0 引言
能源危機的出現和環境污染的日益惡化，使太陽能作為清潔干凈的可再生能源得到世界各國的高度重視。隨著太陽能技術的發展，近年來超薄、超輕的光伏電池在便攜式電子設備中的應用也得到了很大發展。太陽能手機鋰電池充電器擺脫了傳統充電電源的束縛，節能與環保，具有良好的發展前景。[1]
由于光伏電池的輸出功率受光照、溫度等環境因素的影響，太陽能充電器既要與使用交流市電的充電器一樣對鋰離子電池進行安全快速充電，又要解決以下問題[1]：①如何將環境溫度、光照強度以及其他外界條件的變化融入充電控制方法；②充電控制器的最佳拓撲結構是什么；③如何實現光伏電池輸出功率的最大化。針對上述問題，本文對現在常用的三種手機鋰電池充電器拓撲與控制方法進行了分析，指出它們在使用太陽能電池供電時都存在一定的局限性。并設計了一個由BUCK變換器構成、使用脈沖式充電控制方法、基于單片機控制的太陽能手機鋰電池充電器，通過計算機仿真，驗證了這種充電器的有效性。

1 目前手機鋰電池充電器的分析
目前商業手機鋰離子電池充電器主要有三種類型：線性式充電器、脈沖式充電器和開關式充電器[2]。表1 對這三種充電器的電路拓撲結構及充電控制方法進行比較。
從表1可以看出三類充電器各有優缺點，線性式充電器采用線性調整管進行充電電流與電壓的調節，調整管上功耗很大，需要采取有效措施來解決散熱問題。開關式充電器通過改變開關管的導通與關斷占空比來實現恒流與恒壓，開關管工作在開關狀態，損耗小，但是電路較復雜。脈沖式充電器兼有兩者的優點，但是由于充電器本身不調節電流，所以需要一個限流型的電源適配器與其配合使用。

表1  三類充電器的結構與特點
Table 1 The features and structures of three types chargers

充電器類型
 主要電路結構
 充電過程
 充電終止判斷方法
 充電電流控制方式
 優點
 缺點
 
線性式
 線性調整管、線性充電控制電路
 預充→恒流→恒壓
 最小充電電流、定時
 線性調整管調節
 電路簡單、體積小、成本低
 損耗大、效率低、發熱嚴重
 
脈沖式
 開關管、脈沖充電控制電路
 預充→快速→脈沖
 Ton/Toff比值
 依靠外部限流電源適配器
 電路簡單、體積小、功耗低、效率高
 需限流型電源適配器
 
開關式
 DC/DC變換器、PWM與充電控制電路
 預充→恒流→恒壓
 最小充電電流、定時
 調節DC/DC變換器占空比
 功耗低、效率高、充電電流大、輸入電壓范圍寬
 體積大、成本高
以下著重分析當由光伏電池為充電器提供電源時上面三種充電器是否適用。
（1）太陽能充電器宜采用DC/DC變換器拓撲結構。由于光伏電池輸出特性具有強烈的非線性，其輸出受環境溫度、光照強度和負荷等情況影響。從圖1可以看出光伏電池輸出功率隨光照強度的增加而增加，隨環境溫度的升高而降低。當光照和溫度變化時，實時調整光伏電池的工作電壓可使其工作在最大功率點附近，即為最大功率點跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）[3]。因此，為提高光伏電池輸出功率，就需要充電器能調節輸入電壓，以調整光伏電池的工作點。線性式和脈沖式充電器的輸入電壓由外部供電電源決定，因此不能實現最大功率點跟蹤功能。而開關式充電器的輸入電壓可以通過調節占空比D來實現。例如BUCK變換器輸入輸出電壓的關系式為：Vo＝D*Vin（Vo為鋰電池端電壓，Vin為太陽能電池輸出電壓）。由于鋰電池電壓變化緩慢，因此改變開關管占空比D就可以改變Vin，從而實現MPPT功能。


圖1光伏電池在不同光照（a）和不同溫度（b）下的P－V特性曲線

Fig.1  The P-V curves of the PV module with varying  irradiation (a) and temperature (b)
（2）太陽能充電器宜采用脈沖式充電終止判斷方法。線性與開關充電模式常用兩種控制算法來判斷電池充滿，第一種為檢測最小充電電流法，第二種為定時法。如前所述，光伏電池的輸出受外界環境的影響很大。若在充電過程中，由于天氣變化或周邊環境的改變使充電電流發生跌落，并跌落到設置的終止充電電流值以下時，則檢測最小電流法會錯誤終止充電。由于充電電流不穩定電池的充電時長也難以預測，因此，定時終止充電法也不能保證充滿電池。脈沖式充電曲線如圖2所示，在脈沖充電階段，當電池電壓低于4.2V時則導通開關管對電池充電，當電池電壓超過4.2V時則關斷開關管停止充電，當Ton/Toff值低于設定值時認為電池充滿而終止充電。若由于外界環境的變化使充電電流下降，電池電壓也隨著下降， Ton/Toff值增大，只有當電池確實充滿時Ton/Toff才會低于設定值，因此不會造成誤判。

圖2  脈沖式充電曲線示意圖

Fig.2 The curves of pulse mode charge
通過以上分析可知，由于目前的鋰電池充電器基本上按照穩定電源供電的前提條件來設計，當由太陽能提供電源時不能很好地適應光照、溫度等環境變化。

2 太陽能手機鋰離子電池充電器
2.1 系統結構
本文設計的太陽能手機鋰離子電池充電器系統框圖如圖3所示。該充電器主要由三部分組成：光伏電池、由單片機實現的控制器與一個降壓型直流變換器。


圖3 系統結構圖

Fig.3 The system architecture
BUCK變換器的主要功能是：在預充電階段輸出小電流Imin；在快速充電階段進行太陽能電池的最大功率點跟蹤，當電流達到Imax時限制電流以恒流充電；在脈沖充電階段根據電池電壓值輸出恒流或停止輸出。單片機實現的功能是：采集鋰離子電池的電壓Vbatt、電流Ibatt、溫度Tbatt和太陽能電池的電壓Vpv、電流Ipv；由軟件程序控制使充電器在不同的充電狀態之間轉換；在不同的充電狀態根據控制目標計算出占空比D，輸出PWM驅動脈沖。
2.2 充電控制方法
本文設計的太陽能充電控制器是一個多目標控制系統[4]，在充電的不同階段，控制占空比的目標也不同，其充電狀態轉換如圖4所示。

圖4  充電狀態轉換圖

Fig.4  The change of charge state
轉換條件：①：Vbatt＜Vmin ；  ②、③：Vbatt≥Vmin ； ④：Ibatt≥Imax ； ⑤：Ibatt＜Imax；⑥、⑦：Vbatt≥Vmax；⑧：Ton/Toff≤設定值。
（1）預充電：當鋰電池插入充電器后，若電池電壓低于設定的門限值Vmin，則單片機對占空比的控制目標是輸出很窄的PWM脈沖，使變換器輸出一個小電流Imin，對過放電的鋰離子電池進行修復充電；若電池電壓≥Vmin可跳過預充電階段而直接進入快速充電階段。
（2）快速充電：當電池電流Ibatt≥Imax時，單片機控制PWM脈寬使變換器輸出恒定電流；當太陽能電池的輸出功率下降使Ibatt＜Imax時，則轉入最大功率跟蹤狀態，調整占空比改變BUCK輸入電壓使光伏電池工作在最大功率點附近，即根據Ibatt的大小充電器可以來回地在MPPT與恒流兩個狀態之間轉換，直到Vbatt≥Vmax（4.2V），轉入脈沖充電階段。
（3）脈沖充電：此階段變換器進行間歇性的恒流輸出，每隔一段時間ΔT判斷一次電池電壓值，若Vbatt＜Vmax，則輸出恒流對電池充電；若Vbatt≥Vmax，則停止對電池充電。開關管驅動脈沖示意圖如圖5。Ton為輸出PWM驅動脈沖的時間，Toff為停止充電的時間。在Ton期間開關管以占空比D導通和關斷以實現恒流控制，D= ton/ts。周期ts由開關工作頻率確定，為μs數量級。而Ton和Toff為ΔT的整數倍，ΔT為ms數量級。在脈沖充電開始時，Ton/Toff比值較大，隨著電池的逐漸充滿，Toff越來越長，當Ton/Toff小于設定值時，電池充滿，終止充電。

Fig.5 The drive pulse of MOSFET
當電壓達到Vmax后，脈沖充電器仍對鋰電池施加大電流的充電脈沖，使電池電壓在脈沖期間略微超出Vmax，但這并不會使電池提前老化。相反，脈沖充電可以減小充電過程中極化現象的影響，有效增大充電電量，提高充電效率[5]。

3 仿真結果
為了驗證該太陽能手機鋰電池充電方法是否可行，采用matlab的simulink工具箱搭建了系統仿真模型[6-8]，simulink仿真模型如圖6所示。圖中光伏陣列輸出功率為5W，鋰離子電池的額定容量為850mAh。Precharge、MPPT、CC、Pulse 4個模塊分別實現預充、最大功率跟蹤、恒流、脈沖充電功能，由Control模塊控制多路開關進行轉換。最大功率跟蹤采用由光伏陣列輸出功率的比較結果直接改變DC/DC變換器占空比的登山法[9]。由信號模塊signal1模擬光照強度的變化。預充電壓門限設為2.9V,預充電流Imin設置為0.1C(C為鋰電池的額定容量)。恒流充電電流設為1C，考慮到電感電流紋波的影響，設置MPPT與恒流的轉換門限為0.95Imax。ΔT設為64ms，當Ton/Toff小于1/256時認為電池已充滿。



圖6  系統的simulink仿真模型

Fig.6  System simulation model in simulink
采用圖7所示光照強度，仿真結果如圖8(a)所示。從充電狀態轉換圖8(c)可看出當光照在1000s和2000s處變化時，充電器能自動在恒流與MPPT充電狀態之間轉換，使充電電流Ibatt達到最優化。在脈沖充電階段，當光照在4000s處跌落時，充電器仍然繼續充電，直至Ton/Toff小于設定值，電池充滿。由放大的電流波形圖8(b)可看到隨著充電時間的增長Toff 逐漸變大的過程。電壓Vbatt曲線符合鋰電池的充電特性，電池充滿后電壓保持在4.2V。
圖9為在相同光照下充電器不具有MPPT功能時的仿真結果。從圖上看出1000s-2000s光照跌落時的充電電流明顯低于圖8 (a)的電流，使鋰電池電壓增長變慢，導致總充電時間延長了約400s。
圖10為用一個恒壓模塊代替圖6中Pulse模塊進行仿真的結果，此時采用檢測最小電流法（小于0.1C）終止充電。當進入恒壓充電階段后，在4000s處光照下降時充電器立即停止充電，然而此時電流的下降是由于外界因素的影響，并不是電池已充滿，因此鋰電池電壓很快下降。

4 結論
本文設計的太陽能手機鋰電池充電器采用DC/DC變換器拓撲結構，能夠實現最大功率跟蹤，使光伏電池效率最大化，同時在充電終止判斷方法上，考慮了光照強度、環境溫度等因素對鋰電池充電曲線的影響，能夠準確進行充電終止判斷，使鋰電池達到額定容量。


圖7  光照強度變化圖
Fig.7 Change of the irradiation

圖8 （a）脈沖充電鋰電池電壓、電流波形圖 （b）局部放大圖（c）充電狀態轉換圖
Fig.8  (a) Voltage and current wave of the Li-ion battery in the pulse charge mode (b) local zoom (c) The change of charge state

圖9  無MPPT充電時鋰電池電壓、電流波形圖
Fig.9  Voltage and current wave of the Li-ion battery without MPPT


圖10  恒流恒壓充電時鋰電池電壓、電流波形圖
Fig.10 Voltage and current wave of the Li-ion battery in the CC-CV charge mode