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

太tai陽yang能neng是shi為wei便bian攜xie式shi設she備bei供gong電dian的de有you吸xi引yin力li的de能neng源yuan。一yi段duan時shi間jian以yi來lai，它ta一yi直zhi被bei廣guang泛fan地di用yong於yu諸zhu如ru計ji算suan器qi和he航hang天tian飛fei機ji這zhe樣yang的de應ying用yong。最zui近jin
，人ren們men正zheng考kao慮lv把ba太tai陽yang能neng用yong於yu包bao括kuo移yi動dong電dian話hua充chong電dian器qi這zhe樣yang的de範fan圍wei更geng寬kuan廣guang的de消xiao費fei電dian子zi應ying用yong。

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
，Rs代(dai)表(biao)連(lian)接(jie)損(sun)耗(hao)。隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)增(zeng)加(jia)，由(you)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)大(da)部(bu)分(fen)電(dian)流(liu)被(bei)分(fen)流(liu)到(dao)二(er)極(ji)管(guan)並(bing)進(jin)入(ru)負(fu)載(zai)。對(dui)於(yu)大(da)多(duo)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)的(de)數(shu)值(zhi)
，這(zhe)隻(zhi)對(dui)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)有(you)很(hen)小(xiao)的(de)影(ying)響(xiang)。

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。

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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jinMPP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MPPyikai。danshi，zhezhinengfashengzairuguoxitongjidianchichongdianqisuoxuyaodegonglvxiaoyutaiyangnengbannenggoutigongdegonglvdeqingkuangxia。zaizhezhongqingkuangxia，jiangdixiaolvbushinamezhongyao。rutu3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DPPMzhuangtai，neibuanquandingshiqijiuzidongdiyanchangshijian。yinci，dangkaolvzhurudiguangxianhuowuguangtiaojianzhileideteshugongzuotiaojianshi，dianchichongdianjiufeichangdi，huodianchikenengshenzhigongzuozaifangdianmoshi。yaoshezhifugaisuoyouyingyongdeheshidechongdiananquandingshiqijihushibukenengde。fouze，jiukenengchanshengyigexujiadeanquandingshiqicuowu。yinci，jiejuezhegewentideyigexuanxiangjiushijinzhianquandingshiqigongzuo。

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。