基于单片机的MPPT太阳能锂电池充电器分析

摘要：太阳能电池输出曲线具有非线性的特点，传统太阳能充电器对太阳能电池的利用效率低。文章在经过数学模型分析基础上，提出采用改变占空比使充电电流最大的MPPT跟踪策略，大幅提高太阳能电池利用率。同时通过BUCK电路与SPCE061单片机对充电过程进行监控，采用三段式算法保证锂电池性能，提高其寿命。最后通过实验数据对比验证了该方案的实用性和有效性。

0引言

太阳能的绿色与可再生特性，使其在低碳和能源紧缺的今日备受关注。锂电池因比能量高、自放电低的特性，逐渐取代铅酸电池成为主流。由目前常用的太阳能电池的输出特性可知，太阳能电池在一定的光照度和温度下，既非恒流源，亦非恒压源，其最大功率受负载影响。而锂电池可看作一个小负载电压源。如不加控制直接将二者连接，则将太阳能电池的工作电压箝位于锂电池工作电压，无法高效利用能源。

本文采用SPCE061单片机，利用MPPT技术使太阳能电池工作于最大功率点，并且对锂电池的充电过程进行控制，延长锂电池使用寿命，保证充电安全。

1最大功率点跟踪技术原理（MaximumPowerPointTracking简称MPPT）

太阳能电池有着非线性的光伏特性，所以即使在同一光照强度下，由于负载的不同也会输出不同的功率。

其电压、电流与功率在光照度1kW/m2，T=25℃条件下的输出曲线如图1所示。其短路电流isc与开路电压uoc由生产商给出，Pmpp为该条件下的最大功率点。

由于太阳能电池受到光强、光线入射角度、温度等多种因素的影响，最大功率相应改变，对应最大功率点的输出电压、输出电流和内阻也在不停变化。因此，需要使用基于PWM的可调DC/DC变换器，使负载相应改变，才能使太阳能电池工作在最大功率点上。

2电路工作原理

图2示出太阳能充电器的原理框图。其中微控制器采用凌阳公司生产的SPCE061A单片机，该单片机含有7个10位ADC（模-数转换器）并内置了PWM功能，大大简化电路复杂程度，提高稳定性。电压采样电路与电流采样电路通过ADC将电压值与电流值送入MCU，MCU根据MPPT算法计算PWM控制BUCK电路完成对充电过程的控制。

图3为BUCK变换器电路。由MOSFET管Q3、电感L1与继流二极管D1构成典型的BUCK降压DC/DC变换器，Q1和Q2组成MOSFET管驱动电路，Uout输出至锂电池正极。

图4为电流采样电路。Rsense用一小阻值精密电阻作为采样电阻，通过将电阻两端电压使用差分放大器输送到SPCE061的A/D端进行采样。为使采样精确，避免电源线与地线干扰，使用线性光耦HCNR200进行隔离。