的消耗速度，地球从太阳接收的能量是世界使用能量的数千倍。尽管这种潜在能源是免费的，但是获取、保存和使用这种能源所必需的技术却不是免费的。不过，经过几十年的蛰伏，太阳能开发正在再一次加速，而且太阳能的成本也在不断下降。

自上世纪70年代石油危机以来，电池技术已经显著改进。尽管1970年就可获得铅酸蓄电池，但那时镍化学组成的电池仍处于初期，而且实际上没有可再充电的锂化学组成的电池。因此，在上一次太阳能技术开发繁荣期，用于便携式产品的太阳能供电电池充电器的理念根本不存在。

今天，便携式产品似乎无所不在，产品设计师梦想太阳能供电功能出于几个原因：他们想向"绿色"转变；他们没有使用电网的机会；他们只是想通过任何可获得的能源延长设备的运行寿命。太阳能充裕、方便且价格合理。在偏远应用中，太阳能也许是数量非常有限的几种可获得的能源之一。

怎样获取和保存太阳能

太阳能电池板是由光生伏打 (PV) 电池组装而成的大型系统，是将阳光能量转换成电的最常见方法。尽管存在很多不同的 PV 电池技术，但是一块太阳能电池板的基本功能仍然保持不变：电池板受到光照时产生电流。不过，与一般的电源不同，太阳能电池板既不产生恒定电压，也不产生恒定电流。

图 1：Kyocera KC40T 特性

Cell Temperature：电池温度
Current：电流
Power：功率
Voltage：电压

图 1 显示 Kyocera 公司提供的一种 40W 多晶太阳能电池板 (KC40T) 的 I-V 曲线。这个图突出显示了设计一个太阳能供电系统的最大设计挑战之一：在电流负载有相对不太大的变化时，电池板输出电压可能显著变化。此外，该 I-V 曲线随温度改变，因此室温时 22V 的开路电压在 -10°C 时可能升高到 25V 左右。

典型太阳能电池板效率的变化范围约为 10% 至 40%。加上较大型 (也即更强大的) 电池板价钱更高的实际情况，太阳能供电设计必须最大限度地提高效率，以最大限度地降低系统成本。图 1 说明太阳能电池板的输出功率如何随着电压和日射率 (测量所接收的太阳辐射能量的单位) 而变化。为了获取和保存尽可能最多的太阳能，有必要让太阳能电池板接近其最大功率点运行。

为了在一个便携式产品中有效地获取和保存太阳能，该产品必须设计成可管理变化范围很宽的输入，并找到让太阳能电池板在或接近其最大功率点运行的方法。此外，产品必须设计成可对便携式产品首选化学组成的电池安全充电。

一种简单的解决方案

便宜的铅酸蓄电池充电器简单地通过一个隔离二极管将 Kyocera  KC40T 这类太阳能电池板直接连接到电池。铅酸蓄电池的输出电压一般很好地与很多太阳能电池板的最大功率点一致，这使得这种方法效率相当高。不过，尽管这种设计也许简单和便宜，但是太阳能电池板和电池特性限制了充电电流和充电电压，从而导致肯定不遵循电池制造商性能规格的充电算法 (除非采用一种慢速、小电流涓流充电)。此外，尽管用铅酸蓄电池可以接近最大功率，但是如果不为所选择的电池化学组成制造定制的电池板，那么这种方法就不能延用于其它化学组成的电池。没有充电控制和缺乏灵活性严重限制了这种方法的使用，尤其是对于锂离子等有复杂充电算法的电池化学组成来说，更是这样。

一种更好的解决方案

进一步研究图 1 揭示出一个有趣的事实：太阳能电池板的峰值输出功率出现在对所有日射率值大约相同的输出电压上。太阳能电池板制造商将这个电压称为最大功率电压。凌力尔特公司提供的新型创新性电池充电器 LT3652 利用这个事实来提供一种简练的太阳能供电电池充电器解决方案，该解决方案从太阳能电池板抽取可获得的最大功率。LT3652 功率跟踪太阳能电池充电器运用一个调节环路，如果电池板输出电压降至低于设定的值，那么该环路就降低充电电流。就正在使用的特定太阳能电池板而言，这个输入电压调节环路保持电池板在对应于峰值输出功率点的输出电压上。一个电阻分压器设定想要的特定最大功率电压。此外，LT3652 具有 40V 绝对最大输入电压额定值，从而允许它非常容易地满足大多数太阳能电池板的开路电压要求 (甚至在低温度情况)。

图 2：用于 7.2V LiFePO4 电池、具 17V 峰值功率跟踪的 2A 太阳能电池板电源管理器

SOLAR PANEL INPUT：太阳能电池板输入
OC VOLTAGE：开路电压
SYSTEM LOAD：系统负载
2-CELL LiFePO4 (2 x 3.6V) BATTERY PACK：两节LiFePO4 (2 x 3.6V) 电池组

图 2 是电池充电器原理图的一个例子。连接到 VIN_REG 引脚的电阻分压器将 LT3652 输入电压调节环路设定到 17V。50m? 的检测电阻设定 2A 的满充电电流。如果太阳光照射情况不允许电池板提供设定的满充电电流，那么输入调节环路就降低充电电流，以在太阳能电池板输出保持 17V。这个伺服环路采取行动，将电池充电器系统的功率要求动态地降低至电池板可以提供的最大功率，因此可保持太阳能电池板峰值功率效率接近 100%。考虑型号为 340J 的 40W BP 太阳能电池板。这个电池板在最大输出功率时的输出电流约为 2.3A，稍高于 LT3652 的最大充电电流。不过，随着日射率变化，BP 340J 在最大功率时的输出电流也会变化。图 3 绘制了相应于 BP 340J 最大输出功率 95% 和 98% 的电压曲线。换言之，红色区域相当于，相对于输出电流 (即变化的日射率) 变化，对应于 98% 至 100% 最大输出功率的电压，而蓝色区域相当对应于 95% 至 98% 最大功率的电压。纯黑色线的位置显示，LT3652 输入电压调节环路保持电池板接近 100% 的最大可获得功率。