陈阳;杨文荣;冉峰;朱佳斌;季渊
【摘 要】为了给家庭提供清洁持续的能源,采用LT3652电池充电管理芯片以及LTC3300-1电池组均衡器设计了一种太阳能充电的锂电池均衡模块.工业级太阳能充电电路复杂,成本高,不适合家庭使用,而传统的电阻耗散式均衡有着高发热和有效储能低的问题,因此设计的最大峰值功率跟踪(MPPT)电路和同步反激式均衡结构实现了光伏电池对锂电池充电效率最大化并可对锂电池组进行双向主动均衡,简化了太阳能充电电路.利用仿真的方法,详细介绍了LT3652和LTC3300-1的功能,对所需元器件的选择以及相关电路的设计进行了详细说明.本设计具有较易的充电电路、高均衡能量转换率以及灵活高效等特点,并可实现大规模集成.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)006
【总页数】4页(P895-897,917)
【关键词】太阳能充电;MPPT;锂电池;均衡
【作 者】陈阳;杨文荣;冉峰;朱佳斌;季渊
【作者单位】上海大学 微电子研究与开发中心,上海200072;上海大学 微电子研究与开发中心,上海200072;上海大学 微电子研究与开发中心,上海200072;上海大学 微电子研究与开发中心,上海200072;上海大学 微电子研究与开发中心,上海200072
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912
现代经济的迅速发展，得益于化石能源广泛应用。然而，化石能源作为一种不可再生的能源，将在不久的未来迅速枯竭。目前，包括我国在内的世界各国都在大力发展和推广可再生能源，力求在化石能源枯竭之前使可再生能源全面替代化石能源。而太阳能作为最广泛存在的免费绿能源，在越来越多的场所中得到应用，如目前正在实验的太阳能汽车、太阳能飞机等[1-2]。而在家庭方面太阳能的应用还极少，大部分还停留在太阳能热水器等，这是由于工业级太阳能充电电路复杂，成本高，不适合家庭使用。目前商用的光伏电池效率一般在13%～18%之间[3-4]，并且成本较高。因此简化太阳能充电电路，使光伏电池处在最大功率
点工作，有利于太阳能在家庭中的普及，并且有利于提高锂电池的充电速率以及提高光伏电池的使用寿命。本文采用最大峰值功率跟踪(MPPT)测定光伏电池的最大功率。
而锂电池作为目前储能密度最高的储能电池之一，还具有体积小，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点[5]，因此将锂电池与太阳能结合起来，用锂电池将太阳能储存起来，在供电不足或者高价电费时将存储起来的电能释放出来满足家庭的需要。考虑到各个单体电池的不一致性，因此采取均衡保护措施来确保安全性和稳定性。目前传统的电阻耗散式均衡法，在均衡过程中产生大量的热，增加电池热管理负担的同时造成有效储存能量的巨大浪费[6-7]，因此本文改善储能元件，采用变压器作为储能元件，设计了一款可集成的基于太阳能充电的锂电池双向主动均衡模块，可在大规模锂电池储能模块中采用。
1 充电器部分设计
1.1 LT3652工作原理介绍
对于单晶硅光伏电池，其最大功率点位于每条V-I曲线的拐点处。尽管在不同光照强度下，光伏电池的最大功率点位置不同，但是不同最大输出功率点对应的输出电压基本保持不变，如 图1所示。此电压被称为最大输出功率点电压，以VMP表示。基于这个原理，为了使光伏电池工作在最大输出功率点附近，充电器需要将光伏电池的输出电压保持在VMP附近。本文采用Linear公司生产的LT3652太阳能充电器作为充电管理芯片。其工作方式是当光伏电池输出电压降低到某设定值时，LT3652将会降低输出的充电电流，使光伏电池处于最大输出功率点附近。
图1 太阳电池板在一个特定的输出电压(VMP)下产生最大的功率
LT3652可以根据输入电压VREG的大小自动调整充电电流，再输入电压，通过电阻分压的方式设定VIN_REG引脚的输入电压，以实现对光伏电池的最大峰值输出功率的跟踪。VREG有一个特定的输入电压调节范围，可以根据电阻分压器来调节设置。
为了控制输出电流的大小，设置一敏感电阻RSENSE，则VIN_REG与RSENSE上的压降VSEBSE有一定的关系，如图2所示。
图2 VIN_REG与VSENSE的关系图
由图2可知，VIN_REG的输入电压为2.67～2.74 V时，LT3652的输出电流根据VIN_REG的
变化自动进行调节，以保证光伏电池处于最大输出功率点上。而当由于光照强度降低等原因造成光伏电池输出电压降低时，将导致VIN_REG降低；当VIN_REG的值低于2.67 V时，VSENSE下降到0，这时的充电电流下降到0，充电器为停止工作状态；而当光照很强，导致VIN_REG上升，当VIN_REG高于2.74 V时，VSENSE上升到100 mV后保持不变，充电器为恒流工作状态，此时的充电电流为ICHRG(MAX)。
1.2 充电器外围电路设计
在本文所设计的太阳能充电的锂电池均衡模块，每个模块对6节磷酸铁锂电池进行充电，因此浮充电压VBAT(FLOAT)=22.2 V。太阳能充电器如图3所示。光伏电池由VIN输入到充电器当中，而VIN_REG引脚和SHDN引脚通过对光伏电池实际输出电压的反馈，将光伏电池的输出电压控制在最大功率点附近。而BAT引脚为充电模块的输出引脚，VFB引脚的输入电压会影响充电模块的输出电压，因此通过VFB引脚对充电模块输出电压的反馈控制BAT引脚的输出电压，使其稳定工作时保证输出电压为22.2 V，当电池电压达到浮充电压的97.5%时表示电池已充满，停止充电。充电电流由Sense引脚输出，它的最大输出电流可以由一个敏感电阻RSENSE控制。为了提高充电速率，本文设计的最大充电电流ICHG(MAX)为2 A。
为了确定所需的光伏电池参数 [主要包括开路电压VOC、峰值输出功率电压VP(MAX)和峰值功率电流IP(MAX)，这些参数保留15%余量]，因此得：
图3 可集成的太阳能充电器
式中：VBAT(FLOAT)为电池浮充电压；η为充电效率，取值0.85。
由于电流传感电阻RSENSE上的最大压降为100 mV，因此求得RSENSE=50 mΩ。
为了使光伏电池保持在最大功率点附近，因此要保证输入电压VIN保持在最大功率电压VP(MAX)附近。通过设置各个门限达到这个目的。
对于VIN_REG引脚，保证其电压不低于2.7 V可控制VIN电压的下限，因此设置分压电阻RIN1和RIN2，取RIN1=50 kΩ，则有：
由上式求得使光伏电池处于最大输出功率点时，控制输出电压的范围为VREG(MIN)=26.11 V，VREG(MAX)=26.80 V。
对于SHDN引脚，保证其电压不高于1.2 V可控制VIN电压的上限。因此设置分压电阻RSHDN
1和RSHDN2，令RSHDN1=50 kΩ，则有：
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