用创新的 80V 降压-升压型铅酸和锂电池充电控制器 简化太阳能供电应用的电池充电

背景信息

太阳能是绿色能源，而且是"免费"的，但是可能常常不太可靠。温度变化会导致太阳能电池板的最佳功率提供点偏移，此外设备老化、局部光照被遮挡、日落、落上动物粪便等，都可能妨碍太阳能电池板的性能。由于这些可靠性和可变性问题，几乎所有太阳能供电设备都采用可再充电电池以提供备份电源。过去一度仅使用铅酸电池，现在所用电池种类已经扩大到包括锂电池了。太阳能供电应用之所以配备再充电系统，是为了抽取尽可能多的太阳能，以迅速给电池充电以及保持电池的电荷状态。此外，当太阳能电池板得到的光照很少或没有光照时，电池漏电很重要，无论何时只要可能，就应该减到最少。

显然，太阳能供电应用正处于上升阶段。现在，有各种不同尺寸的太阳能电池板给各种各样的创新应用供电，例如人行横道标志灯、垃圾压实机、海上浮标灯等。有些太阳能供电应用采用的电池是深度循环类电池，能承受很多个反复充电周期以及深度放电。这类电池常见于"离网"(即与电力公司电网断开) 可再生能源系统，例如太阳能或风能发电系统。就离网系统而言，系统运行时间非常重要，因为这类系统很难靠近。

太阳能电池板基础知识

就一定量的光能和工作条件而言，太阳能电池板在某一特定输出电压上产生峰值输出功率。图 1 所示为由 72 节电池组成的太阳能电池板在电池板温度为 60ºC 时的特性。虚线 (蓝色线) 代表电池板的 I-V 曲线，X 轴表示电池板电压。实线 (红色线) 表示当电池板电压从 0V 变化到电池板开路电压时电池板产生的输出功率，电池电压变化是用简单的负载箱实现的。就此处所述这一特定情况而言，最大功率点在 32V，该电池板可提供 140W 功率。如果允许电池板温度变化，在真实情况中这当然是允许的，那么最大功率点可能在大热天的 28V 到寒冷冬天的 44V 之间变化。

图 1：在不存在局部光照被遮挡的情况下，一个给定太阳能电池板的较简单功率曲线

很多较简单的太阳能充电系统将电池板电压工作点设定为固定值。在上述特定电池板情况下，这类较简单的系统会将电池板工作点设定到 32V，以在给定温度时抽取最大功率，而这例子的温度为 60ºC。不过，当电池板温度变化时，会浪费大量功率，因为电池板不再在真正的最大功率点上工作了。在这类情况下，可能浪费 20% 至 30% 以上的可用功率。

使情况变得更糟的是，按照已实行的安全标准，大多数电池板必须在太阳能电池阵列中装上旁路二极管。这么做的原因是，当部分电池板被遮住而得不到太阳光照射，而其他部分得到充足阳光照射时，太阳能电池板有一些特定表现。这时，被遮住的太阳能电池是反向偏置的，但其中仍然有很大的电流流过，因为其他得到充足光照的电池正在提供电流。被遮住的电池温度可能上升，这有可能造成火灾。为了帮助降低火灾风险，制造商在电池板各处都放置了旁路二极管。图 2 显示，在上述 72 节电池的太阳能电池板上，旁路二极管是怎样放置的。

图 2：出于安全考虑，在 72 节电池的太阳能电池板上放置了 3 个旁路二极管

由于电池板中存在旁路二极管，当部分电池板被遮挡时，就可能出现复杂的功率电压特性。图 3 显示了这种情况，其中出现了两个局部最大功率点，一个在 21V 电压处，另一个在 37V 电压处。如果采用前述简单的 32V 功率点设定方法，那么可获得 79.4W 功率，而不是在真正最大功率点 21V 上可获得的 90.1W。这表明，在这种情况下损失了 13.5% 的功率。显然，可跟踪真正最大功率点并在其上工作的系统会有卓越功率表现。

图 3：当太阳能电池板被部分遮挡时，会产生较复杂的功率曲线

太阳能供电可再充电电池系统的设计挑战

太阳能电池板的典型效率约在 5% 至 15% 之间。考虑到较大型 (即更强大) 的电池板成本更高，所以太阳能供电设计必须最大限度提高效率，以最大限度降低系统总体成本。

太阳能供电产品要有效收集太阳能，其设计必须能够管理变化范围很宽的输入，同时还能够使太阳能电池板在最大功率点或其附近工作。此外，该设计必须能够安全地给该产品选择使用的化学组成电池充电。

在太阳能充电系统中，还会遇到其他设计