0简介
随着能源危机的出现和环境污染的加剧，太阳能作为一种清洁的可再生能源，受到了世界各国的高度重视。随着太阳能技术的发展，超薄超轻光伏电池在便携式电子设备中的应用近年来有了很大发展。手机用太阳能锂电池充电器摆脱了传统充电电源的束缚，节能环保，具有良好的发展前景。[1]
由于光伏电池的输出功率受光照和温度等环境因素的影响，太阳能充电器不仅要像使用交流市电的充电器一样安全快速地为锂离子电池充电，还要解决以下问题[1]:
如何将环境温度、光照强度等外界条件的变化融入到充电控制方法中；
充电控制器的最佳拓扑是什么；
如何最大化光伏电池的输出功率。
针对上述问题，本文分析了三种常用手机锂电池充电器的拓扑结构和控制方式，指出它们在使用太阳能电池供电时都有一定的局限性。设计了一种太阳能手机锂电池充电器，由BUCK变换器构成，采用脉冲充电控制方式，由单片机控制。计算机仿真验证了该充电器的有效性。
1当前手机锂电池充电器的分析
目前商用手机锂离子电池充电器主要有三种：线性充电器、脉冲充电器和开关充电器[2]。表1比较了这三种充电器的电路拓扑和充电控制方法。
从表1可以看出，三种充电器各有优缺点。线性充电器采用线性调节管调节充电电流和电压，耗电量大，需要采取有效措施解决散热问题。开关充电器通过改变开关管的开关占空比实现恒流恒压。开关管工作在开关状态，所以损耗小，但电路复杂。脉冲充电器兼有两者的优点，但由于充电器本身不调节电流，需要一个限流电源适配器与之配合。
表1三种充电器的结构和特点
表1三种充电器的特点和结构
充电器类型
主电路结构
充电过程
充电终止判断方法
充电电流控制模式
优势
劣势
线性公式
线性调整管、线性充电控制电路
预充电恒流恒压
最小充电电流，定时
线性调整管调整
电路简单，体积小，成本低。
损耗大，效率低，发热严重。
冲击式
开关和脉冲充电控制电路
预充电快速脉冲
Ton/Toff比率
依靠外部限流电源适配器
电路简单，体积小，功耗低，效率高。
限流电源适配器
开关类型
预充电恒流恒压
最小充电电流，定时
调整DC/DC转换器的占空比
功耗低、效率高、充电电流大、输入电压范围宽。
体积大，成本高。
下面重点分析当充电器由光伏电池供电时，上述三种充电器是否适用。
(1)太阳能充电器应采用DC/DC变换器拓扑。由于光伏电池的输出特性是强非线性的，其输出受环境温度、光照强度和负载的影响。从图1可以看出，光伏电池的输出功率随着光强的增加而增加，随着环境温度的升高而降低。当光照和温度发生变化时，实时调整光伏电池的工作电压，可以使其工作在最大功率点附近，这就是所谓的最大功率点跟踪(MPPT) [3]。
因此，为了提高光伏电池的输出功率，需要充电器能够调节输入电压来调节光伏电池的工作点。线性和脉冲充电器的输入电压由外部电源决定，因此无法实现最大功率点跟踪功能。而开关充电器的输入电压可以通过调节占空比D来实现.比如BUCK变换器的输入输出电压关系为：VO=D * Vin (VO为锂电池端电压，Vin为太阳能电池输出电压)。由于锂电池的电压变化缓慢，改变开关管的占空比D就可以改变Vin，从而实现MPPT功能。
图1不同光照(A)和不同温度(B)下光伏电池的P-V特性曲线
图1不同辐照度(a)和温度(b)下光伏组件的P-V曲线
(2)太阳能充电器应采用脉冲充电终止判断法。在线性切换充电模式下，常用两种控制算法来判断电池是否充满电。第一种是检测最小充电电流的方法，第二种是计时方法。如前所述，光伏电池的产量受外界环境影响很大。在充电过程中，如果充电电流因天气变化或周围环境变化而下降，低于设定的充电终止电流值，则最小电流检测法会误终止充电。
由于充电电流不稳定，很难预测电池的充电时间，所以固定时间停止充电的方法无法保证电池充满电。脉冲充电曲线如图2所示。在脉冲充电阶段，当电池电压低于4.2V时，开关管导通，给电池充电；当电池电压超过4.2V时，开关管关断，停止充电；当Ton/Toff值低于设定值时，认为电池已满，充电终止。如果充电电流因外界环境变化而降低，电池电压也随之降低，Ton/Toff值增大。只有在电池充满电的情况下，Ton/Toff才会低于设定值，所以不会造成误判。
图2脉冲充电曲线示意图
图2脉冲模式充电曲线
从以上分析可以看出，目前的锂电池充电器基本上是按照稳定供电的前提来设计的，在太阳能供电的情况下，无法适应光照、温度等环境变化。
2太阳能手机锂离子电池充电器
2.1系统结构
本文设计的太阳能手机锂离子电池充电器系统框图如图3所示。充电器主要由三部分组成：光伏电池、单片机实现的控制器和一个buck DC变换器。
图3系统结构图
图3系统架构
BUCK变换器的主要功能是：输出小电流Imin在预充电阶段；快速充电阶段跟踪太阳能电池的最大功率点，当电流达到Imax时，限制电流恒流充电；在脉冲充电阶段，根据电池电压值输出恒定电流或停止输出。单片机实现的功能有：采集锂离子电池的电压Vbatt、电流Ibatt和温度Tbatt，电压Vpv和电流Ipv太阳能电池；充电器由软件程序控制，在不同充电状态之间切换；在不同的充电状态下，根据控制目标计算占空比D，输出PWM驱动脉冲。
2.2充电控制方法
本文设计的太阳能充电控制器是一个多目标控制系统[4]。在充电的不同阶段，控制占空比的目标也不同，其充电状态转换如图4所示。
图4充电状态转换图
图4充电状态的变化
变换条件：:vbatt
(1)预充电：当锂电池插入充电器时，如果电池电压低于设定的阈值Vmin，单片机对占空比的控制目标是输出一个窄的PWM脉冲，使转换器输出一个小电流Imin，对过度放电的锂离子电池进行修复充电；如果电池电压Vmin，可以跳过预充电阶段，直接进入快速充电
(2)快速充电：当电池电流IbattImax时，微控制器控制PWM脉宽使转换器输出恒流；当太阳能电池输出功率下降使得Ibatt
(3)脉冲充电：此阶段转换器进行间歇恒流输出，每隔t判断一次电池的电压值，如果vbatt小于VMAX，则用恒流输出给电池充电；如果VbattVmax，停止给电池充电。开关驱动脉冲示意图如图5所示。Ton是输出PWM驱动脉冲的时间，Toff是停止充电的时间。
Ton时，开关管以占空比D导通和关断，实现恒流控制，D=ton/ts。ts的周期由开关的工作频率决定，约为 s，而Ton和Toff是 t的整数倍， t约为ms.脉冲充电初期，Ton/Toff比值较大，随着电池的逐渐充满，Toff越来越长。当Ton/Toff小于设定值时，电池充满电，充电终止。
图5 MOSFET的驱动脉冲
当电压达到Vmax时，脉冲充电器仍然对锂电池施加大电流充电脉冲，使电池电压在脉冲过程中略微超过Vmax，但这不会导致电池提前老化。相反，脉冲充电可以减少充电过程中极化现象的影响，有效增加充电容量，提高充电效率[5]。
3模拟结果
为了验证太阳能手机锂电池充电方法的可行性，利用matlab的simulink工具箱搭建了系统仿真模型[6-8]，simulink仿真模型如图6所示。图中光伏阵列输出功率为5W，锂离子电池额定容量为850mAh。预充电、MPPT、CC和脉冲模块分别实现预充电、最大功率跟踪、恒流和脉冲充电功能，多路开关由控制模块控制转换。
最大功率跟踪采用比较光伏阵列输出功率直接改变DC/DC变换器占空比的爬升法[9]。信号模块signal1模拟光强的变化。预充电阈值设置为2.9V，预充电电流Imin设置为0.1C(C为锂电池的额定容量)。恒流设置为1C，考虑电感电流纹波的影响，MPPT和恒流之间的转换阈值设置为0.95Imax，T设置为64ms，当Ton/Toff小于1/256时，认为电池充满电。
图6系统的simulink仿真模型
图6 Simulink中的系统仿真模型
使用图7所示的光强度，模拟结果如图8(a)所示。从充电状态转换的图8(c)可以看出，当照度在1000秒和2000秒变化时，充电器可以自动在恒流和MPPT充电状态之间切换，从而优化充电电流Ibatt。在脉冲充电阶段，当光线下降到4000s时，充电器继续充电，直到Ton/Toff小于设定值，电池充满电。从放大的电流波形图8(b)可以看出，Toff随着充电时间的增加而逐渐增加。电压Vbatt曲线符合锂电池的充电特性，电池充满电后电压保持在4.2V。
图9示出了在相同照明下充电器不具有MPPT功能时的仿真结果。从图中可以看出，光照下降时1000s-2000s的充电电流明显低于图8 (a)的充电电流，减缓了锂电池的电压增长，总充电时间延长了400s左右。
图10是将图6中的脉冲模块替换为恒压模块的仿真结果，其中通过检测最小电流(小于0.1C)来终止充电。进入恒压充电阶段后，充电器在4000s灯降时立即停止充电。但此时的电流下降是由于外界因素的影响，电池没有充满电，所以锂电池的电压下降qu
图第八条(一)脉冲充电锂电池电压、电流波形图（二)局部放大图（三)充电状态转换图
图第八条(a)脉冲充电模式下锂离子电池的电压和电流波形(二)局部放大(三)充电状态的变化
图9 无MPPT充电时锂电池电压、电流波形图
图9没有MPPT的锂离子电池的电压和电流波形
图10 恒流恒压充电时锂电池电压、电流波形图
图10锂离子电池在CC-CV充电模式下的电压和电流波形
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