锂离子电池太阳能充电器设计技巧.doc

1、锂 离 子 电 池 太 阳 能 充 电 器 设 计 技 巧摘 要 ： 本 文 中 ， 我 们 将 对 开 发 太 阳 能 充 电 解 决 方 案 过 程 中 一 些 重 要 的 考 虑因 素 进 行 说 明 。 需 要 考 虑 这 些 因 素 的 主 要 原 因 是 ： 随 着 光 照 环 境 不 同 ， 电 压 和 电流 也 随 之 变 化 ， 那 么 太 阳 能 电 池 板 就 会 成 为 一 个 高 输 出 阻 抗 电 源关 键 字 ： 锂 离 子 , 充 电 器 , 太 阳 能最 近 几 年 ， 使 用 电 池 供 电 的 小 型 设 备 发 展 迅 速 ， 例 如 ： 平 板 电 脑

2、 、 掌 上 游 戏机 、 视 频 播 放 器 、 数 字 相 框 等 。 一 般 而 言 ， 这 些 设 备 都 使 用 可 再 充 锂 离 子 (Li-Ion) 电 池 作 为 电 源 。 一 些 常 见 的 充 电 解 决 方 案 包 括 墙 上 适 配 器 类 充 电 器 和 通用 串 行 总 线 (USB) 类 充 电 器 。 尽 管 这 些 充 电 器 解 决 方 案 是 为 锂 离 子 电 池 充 电的 一 种 低 成 本 的 解 决 方 案 ， 但 是 这 些 充 电 器 也 都 存 在 一 个 共 同 的 缺 点 ： 依 靠 主 电源 才 能 工 作 运 行 。 这 种 对

3、主 电 源 的 依 赖 性 增 加 了 用 户 的 电 费 开 销 ， 同 时 也 增 加 了温 室 气 体 排 放 。 而 且 由 于 对 主 电 源 有 依 赖 性 ， 这 些 充 电 解 决 方 案 的 便 携 性 也 大 打折 扣 。 要 想 以 一 种 有 益 环 境 的 方 式 来 延 长 电 池 使 用 时 间 ， 利 用 太 阳 能 板 收 集 自 然光 能 量 的 太 阳 能 充 电 器 或 许 是 一 种 理 想 的 方 案 。 太 阳 能 充 电 器 的 另 一 个 好 处 是 它提 供 了 一 种 可 移 动 的 充 电 解 决 方 案 。本 文 中 ， 我 们 将 对

4、 开 发 太 阳 能 充 电 解 决 方 案 过 程 中 一 些 重 要 的 考 虑 因 素 进 行说 明 。 需 要 考 虑 这 些 因 素 的 主 要 原 因 是 ： 随 着 光 照 环 境 不 同 ， 电 压 和 电 流 也 随 之变 化 ， 那 么 太 阳 能 电 池 板 就 会 成 为 一 个 高 输 出 阻 抗 电 源 。 而 墙 上 电 源 适 配 器 或 者USB 电 源 均 为 低 输 出 阻 抗 电 源 ， 具 有 预 先 规 定 好 的 输 出 电 压 和 电 流 。 我 们 要 讨 论的 太 阳 能 充 电 解 决 方 案 中 需 要 重 点 关 注 的 因 素 包 括

5、 ： 最 大 功 率 点 跟 踪 (MPPT)、 反 向 漏 电 保 护 、 充 电 终 止 方 法 技 巧 以 及 太 阳 能 板 崩 溃 保 护 等 。 来源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网最 大 功 率 点 跟 踪最 大 功 率 点 (MPP) 是 能 够 获 得 最 大 功 率 的 太 阳 能 电 池 工 作 区 域 1。图 1 中 的 曲 线 图 表 明 了 该 区 域 。 该 曲 线 图 显 示 了 典 型 输 出 电 流 与 输 出 功 率 同 MPP 双 节 太 阳 能 电 池 板 电 压 曲 线 的 对 比 关 系 。 曲 线 上 的 MPP 很 明 显 ， 因为 它

6、是 对 应 于 太 阳 能 电 池 板 最 大 功 率 输 出 的 电 压 和 电 流 。 MPP 与 环 境 温 度和 光 线 有 关 ， 因 此 会 随 时 间 而 变 化 。 这 表 明 ， 利 用 太 阳 能 电 源 的 充 电 器 必 须 具 有相 应 的 电 路 ， 以 随 环 境 条 件 变 化 不 断 跟 踪 MPP。 MPPT 方 案 种 类 繁 多 ， 包括 简 单 的 开 环 技 术 (电 池 板 电 压 维 持 在 固 定 开 电 路 电 压 )和 复 杂 的 微 控 制 器 类技 术 (测 量 输 入 和 输 出 功 率 ， 然 后 正 确 调 节 电 池 板 电 压

7、 )。 来 源 :大 比 特 半 导体 器 件 网图 1 输 出 电 流 和 输 出 功 率 为 双 节 太 阳 能 电 池 板 电 压 的 函 数正 确 选 择 充 电 解 决 方 案 的 MPPT 方 案 ， 需 要 在 成 本 和 效 率 之 间 做 出 折 中 ，并 且 应 视 具 体 应 用 而 定 。反 向 漏 电 保 护反 向 漏 电 是 电 池 中 存 储 的 电 荷 丢 失 并 返 回 至 电 源 的 一 种 现 象 。 电 池 电 压 高 于电 源 时 出 现 反 向 漏 电 现 象 。 出 现 这 种 现 象 时 ， 电 源 便 成 为 电 池 的 负 载 ， 不 再 对

8、 电池 充 电 。 使 用 墙 上 电 源 适 配 器 或 者 USB 电 源 时 不 会 出 现 这 种 状 态 ， 因 为 这两 种 电 源 的 电 压 输 出 始 终 保 持 在 锂 离 子 电 源 电 压 之 上 。 使 用 太 阳 能 电 池 板 时 ， 太阳 能 板 的 电 压 会 在 光 照 不 足 的 情 况 下 降 低 至 电 池 电 压 以 下 。 图 2a 显 示 了一 个 连 接 至 电 池 的 USB 电 源 充 电 器 原 理 图 。 当 开 关 S1 关 闭 时 ， 电 源 从电 池 断 开 ， 电 池 无 电 流 。 使 用 太 阳 能 电 池 板 时 ， 如

9、果 使 用 相 同 的 布 局 ， 则 如 果 太阳 能 板 电 压 降 至 电 池 电 压 以 下 时 开 关 体 二 极 管 开 启 。 解 决 这 种 问 题 的 一 种 常 用 方法 是 使 用 背 靠 背 式 开 关 ， 如 图 2b 所 示 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 2a 显 示 电 源 开 关 的 USB 型 充 电 器 原 理 图图 2b 显 示 背 靠 背 式 电 源 开 关 的 太 阳 能 板 型 充 电 器 原 理 图充 电 终 止锂 离 子 电 池 充 电 要 求 对 电 池 实 施 精 确 的 电 流 和 电 压 控 制 ， 以 确 保 电

10、池 电 量 充满 ， 防 止 缩 短 电 池 使 用 寿 命 ， 并 防 止 在 充 电 期 间 出 现 危 险 状 态 。 锂 离 子 电 池 充 电的 常 见 过 程 (请 参 见 图 3)可 分 为 如 下 三 个 阶 段 ： 预 稳 压 、 恒 定 电 流 充 电 和 恒 定电 压 充 电 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 3 锂 离 子 电 池 充 电 不 同 阶 段 的 电 池 电 压 和 电 流 曲 线 图在 预 稳 压 阶 段 ， 利 用 0.1C 恒 定 电 流 (通 常 情 况 )对 电 池 充 电 ， 以 使 电 池电 压 缓 慢 上 升 至 2.5V

11、左 右 。 该 阶 段 仅 用 于 深 度 放 电 的 电 池 。 一 旦 电 池 电 压 上升 至 2.5V 以 上 ， 则 使 用 恒 定 电 流 充 电 。 在 恒 定 电 流 充 电 阶 段 ， 利 用 1C 恒 定 电 流 (通 常 情 况 )对 电 池 充 电 ， 直 到 电 池 电 压 达 到 4.2V。 一 旦 电 池电 压 达 到 4.2V， 则 使 用 4.2V 恒 定 电 压 对 电 池 充 电 。 在 这 一 阶 段 ， 需 对 进入 电 池 的 电 流 情 况 进 行 监 控 。 当 电 池 电 流 降 至 0.1C 时 ， 充 电 终 止 。 在 恒 定电 压 充

12、电 阶 段 ， 进 入 电 池 的 电 流 会 减 少 ， 原 因 是 电 池 充 满 时 电 池 阻 抗 增 加 。 一 旦电 流 减 少 至 0.1C 以 下 ， 充 电 源 必 须 完 全 从 电 源 断 开 。 如 果 未 彻 底 断 开 ， 会 出现 金 属 锂 电 镀 现 象 ， 让 电 池 变 得 不 稳 定 ， 从 而 出 现 危 险 状 态 。 我 们 必 须 根 据 进 入电 源 的 电 流 情 况 来 终 止 锂 离 子 电 池 充 电 ， 以 保 证 电 池 刚 好 充 满 至 其 最 大 电 量 。使 用 太 阳 能 充 电 的 充 电 器 必 须 遵 循 上 述 充

13、 电 过 程 。 问 题 大 多 会 出 现 在 对 电 池电 流 进 行 监 控 的 恒 定 电 压 充 电 阶 段 。 进 入 到 电 池 的 电 流 可 能 会 减 少 ， 但 不 是 因 为电 池 电 量 的 增 加 ， 而 是 因 为 光 照 环 境 变 化 带 来 太 阳 能 板 输 出 的 降 低 。 因 此 ， 电 池可 能 永 远 也 不 会 充 满 至 其 最 大 电 量 ， 而 且 太 阳 能 板 可 能 会 一 直 连 接 电 池 。 要 想 解决 这 个 问 题 ， 我 们 可 以 使 用 一 个 长 时 恒 定 计 时 器 。 计 时 结 束 时 ， 太 阳 能 板

14、 便 从 充电 器 断 开 ， 而 不 用 考 虑 电 池 电 量 情 况 ， 这 样 便 可 以 防 止 电 池 损 坏 。太 阳 能 电 池 板 崩 溃 保 护在 一 些 传 统 的 充 电 器 中 ， 我 们 预 先 知 道 电 源 的 电 流 和 电 压 大 小 。 因 此 ， 充 电器 电 路 专 门 为 电 源 规 定 范 围 内 运 行 而 设 计 。 使 用 太 阳 能 电 池 板 输 出 时 ， 电 流 大 小和 开 路 电 压 都 是 动 态 的 ， 其 取 决 于 周 围 的 环 境 。 所 以 ， 相 比 墙 上 电 源 适 配 器 ， 为太 阳 能 充 电 器 设 计

15、 控 制 环 路 要 更 有 挑 战 性 一 些 。利 用 太 阳 能 进 行 锂 离 子 电 池 充 电 的 系 统 ， 在 努 力 维 持 锂 离 子 电 池 充 电 过 程 的同 时 ， 还 要 不 能 让 太 阳 能 板 出 现 意 外 崩 溃 现 象 。 因 为 如 果 太 阳 能 板 电 压 急 剧 下 降 ，就 无 法 从 太 阳 能 板 获 得 有 用 的 电 能 。 在 恒 定 电 流 充 电 阶 段 出 现 太 阳 能 板 崩 溃 的 机率 较 大 。 在 这 一 阶 段 ， 太 阳 能 板 可 能 无 法 提 供 电 池 充 电 所 需 的 电 流 。 当 出 现 这 种

16、情 况 时 ， 太 阳 能 板 电 压 开 始 迅 速 崩 溃 。 因 此 ， 充 电 器 必 须 能 够 检 测 到 太 阳 能 板 电压 的 快 速 下 降 ， 并 立 即 减 少 从 太 阳 能 板 获 取 电 流 ， 从 而 防 止 太 阳 能 板 崩 溃 。 来 源 :大比 特 半 导 体 器 件 网总 结太 阳 能 充 电 器 可 以 为 锂 离 子 电 池 提 供 一 种 移 动 的 、 有 益 环 境 的 充 电 方 法 。 在进 行 太 阳 能 充 电 器 设 计 时 ， 会 遇 到 许 多 在 进 行 墙 上 电 源 适 配 器 充 电 器 设 计 时 所 碰不 到 的 问

17、 题 。 如 果 设 计 人 员 开 动 脑 筋 ， 便 可 以 设 计 出 一 些 能 够 使 用 太 阳 能 、 USB和 墙 上 电 源 适 配 器 输 入 的 充 电 器 ， 实 现 对 锂 离 子 电 池 的 完 美 充 电 。参 考 文 献1、 能 量 采 集 太 阳 能 、 风 能 和 海 洋 能 转 换 系 统 ， 作 者 ： Alireza Khaligh 和 Omer C. Ona， 2009 年 12 月 1 日 由 美 国 佛 罗 里 达 州 Boca Raton的 CRC 出 版 社 出 版 ， FL 2010 (978-1-4398150-8-3)2、 800mA、 单 输 入 、 单 节 锂 离 子 太 阳 能 电 池 充 电 器 ， TI 2011 年3 月 BQ24210 产 品 说 明 书 (SLUSA76)。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网3、 使 用 MSP430 的 锂 离 子 电 池 充 电 器 解 决 方 案 ， 作 者 ： Harman Grewal， 2005 年 12 月 TI SLAA287 应 用 报 告 。