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自70年代石油危机以来,电池技术已经获得显著改善。尽管1970年时便已开发出铅酸蓄电池,但当时镍化学组成的电池仍处于初期,实际上没有可再充电的锂化学组成的电池。因此,在上一次太阳能技术开发繁荣期,用于便携式产品的太阳能供电电池充电器的理念根本不存在。
时至今日,便携式产品几乎无所不在,产品设计者对于太阳能供电功能的追求来自几个面向:他们想转向“绿色”迈进、他们没有使用电网的机会、他们只是想透过任何可获得的能源延长设备的运行寿命。太阳能充裕、方便且价格合理。在偏远应用中,太阳能也许是数量非常有限的几种可获得的能源之一。
如何撷取及保存太阳能?
太阳能板是由PV电池组装而成的大型系统,其为将阳光能量转换成电的最常见方法。尽管存在很多不同的PV电池技术,但是一块太阳能电池板的基本功能仍然保持不变:电池板受到光照时产生电流。不过,与一般的电源不同,太阳能板既不产生定电压,也不产生定电流。
图1显示Kyocera公司提供的一种40W多晶太阳能板(KC40T)的I-V曲线。这个图突出显示了设计一个太阳能供电系统的最大设计挑战之一:在电流负载有相对不太大的变化时,电池板输出电压可能具有显著的变化。此外,该I-V曲线随温度改变,因此室温时22V的开路电压在-10℃时可能升高到25V左右。
典型太阳能电池板效率的变化范围约为10%～40%。加上较大型(亦即更强大的)电池板价钱更高的实际情况,太阳能供电设计必须最大限度地提高效率,以最大限度地降低系统成本。图1说明太阳能电池板的输出功率如何随着电压和日射率(测量所接收的太阳辐射能量的单位)而变化。为了获取和保存尽可能最多的太阳能,有必要让太阳能电池板接近其最大功率点运行。
为了在一个便携式产品中有效地获取和保存太阳能,该产品必须设计成可管理变化范围很宽的输入,并找到让太阳能电池板在或接近其最大功率点运行的方法。此外,产品必须设计成可对便携式产品首选化学组成的电池安全充电。
一项简单的解决方案
便宜的铅酸蓄电池充电器简单地透过一个隔离二极管将Kyocera KC40T这类太阳能电池板直接连接到电池。铅酸蓄电池的输出电压一般很好地与很多太阳能电池板的最大功率点一致,这使得这种方法效率相当高。不过,尽管这种设计也许简单和便宜,但是太阳能板和电池特性限制了充电电流和充电电压,从而导致肯定不遵循电池制造商性能规格的充电算法(除非采用一种慢速、小电流慢充)。
此外,尽管用铅酸蓄电池可以接近最大功率,但是如果不为所选择的电池化学组成制造订制的电池板,那么这种方法就不能延用于其他化学组成的电池。没有充电控制和缺乏灵活性严重限制了这种方法的使用,尤其是对于锂离子等有复杂充电算法的电池化学组成来说更是如此。
一项更好的解决方案
进一步研究图1可看到一个有趣的事实:太阳能板的峰值输出功率出现在对所有日射率值大约相同的输出电压上。太阳能电池板制造商将这个电压称为最大功率电压。凌力尔特所提供的新型创新性电池充电器LT3652利用这个事实来提供一种精巧的太阳能供电电池充电器解决方案,该解决方案从太阳能电池板抽取可获得的最大功率。
LT3652功率追踪太阳能电池充电器运用一个稳压回路,如果电池板输出电压降至低于设定的值,那么该回路便会降低充电电流。就正在使用的特定太阳能电池板而言,这个输入电压调节回路苦保持电池板在对应于峰值输出功率点的输出电压上。一个电阻分压器设定想要的特定最大功率电压。此外,LT3652具有40V绝对最大输入电压额定值,从而允许它非常容易地满足大多数太阳能电池板的开路电压要求(甚至在低温度情况)。
图2是电池充电器原理图的一个例子。连接到VIN_REG接脚的电阻分压器将LT3652输入电压调节回路设定到17V。50mQ的检测电阻设定2A的满充电电流。如果太阳光照射情况不允许电池板提供设定的满充电电流,那么输入调节回路便会降低充电电流,以在太阳能电池板输出保持17V。这个伺服回路采取行动,将电池充电器系统的功率要求动态地降低至电池板可以提供的最大功率,因此可保持太阳能板峰值功率效率接近100%。考虑型号为340J的40W BP太阳能板。这个电池板在最大输出功率时的输出电流约为2.3A,稍高于LT3652的最大充电电流。不过,随着日射率变化,BP 340J在最大功率时的输出电流也会变化。图3绘制了相应于BP 340J最大输出功率95%和98%的电压曲线。
换言之,红色区域相当于,相对于输出电流(即变化的日射率)变化,对应于98%～100%最大输出功率的电压,而蓝色区域相当对应于95%～98%最大功率的电压。纯黑色线的位置显示,LT3652输入电压调节回路保持太阳能板接近100%的最大可获得功率。
关于温度?
到此,分析和典型曲线都集中于以25℃运行的情况。像P-N节一样,PV电池也有温度系数。这种温度系数影响太阳能电池板的开路电压以及其最大功率电压。典型的最大功率电压温度系数范围为-0.4～-0.5%/℃。对于BP 340J这类电池板来说,在0℃～75℃的工作温度范围内,这对应于5V或6V电压。LT3652输入电压调节回路的设计使温度补偿很简单。图4显示一个用便宜的3端器件精确匹配任何太阳能电池板温度系数的原理图。LM134/234/334(一个电流源和温度传感器)测量太阳能电池板的温度,并相应地调节LT3652的输入调节电压。设计方程式如图4所示,仅需要两个输入:电池板在25℃时的最大功率电压和这个电压的温度系数(注:一0.45%/℃的温度系数应该输入为-0.0045/℃)。
LT3652的输入电压调节回路可以用其他方法进行温度补偿,包括使用一个晶体管或二极管温度传感器或一个负温度系数(NTC)的热敏电阻。
弹性、功能和性能
LT3652是一个高性能单晶降压电池充电器,在4.95V～32V的输入电压范围内工作(具40V绝对最大额定值)。最大充电电流可以设定为高达2A,准确度为5%,而且其电阻可设定浮动电压可满足锂离子/聚合物、LiFeP04、铅酸蓄电池和镍化学组成电池的要求。LT3652可以配置为在充电电流降至低于设定的最大电流的1/10时终止,或用一个整合的终止定时器终止。NTC输入还提供执行温度合格充电的能力。图2显示一个2A两颗LiFeP04电池组充电器。当太阳能电池板输出电压降至低于电池电压时,一个附加的肖特基二极管为系统负载提供电源通路(PowerPath)。
图5显示一个太阳能供电的1A铅酸蓄电池充电器。这个应用运用1A恒定电流将电池快速充电至高达14.4V。当充电电流降至0.1A时,充电器切换到13.5V浮动充电模式,直到太阳下山为止(终止定时器设定为20小时)。如果电池电压降至低于13.2V,那么快速充电重新启动,而且如果电池电压低于10V,就采用慢充(150mA)。如果温度超出0℃～45℃的充电范围,NTC热敏电阻就会暂停充电。
结论
随着人们对于再生能源兴趣的日益攀升,不断加速的太阳能研究和开发,将持续使太阳能撷取和保存成本下降。基于太阳能固有的间歇性,因此大多数太阳能供电设备都需要电池。不过,太阳能电池充电器必须因应变化范围很宽的太阳能电池板输出电压,而且它们必须高效率地从电池板汲取最多功率,LT3652功率追踪太阳能电池充电器则针对这两个问题,提供了一项精小且高效能的解决方案。
时至今日,便携式产品几乎无所不在,产品设计者对于太阳能供电功能的追求来自几个面向:他们想转向“绿色”迈进、他们没有使用电网的机会、他们只是想透过任何可获得的能源延长设备的运行寿命。太阳能充裕、方便且价格合理。在偏远应用中,太阳能也许是数量非常有限的几种可获得的能源之一。
如何撷取及保存太阳能?
太阳能板是由PV电池组装而成的大型系统,其为将阳光能量转换成电的最常见方法。尽管存在很多不同的PV电池技术,但是一块太阳能电池板的基本功能仍然保持不变:电池板受到光照时产生电流。不过,与一般的电源不同,太阳能板既不产生定电压,也不产生定电流。
图1显示Kyocera公司提供的一种40W多晶太阳能板(KC40T)的I-V曲线。这个图突出显示了设计一个太阳能供电系统的最大设计挑战之一:在电流负载有相对不太大的变化时,电池板输出电压可能具有显著的变化。此外,该I-V曲线随温度改变,因此室温时22V的开路电压在-10℃时可能升高到25V左右。
典型太阳能电池板效率的变化范围约为10%～40%。加上较大型(亦即更强大的)电池板价钱更高的实际情况,太阳能供电设计必须最大限度地提高效率,以最大限度地降低系统成本。图1说明太阳能电池板的输出功率如何随着电压和日射率(测量所接收的太阳辐射能量的单位)而变化。为了获取和保存尽可能最多的太阳能,有必要让太阳能电池板接近其最大功率点运行。
为了在一个便携式产品中有效地获取和保存太阳能,该产品必须设计成可管理变化范围很宽的输入,并找到让太阳能电池板在或接近其最大功率点运行的方法。此外,产品必须设计成可对便携式产品首选化学组成的电池安全充电。
一项简单的解决方案
便宜的铅酸蓄电池充电器简单地透过一个隔离二极管将Kyocera KC40T这类太阳能电池板直接连接到电池。铅酸蓄电池的输出电压一般很好地与很多太阳能电池板的最大功率点一致,这使得这种方法效率相当高。不过,尽管这种设计也许简单和便宜,但是太阳能板和电池特性限制了充电电流和充电电压,从而导致肯定不遵循电池制造商性能规格的充电算法(除非采用一种慢速、小电流慢充)。
此外,尽管用铅酸蓄电池可以接近最大功率,但是如果不为所选择的电池化学组成制造订制的电池板,那么这种方法就不能延用于其他化学组成的电池。没有充电控制和缺乏灵活性严重限制了这种方法的使用,尤其是对于锂离子等有复杂充电算法的电池化学组成来说更是如此。
一项更好的解决方案
进一步研究图1可看到一个有趣的事实:太阳能板的峰值输出功率出现在对所有日射率值大约相同的输出电压上。太阳能电池板制造商将这个电压称为最大功率电压。凌力尔特所提供的新型创新性电池充电器LT3652利用这个事实来提供一种精巧的太阳能供电电池充电器解决方案,该解决方案从太阳能电池板抽取可获得的最大功率。
LT3652功率追踪太阳能电池充电器运用一个稳压回路,如果电池板输出电压降至低于设定的值,那么该回路便会降低充电电流。就正在使用的特定太阳能电池板而言,这个输入电压调节回路苦保持电池板在对应于峰值输出功率点的输出电压上。一个电阻分压器设定想要的特定最大功率电压。此外,LT3652具有40V绝对最大输入电压额定值,从而允许它非常容易地满足大多数太阳能电池板的开路电压要求(甚至在低温度情况)。
图2是电池充电器原理图的一个例子。连接到VIN_REG接脚的电阻分压器将LT3652输入电压调节回路设定到17V。50mQ的检测电阻设定2A的满充电电流。如果太阳光照射情况不允许电池板提供设定的满充电电流,那么输入调节回路便会降低充电电流,以在太阳能电池板输出保持17V。这个伺服回路采取行动,将电池充电器系统的功率要求动态地降低至电池板可以提供的最大功率,因此可保持太阳能板峰值功率效率接近100%。考虑型号为340J的40W BP太阳能板。这个电池板在最大输出功率时的输出电流约为2.3A,稍高于LT3652的最大充电电流。不过,随着日射率变化,BP 340J在最大功率时的输出电流也会变化。图3绘制了相应于BP 340J最大输出功率95%和98%的电压曲线。
换言之,红色区域相当于,相对于输出电流(即变化的日射率)变化,对应于98%～100%最大输出功率的电压,而蓝色区域相当对应于95%～98%最大功率的电压。纯黑色线的位置显示,LT3652输入电压调节回路保持太阳能板接近100%的最大可获得功率。
关于温度?
到此,分析和典型曲线都集中于以25℃运行的情况。像P-N节一样,PV电池也有温度系数。这种温度系数影响太阳能电池板的开路电压以及其最大功率电压。典型的最大功率电压温度系数范围为-0.4～-0.5%/℃。对于BP 340J这类电池板来说,在0℃～75℃的工作温度范围内,这对应于5V或6V电压。LT3652输入电压调节回路的设计使温度补偿很简单。图4显示一个用便宜的3端器件精确匹配任何太阳能电池板温度系数的原理图。LM134/234/334(一个电流源和温度传感器)测量太阳能电池板的温度,并相应地调节LT3652的输入调节电压。设计方程式如图4所示,仅需要两个输入:电池板在25℃时的最大功率电压和这个电压的温度系数(注:一0.45%/℃的温度系数应该输入为-0.0045/℃)。
LT3652的输入电压调节回路可以用其他方法进行温度补偿,包括使用一个晶体管或二极管温度传感器或一个负温度系数(NTC)的热敏电阻。
弹性、功能和性能
LT3652是一个高性能单晶降压电池充电器,在4.95V～32V的输入电压范围内工作(具40V绝对最大额定值)。最大充电电流可以设定为高达2A,准确度为5%,而且其电阻可设定浮动电压可满足锂离子/聚合物、LiFeP04、铅酸蓄电池和镍化学组成电池的要求。LT3652可以配置为在充电电流降至低于设定的最大电流的1/10时终止,或用一个整合的终止定时器终止。NTC输入还提供执行温度合格充电的能力。图2显示一个2A两颗LiFeP04电池组充电器。当太阳能电池板输出电压降至低于电池电压时,一个附加的肖特基二极管为系统负载提供电源通路(PowerPath)。
图5显示一个太阳能供电的1A铅酸蓄电池充电器。这个应用运用1A恒定电流将电池快速充电至高达14.4V。当充电电流降至0.1A时,充电器切换到13.5V浮动充电模式,直到太阳下山为止(终止定时器设定为20小时)。如果电池电压降至低于13.2V,那么快速充电重新启动,而且如果电池电压低于10V,就采用慢充(150mA)。如果温度超出0℃～45℃的充电范围,NTC热敏电阻就会暂停充电。
结论
随着人们对于再生能源兴趣的日益攀升,不断加速的太阳能研究和开发,将持续使太阳能撷取和保存成本下降。基于太阳能固有的间歇性,因此大多数太阳能供电设备都需要电池。不过,太阳能电池充电器必须因应变化范围很宽的太阳能电池板输出电压,而且它们必须高效率地从电池板汲取最多功率,LT3652功率追踪太阳能电池充电器则针对这两个问题,提供了一项精小且高效能的解决方案。