太阳能手机锂离子电池充电器分析

Fig.5 The drive pulse of MOSFET

    当电压达到Vmax后，脉冲充电器仍对锂电池施加大电流的充电脉冲，使电池电压在脉冲期间略微超出Vmax，但这并不会使电池提前老化。相反，脉冲充电可以减小充电过程中极化现象的影响，有效增大充电电量，提高充电效率[5]。

    3 仿真结果

    为了验证该太阳能手机锂电池充电方法是否可行，采用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，锂离子电池的额定容量为850mAh。Precharge、MPPT、CC、Pulse 4个模块分别实现预充、最大功率跟踪、恒流、脉冲充电功能，由Control模块控制多路开关进行转换。最大功率跟踪采用由光伏阵列输出功率的比较结果直接改变DC/DC变换器占空比的登山法[9]。由信号模块signal1模拟光照强度的变化。预充电压门限设为2.9V,预充电流Imin设置为0.1C(C为锂电池的额定容量)。恒流充电电流设为1C，考虑到电感电流纹波的影响，设置MPPT与恒流的转换门限为0.95Imax。ΔT设为64ms，当Ton/Toff小于1/256时认为电池已充满。

    图6  系统的simulink仿真模型

    Fig.6  System simulation model in simulink

    采用图7所示光照强度，仿真结果如图8(a)所示。从充电状态转换图8(c)可看出当光照在1000s和2000s处变化时，充电器能自动在恒流与MPPT充电状态之间转换，使充电电流Ibatt达到最优化。在脉冲充电阶段，当光照在4000s处跌落时，充电器仍然继续充电，直至Ton/Toff小于设定值，电池充满。由放大的电流波形图8(b)可看到随着充电时间的增长Toff 逐渐变大的过程。电压Vbatt曲线符合锂电池的充电特性，电池充满后电压保持在4.2V。

    图9为在相同光照下充电器不具有MPPT功能时的仿真结果。从图上看出1000s-2000s光照跌落时的充电电流明显低于图8 (a)的电流，使锂电池电压增长变慢，导致总充电时间延长了约400s。

    图10为用一个恒压模块代替图6中Pulse模块进行仿真的结果，此时采用检测最小电流法（小于0.1C）终止充电。当进入恒压充电阶段后，在4000s处光照下降时充电器立即停止充电，然而此时电流的下降是由于外界因素的影响，并不是电池已充满，因此锂电池电压很快下降。

    4 结论

    本文设计的太阳能手机锂电池充电器采用DC/DC变换器拓扑结构，能够实现最大功率跟踪，使光伏电池效率最大化，同时在充电终止判断方法上，考虑了光照强度、环境温度等因素对锂电池充电曲线的影响，能够准确进行充电终止判断，使锂电池达到额定容量。

图7  光照强度变化图

    Fig.7 Change of the irradiation

    图8 （a）脉冲充电锂电池电压、电流波形图 （b）局部放大图（c）充电状态转换图

    Fig.8  (a) Voltage and current wave of the Li-ion battery in the pulse charge mode (b) LOCal zoom (c) The change of charge state

图9  无MPPT充电时锂电池电压、电流波形图

    Fig.9  Voltage and current wave of the Li-ion battery without MPPT

图10  恒流恒压充电时锂电池电压、电流波形图

    Fig.10 Voltage and current wave of the Li-ion battery in the CC-CV charge mode

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