中心議題：

• 鋰電池充電器設計技巧
• 太陽能I-V特性

解決方案：

• 優化充電器設計以從太陽能板獲得最大的功率

taiyangnengshiweibianxieshishebeigongdiandeyouxiyinlidenengyuan。yiduanshijianyilai
，tayizhibeiguangfandiyongyuzhurujisuanqihehangtianfeijizheyangdeyingyong。zuijin，renmenzhengkaolvbataiyangnengyongyubaokuoyidongdianhuachongdianqizheyangdefanweigengkuanguangdexiaofeidianziyingyong。

然而，太陽能電池板所提供的功率高度依賴於工作環境。這包括諸如光密度、時間和位置之類的因素。因此，電池通常被用作能量存儲單元。當來自太陽能板的電能有餘的時候


，就可以對電池充電；當太陽能板提供的電能不足時，電池就可以為係統供電。如ru何he設she計ji鋰li離li子zi電dian池chi充chong電dian器qi以yi便bian從cong太tai陽yang能neng電dian池chi中zhong獲huo取qu最zui多duo的de功gong率lv並bing有you效xiao地di對dui鋰li電dian池chi充chong電dian呢ne？本ben文wen將jiang討tao論lun太tai陽yang能neng電dian池chi的de工gong作zuo原yuan理li和he電dian氣qi輸shu出chu特te性xing
，接jie著zhe討tao論lun電dian池chi充chong電dian係xi統tong要yao求qiu以yi及ji匹pi配pei太tai陽yang能neng電dian池chi特te性xing的de係xi統tong解jie決jue方fang案an，以yi便bian從cong太tai陽yang能neng電dian池chi獲huo取qu最zui大da的de功gong率lv。

太陽能I-V特性

一般地說，太陽能電池由p-n結構成，其中的光能(光子)引起電子和空穴的重新組合，產生電流。因為p-n結的特性類似於二極管的特性，如圖1所示的電路通常被用於簡化太陽能電池的特性。

圖1：簡化的太陽能電池的電路模型。

電流源IPH產生的電流正比於落在太陽能電池上的光量。在沒有負載連接的時候，幾乎所有產生的電流都流過二極管D

，其正向電壓決定太陽能電池的開路電壓(VOC)。該電壓的變化嚴格地取決於每一種類型的太陽能電池。但是
，對於大多數矽電池，其0.5V到0.8V之間的電壓範圍恰好就是p-n結二極管的正向電壓。

並聯電阻(RP)代表實際太陽能電池中出現的微小泄漏電流
，Rsdaibiaolianjiesunhao。suizhefuzaidianliuzengjia
，youtaiyangnengdianchisuochanshengdedabufendianliubeifenliudaoerjiguanbingjinrufuzai。duiyudaduofuzaidianliudeshuzhi，zhezhiduishuchudianyayouhenxiaodeyingxiang。

圖2所示為太陽能電池的輸出特性
，由於二極管的I-V特性存在微小的變化，串聯電阻(Rs)上shang的de電dian壓ya降jiang也ye存cun在zai微wei小xiao的de變bian化hua，但dan是shi，輸shu出chu電dian壓ya保bao持chi很hen大da的de恒heng定ding。然ran而er，在zai一yi些xie點dian通tong過guo內nei部bu二er極ji管guan的de電dian流liu是shi如ru此ci之zhi小xiao，以yi至zhi於yu它ta變bian得de偏pian置zhi不bu夠gou，並bing且qie，隨sui著zhe負fu載zai電dian流liu的de增zeng加jia
，跨kua越yue它ta的de電dian壓ya快kuai速su減jian少shao。最zui後hou，如ru果guo所suo有you產chan生sheng的de電dian流liu流liu過guo負fu載zai並bing且qie不bu流liu過guo二er極ji管guan的de話hua，輸shu出chu電dian壓ya就jiu為wei零ling。該gai電dian流liu被bei稱cheng為wei太tai陽yang能neng電dian池chi的de短duan路lu電dian流liu(ISC)，它與VOC一道是定義工作性能的主要參數之一。因此，太陽能電池被認為是“電流受限”的電源。當輸出電流增加的時候，其輸出電壓降低，直到最終減少為零，如果負載電流達到其短路電流的話。

圖2：典型的太陽能電池I-V特性。

[page]
在zai大da多duo數shu應ying用yong中zhong
，人ren們men期qi望wang從cong太tai陽yang能neng電dian池chi獲huo取qu盡jin可ke能neng多duo的de功gong率lv。因yin為wei輸shu出chu功gong率lv是shi輸shu出chu電dian壓ya和he電dian流liu的de乘cheng積ji
，有you必bi要yao確que定ding電dian池chi的de哪na一yi部bu分fen的de工gong作zuo區qu域yu產chan生sheng的de輸shu出chu電dian壓ya和he電dian流liu的de乘cheng積ji的de數shu值zhi最zui大da，這zhe一yi點dian被bei稱cheng為wei最zui大da功gong率lv點dian(MPP)。在一種極端情況下，輸出電壓為其最大數值(VOC)，但是
，輸出電流為零；在其它極端情況下，輸出電流位其最大值(ISC)
，但是，輸出電壓為零。在兩種情況下，輸出電壓和電流的乘積都是零。因此，MPP必須位於兩種極端情況之間的某處。

可以容易地證明：在任何應用中，MPP實際上出現在太陽能電池的輸出特性(見圖3)下半部的某個位置。實際上，問題在於太陽能電池的MPP的(de)嚴(yan)格(ge)位(wei)置(zhi)會(hui)根(gen)據(ju)光(guang)線(xian)和(he)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)。因(yin)此(ci)，所(suo)設(she)計(ji)的(de)係(xi)統(tong)要(yao)產(chan)生(sheng)最(zui)大(da)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)，就(jiu)必(bi)須(xu)動(dong)態(tai)地(di)調(tiao)節(jie)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)流(liu)，以(yi)便(bian)它(ta)在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)位(wei)於(yu)或(huo)接(jie)近(jin)MPP工作。

圖3：太陽能電池輸出特性。

優化充電器設計以從太陽能板獲得最大的功率

跟蹤太陽能板係統的MPP的途徑有多種
，這些常常相當複雜，特別是在諸如衛星通信這樣的重要任務係統中。然而
，在許多對成本敏感的應用中，極其精確的MPP跟蹤方案卻是不必要的。所有的要求就是以簡單
、低成本的解決方案儲存大約90%的可用能量。充電控製係統如何使太陽能電池以接近MPP的方式工作呢？

動態功率路徑管理(DPPM)技術可以滿足跟蹤MPP所麵臨的這種挑戰。圖4顯示了從太陽能板獲得最大功率的鋰離子電池充電應用電路，其中，MOSFET Q2被用於調節電池充電電流、充電電壓或係統總線電壓。太陽能板被用做為單顆鋰離子電池充電的電源。太陽能板由若幹串在一起的電池組成，每一串具有11個串聯的矽電池
，其行為就像電流受到限製的電壓源
，其中，電流限度由太陽能板的大小以及照射在上麵的光通量來確定。

DPPM監測因電流受限電源引起的係統總線電壓(VOUT)降。連接到係統總線上的電容(CO)開(kai)始(shi)放(fang)電(dian)，一(yi)旦(dan)係(xi)統(tong)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)大(da)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)所(suo)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)流(liu)，就(jiu)會(hui)造(zao)成(cheng)係(xi)統(tong)的(de)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)開(kai)始(shi)下(xia)降(jiang)。當(dang)係(xi)統(tong)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)跌(die)落(luo)到(dao)預(yu)設(she)的(de)DPPM閥值的時候，電池充電控製係統就把係統總線電壓調節到DPMM閥值。

圖4：利用太陽能板對一個鋰離子電池充電。

從這個太陽能板獲得的最大輸出電壓(VOC)通常在5.5V到6V之間。因為該電壓低於預設的6V輸出調節電壓


，MOSFET Q1被完全關閉。如果係統和電池充電器所需要的總電流超過太陽能電池的輸出電流—取決於光線強弱—能力，太陽能板的輸出電壓將下跌，從而使輸出電壓(VOUT)下降。當VOUT下降到VDPPM—也是太陽能板的輸出電壓—的時候，充電電流就下降了。太陽能板現在將在接近其MPP的狀態下工作
，如果VDPPM被設置為接近MPP的話。通過恰當地把RDPPM編程到一個電平，就容許VOUT保持在最小的4.5V，從而實現這一點。這個VDPPM數值就被人們所采用

，因為它相當符合太陽能板的MPP。

假設跨越MOSFET Q1的電壓降為300mV
，那麼
，跨越每一個電池的電壓將等於436mV
，從而把太陽能板的功率輸出最大化。如果VOUT大於4.5V，DPPM功能毫無作用—要把太陽能板從其MPP移(yi)開(kai)。但(dan)是(shi)
，這(zhe)隻(zhi)能(neng)發(fa)生(sheng)在(zai)如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)及(ji)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)功(gong)率(lv)小(xiao)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)板(ban)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)的(de)功(gong)率(lv)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，降(jiang)低(di)效(xiao)率(lv)不(bu)是(shi)那(na)麼(me)重(zhong)要(yao)。如(ru)圖(tu)3所示，隨著輸出功率逼近MPP

，輸出功率曲線變得十分平坦，然後，突然急劇下降。因此
，把VDPPMshezhideshaogaobishezhideshaodiyaohao。zheyangzuojiangbabuzhengquedegongzuodianduishuchugonglvdeyingxiangzuixiaohua。ruguotaiyangnengbantigongdegonglvbuzuyiweixitonggongdian，shenzhidangdianchichongdiandianliuyijingbeijiangdidaolingdeshihou，MOSFET Q2就導通，VOUT下降到剛好低於電池電壓VBAT，並且電池提供太陽能板所不能提供的電流。

如果充電器工作在DPPM狀zhuang態tai，內nei部bu安an全quan定ding時shi器qi就jiu自zi動dong地di延yan長chang時shi間jian。因yin此ci，當dang考kao慮lv諸zhu如ru低di光guang線xian或huo無wu光guang條tiao件jian之zhi類lei的de特te殊shu工gong作zuo條tiao件jian時shi
，電dian池chi充chong電dian就jiu非fei常chang低di，或huo電dian池chi可ke能neng甚shen至zhi工gong作zuo在zai放fang電dian模mo式shi。要yao設she置zhi覆fu蓋gai所suo有you應ying用yong的de合he適shi的de充chong電dian安an全quan定ding時shi器qi幾ji乎hu是shi不bu可ke能neng的de。否fou則ze
，就jiu可ke能neng產chan生sheng一yi個ge虛xu假jia的de安an全quan定ding時shi器qi錯cuo誤wu。因yin此ci，解jie決jue這zhe個ge問wen題ti的de一yi個ge選xuan項xiang就jiu是shi禁jin止zhi安an全quan定ding時shi器qi工gong作zuo。

本文小結

太陽能板所提供的電源被認為是“電流受限”的電壓源。太陽能板對鋰電池的最大充電功率的實現途徑是：當係統和電池充電所需要的總電流超過太陽能板的輸出電流能力時，要通過降低充電電流來調節MPP附近的係統總線電壓。對於設計一個可能的太陽能板供電的係統來說，關鍵的元素就是係統功率和電池充電功率控製架構。