1、太阳能锂电管理设计技巧摘要：本文通过讨论太阳能电池的工作原理和电气输出特性，电池充电系统要求以及匹配太阳能电池特性的系统解决方案，最终解决从太阳能电池获取最大的功率的问题。标签：太阳能锂电池，太阳能锂电管理，电源管理，移动电源方案正文：太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型硅，形成 P-N 结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电
2、能的过程。太阳能 I-V 特性一般地说，太阳能电池由 p-n 结构成，其中的光能( 光子)引起电子和空穴的重新组合，产生电流。因为 p-n 结的特性类似于二极管的特性，如图 1 所示的电路通常被用于简化太阳能电池的特性。图 1：简化的太阳能电池的电路模型。电流源 IPH 产生的电流正比于落在太阳能电池上的光量。在没有负载连接的时候，几乎所有产生的电流都流过二极管 D，其正向电压决定太阳能电池的开路电压(VOC)。该电压的变化严格地取决于每一种类型的太阳能电池。但是，对于大多数硅电池，其 0.5V 到0.8V 之间的电压范围恰好就是 p-n 结二极管的正向电压。并联电阻(RP)代表实际太阳能电池
3、中出现的微小泄漏电流，Rs 代表连接损耗。随着负载电流增加，由太阳能电池所产生的大部分电流被分流到二极管并进入负载。对于大多负载电流的数值，这只对输出电压有很小的影响。图 2 所示为太阳能电池的输出特性，由于二极管的 I-V 特性存在微小的变化，串联电阻(Rs)上的电压降也存在微小的变化，但是，输出电压保持很大的恒定。然而，在一些点通过内部二极管的电流是如此之小，以至于它变得偏置不够，并且，随着负载电流的增加，跨越它的电压快速减少。最后，如果所有产生的电流流过负载并且不流过二极管的话，输出电压就为零。该电流被称为太阳能电池的短路电流(ISC)，它与 VOC 一道是定义工作性能的主要参数之一。因
4、此，太阳能电池被认为是“电流受限”的电源。当输出电流增加的时候，其输出电压降低，直到最终减少为零，如果负载电流达到其短路电流的话。图 2：典型的太阳能电池 I-V 特性。在大多数应用中，人们期望从太阳能电池获取尽可能多的功率。因为输出功率是输出电压和电流的乘积，有必要确定电池的哪一部分的工作区域产生的输出电压和电流的乘积的数值最大，这一点被称为最大功率点(MPP)。在一种极端情况下，输出电压为其最大数值(VOC) ，但是，输出电流为零; 在其它极端情况下，输出电流位其最大值 (ISC)，但是，输出电压为零。在两种情况下，输出电压和电流的乘积都是零。因此，MPP 必须位于两种极端情况之间的某处。
5、可以容易地证明：在任何应用中，MPP 实际上出现在太阳能电池的输出特性( 见图 3)下半部的某个位置。实际上，问题在于太阳能电池的 MPP 的严格位置会根据光线和环境温度变化。因此，所设计的系统要产生最大的太阳能，就必须动态地调节太阳能电池输出的电流，以便它在实际工作条件下位于或接近 MPP 工作。图 3：太阳能电池输出特性。优化充电器设计以从太阳能板获得最大的功率。跟踪太阳能板系统的 MPP 的途径有多种，这些常常相当复杂，特别是在诸如卫星通信这样的重要任务系统中。然而，在许多对成本敏感的应用中，极其精确的 MPP 跟踪方案却是不必要的。所有的要求就是以简单、低成本的解决方案储存大约 90%
6、的可用能量。充电控制系统如何使太阳能电池以接近 MPP 的方式工作呢?动态功率路径管理(DPPM)技术可以满足跟踪 MPP 所面临的这种挑战。太阳能板被用做为单颗锂离子电池充电的电源。太阳能板由若干串在一起的电池组成，每一串具有 11 个串联的硅电池，其行为就像电流受到限制的电压源，其中，电流限度由太阳能板的大小以及照射在上面的光通量来确定。DPPM 监测因电流受限电源引起的系统总线电压 (VOUT)降。连接到系统总线上的电容(CO)开始放电，一旦系统所需要的电流和电池充电器的电流大于太阳能板所提供的电流，就会造成系统的总线电压开始下降。当系统总线电压跌落到预设的 DPPM 阀值的时候，电池充
7、电控制系统就把系统总线电压调节到 DPMM 阀值。ZS6078 是一款可使用太阳能板供电的 PWM 降压模式单节磷酸铁锂电池充电管理集成电路，独立对单节磷酸铁锂电池充电进行管理，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点。ZS6078 具有涓流，恒流和恒压充电模式，非常适合磷酸铁锂电池充电管理。在恒压充电模式，ZS6078 将电池电压调制在 3.625V；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电源的电流输出能力降低时，内部电路能够自动跟踪太阳能板的最大功率点，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用太阳能板的输出功率，非常适合利用太阳能板供电的应用。对于深度放电的电池，当电池电
8、压低于恒压充电电压的 66.5%(典型值) 时，ZS6078 用所设置的恒流充电电流的 17.5%对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到恒流充电电流的 16%时，充电结束。在充电结束状态，如果电池电压下降到恒压充电电压的 91.66%，自动开始新的充电周期。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，ZS6078 自动进入睡眠模式。 其它功能包括输入低电压锁存，电池端过压保护和充电状态指示等。太阳能板所提供的电源被认为是“电流受限”的电压源。太阳能板对锂电池的最大充电功率的实现途径是：当系统和电池充电所需要的总电流超过太阳能板的输出电流能力时，要通过降低充电电流来调节 MPP 附近的系统总线电压。对于设计一个可能的太阳能板供电的系统来说，关键的元素就是系统功率和电池充电功率控制架构。
