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摘 要 本文旨在设计一种新型充电电路，利用太阳能对锂电池进行充电。通过TD1410芯片实现降压型电路设计，对太阳能电池电压的输出进行稳压，继而对锂电池进行充电，并且对电路板进行了多次测试。结果表明，电路稳压充电效果良好，为利用太阳能对锂电池进行充电的充电器设计提供了参考。
关键词 太阳能 TD1410 降压电路 锂电池充电
中图分类号：TK513 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.024
Abstract The purpose of this paper is to design a new charging circuit， using solar energy to charge the lithium battery. Through the TD1410 chip to achieve step-down circuit design， the output voltage of the solar cell voltage， and then charge the lithium battery， and the circuit board has been tested for many times. The results show that the circuit has a good effect， and it can be used as reference for the design of charger for lithium battery.
Key words solar； TD1410； step-down circuit； lithium battery charging
太阳能作为一种可再生能源，从发展之初就备受关注。如今，经过近六十年的研究，太阳能电池的应用技术已经相对成熟。太阳能型移动电源在长日照地区有很大的运用空间，可以通过充足的光照补充电量。然而，它容易受到天气特别是光照的影响，使得输出电流波动较大。若将太阳能电池的电压和电流进行调节使其稳定，满足锂电池充电需求，便能解决该问题，从而可以在偏远落后地区或者通电困难的情况满足供能需求。
锂电池作为一种便携式可充电池，具有能量密度高，寿命长，充电功率范围广等突出优点。本文采用了太阳能电池通过降压电路对锂电池进行供电，实现功率的稳定输出，避免了大幅波动的电流产生，同時具有过电流保护和短路电流保护功能。
1 太阳能电池工作特点
常见的太阳能电池以光电效应工作，特性类似二极管。当太阳能电池被阳光照射时，半导体材料p-n结产生新的空穴-电子对。在p-n结电场作用下，空穴向P区运动，形成负电荷区；而电子向N区运动，在N区形成正电荷区。两区域间的电动势因此产生，接上电路后电流便可形成。
由于太阳能发电板的输出电流和电压是随电池板上有效光照强度变化而波动。所以一般无法用太阳能电池直接给用电系统供电。因而考虑先将太阳能电池的能量存储起来，再通过蓄电池进行供电。这便要求充电电路能够适应太阳能电池的电压——电流输出特性，并且能提供稳定的充电电压和充电电流。
2 电路设计
单块锂电池的充电电压为低于4.2V的恒流或4.2V时恒压充电模式，若充电电压超过4.25V，则会损伤电池。因此，充电电路中芯片电压典型值在4.2V左右。
基于太阳能电池板的浮动电压——电流的输出特性和锂电池的特性，我们拟使用以TD1410（PWM Buck DC/DC Converter）为核心的脉宽调制降压型直流/直流变换电路作为充电电路。
2.1 降压斩波电路的基本原理
如图1所示，这是一个降压斩波电路结构简图，E为直流电源，V为晶闸管，VD为续流二极管，设电感L值很大，电容C值也很大，使电感电流和电容电压即负载电压E基本为恒定值。
V导通时，电源E向电感L供电并使其蓄能，电路中电流为。此时，电容C维持输出电压恒定并供电给负载R，负载电压E，负载电流按指数曲线上升；
V断开后，电感L的能量向R供能，电流为，负载电压与电源电压极性相反。负载电流经二极管VD续流，负载电压I/O近似为0，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且波动小，电路中串接的电感L值较大，负载电压的平均值为：
= = =
改变占空比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0< <1/2时为降压；当1/2<<1时为升压。根据该原理，搭建出降压电路基本结构，如图2所示。
2.2 基于TD1410降压充电电路设计
图2中TD1410芯片固定频率为380KHZ，为脉冲宽度调制电路，是一款开关型的降压转换电路。内部集成了功率晶体管，使电源电压在3.6V-20V范围波动情况下能够稳定输出2A电流。以图1所示的降压斩波电路作为模板，太阳能电池的电压在15～20V浮动，作为左端的直流输入。电路中的电容起到滤波和减少电压波动的作用。TD1410的八个引脚需要用到五个。输出端连接的SS34（肖特基二极管）其作用有二：一是起开关电路输出续流作用，保持输出电流的连续性；二是起反向隔离作用，防止输出端的11.1V电压反向影响输入端。在理论上认为电感值为无穷大，在实际工程运用中，考虑电感性能和经济性两个指标，选用15uh的电感。调节和可以改变输出电压和电流，即改变占空比。该设计具有良好的带负载能力和线性特性，适应0～100%的占空比，具有过电流保护和短路电流保护功能。
3 电路测试
锂电池太阳能充电电路设计基于图2完成。考虑到实验过程中，电压和电流等参量会受到天气和光照等因素的影响，本实验选取了在光照强度理想的情况下，在不同时刻对锂电池进行充电测试分析。太阳能电池开路电压20V，短路电流1.2A，最大功率电压20V，最大功率电流1.1A；电池包采用3块锂电池串联，标称电压11.1V，最大充电电压14.3V，放电欠压保护9V，最大充电电流3A。 因为光照强度的变化最终导致的是输入电压电流的变化，所以我们选取电压和电流作为输入变量。分析实验测试数据，与输入电压相比，充电电压有明显下降，并且波动幅度明显小于输入电压的波动，如图3所示。对比图4中的输入电流和充电电流，可以发现当输入电流大于0.95A时，充电电流略小于输入电流；当输入电流小于0.95A时，充电电流略大于输入电流，这表明在充电过程中，电路可以对充电电压和充电电流进行调节，使其满足锂电池的充电需求，同时，减小电压和电流的波动，保证了充电的稳定性。
4 结论
本设计使用TD1410作为充电管理芯片，针对3S锂电池和太阳能电池特性，设置合适的充电电压和充电电流，搭建出了能量转换电路，实现了太阳能电池板对锂电池的稳定有效充电，并且满足锂电池和太阳能电池板的使用要求。通过实验测试表明，电路可以对充电电压和充电电流进行调节，使其满足锂电池的充电需求，并且减小了电压和电流的波动，在一定范围内时都能实现了正常充电。此外，该设计还具有过电流保护和短路电流保护功能。然而充电效率还有待提高。
*通讯作者：余醉仙
参考文献
[1] 翟佳洁.太阳能路灯控制硬件电路设计[J].绿色科技，2014（2）.
[2] 何朝阳，戴军，吴丽琴.太阳能路灯控制器的设计[J].电子技术，2006（12）.
[3] 崔容强，赵春江，吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].化学工业出版社，2007.7.
[4] 黄汉云.太阳能光伏发电应用原理[M].化学工业出版社，2009.3.
[5] 罗玉峰，陈裕先，李玲.太阳能光伏发电技术[M].江西高校出版社，2009.6.
[6] MOTOROLA TL494 Datasheet 1996.
[7] Varghese， M.P.， A. Manjunatha and C.N. Raghu. An inventive approach of stability for Voltage Regulator Modules with high frequency multiphase buck converters in Power Electronics[C]. Drives and Energy Systems （PEDES）， 2012 IEEE International Conference. 2012. Bengaluru.
[8] 馮显争，李训铭.智能型太阳能充电电路设计[J].东南大学学报（自然科学版），第38卷，增刊（II）2008.11.
[9] Jaw-Kuen，S.，et al.，Design ofa Solar Power Management System for an Experimental UAV. Aerospace and Electronic Systems[J]，IEEE Transactions on，2009.45（4）： p.1350-1360.
[10] 单祥茹.基础元件介绍——半导体二极管[J].中国电子商情（基础电子），2011 （4）：72-76；78.
关键词 太阳能 TD1410 降压电路 锂电池充电
中图分类号：TK513 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.024
Abstract The purpose of this paper is to design a new charging circuit， using solar energy to charge the lithium battery. Through the TD1410 chip to achieve step-down circuit design， the output voltage of the solar cell voltage， and then charge the lithium battery， and the circuit board has been tested for many times. The results show that the circuit has a good effect， and it can be used as reference for the design of charger for lithium battery.
Key words solar； TD1410； step-down circuit； lithium battery charging
太阳能作为一种可再生能源，从发展之初就备受关注。如今，经过近六十年的研究，太阳能电池的应用技术已经相对成熟。太阳能型移动电源在长日照地区有很大的运用空间，可以通过充足的光照补充电量。然而，它容易受到天气特别是光照的影响，使得输出电流波动较大。若将太阳能电池的电压和电流进行调节使其稳定，满足锂电池充电需求，便能解决该问题，从而可以在偏远落后地区或者通电困难的情况满足供能需求。
锂电池作为一种便携式可充电池，具有能量密度高，寿命长，充电功率范围广等突出优点。本文采用了太阳能电池通过降压电路对锂电池进行供电，实现功率的稳定输出，避免了大幅波动的电流产生，同時具有过电流保护和短路电流保护功能。
1 太阳能电池工作特点
常见的太阳能电池以光电效应工作，特性类似二极管。当太阳能电池被阳光照射时，半导体材料p-n结产生新的空穴-电子对。在p-n结电场作用下，空穴向P区运动，形成负电荷区；而电子向N区运动，在N区形成正电荷区。两区域间的电动势因此产生，接上电路后电流便可形成。
由于太阳能发电板的输出电流和电压是随电池板上有效光照强度变化而波动。所以一般无法用太阳能电池直接给用电系统供电。因而考虑先将太阳能电池的能量存储起来，再通过蓄电池进行供电。这便要求充电电路能够适应太阳能电池的电压——电流输出特性，并且能提供稳定的充电电压和充电电流。
2 电路设计
单块锂电池的充电电压为低于4.2V的恒流或4.2V时恒压充电模式，若充电电压超过4.25V，则会损伤电池。因此，充电电路中芯片电压典型值在4.2V左右。
基于太阳能电池板的浮动电压——电流的输出特性和锂电池的特性，我们拟使用以TD1410（PWM Buck DC/DC Converter）为核心的脉宽调制降压型直流/直流变换电路作为充电电路。
2.1 降压斩波电路的基本原理
如图1所示，这是一个降压斩波电路结构简图，E为直流电源，V为晶闸管，VD为续流二极管，设电感L值很大，电容C值也很大，使电感电流和电容电压即负载电压E基本为恒定值。
V导通时，电源E向电感L供电并使其蓄能，电路中电流为。此时，电容C维持输出电压恒定并供电给负载R，负载电压E，负载电流按指数曲线上升；
V断开后，电感L的能量向R供能，电流为，负载电压与电源电压极性相反。负载电流经二极管VD续流，负载电压I/O近似为0，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且波动小，电路中串接的电感L值较大，负载电压的平均值为：
= = =
改变占空比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0< <1/2时为降压；当1/2<<1时为升压。根据该原理，搭建出降压电路基本结构，如图2所示。
2.2 基于TD1410降压充电电路设计
图2中TD1410芯片固定频率为380KHZ，为脉冲宽度调制电路，是一款开关型的降压转换电路。内部集成了功率晶体管，使电源电压在3.6V-20V范围波动情况下能够稳定输出2A电流。以图1所示的降压斩波电路作为模板，太阳能电池的电压在15～20V浮动，作为左端的直流输入。电路中的电容起到滤波和减少电压波动的作用。TD1410的八个引脚需要用到五个。输出端连接的SS34（肖特基二极管）其作用有二：一是起开关电路输出续流作用，保持输出电流的连续性；二是起反向隔离作用，防止输出端的11.1V电压反向影响输入端。在理论上认为电感值为无穷大，在实际工程运用中，考虑电感性能和经济性两个指标，选用15uh的电感。调节和可以改变输出电压和电流，即改变占空比。该设计具有良好的带负载能力和线性特性，适应0～100%的占空比，具有过电流保护和短路电流保护功能。
3 电路测试
锂电池太阳能充电电路设计基于图2完成。考虑到实验过程中，电压和电流等参量会受到天气和光照等因素的影响，本实验选取了在光照强度理想的情况下，在不同时刻对锂电池进行充电测试分析。太阳能电池开路电压20V，短路电流1.2A，最大功率电压20V，最大功率电流1.1A；电池包采用3块锂电池串联，标称电压11.1V，最大充电电压14.3V，放电欠压保护9V，最大充电电流3A。 因为光照强度的变化最终导致的是输入电压电流的变化，所以我们选取电压和电流作为输入变量。分析实验测试数据，与输入电压相比，充电电压有明显下降，并且波动幅度明显小于输入电压的波动，如图3所示。对比图4中的输入电流和充电电流，可以发现当输入电流大于0.95A时，充电电流略小于输入电流；当输入电流小于0.95A时，充电电流略大于输入电流，这表明在充电过程中，电路可以对充电电压和充电电流进行调节，使其满足锂电池的充电需求，同时，减小电压和电流的波动，保证了充电的稳定性。
4 结论
本设计使用TD1410作为充电管理芯片，针对3S锂电池和太阳能电池特性，设置合适的充电电压和充电电流，搭建出了能量转换电路，实现了太阳能电池板对锂电池的稳定有效充电，并且满足锂电池和太阳能电池板的使用要求。通过实验测试表明，电路可以对充电电压和充电电流进行调节，使其满足锂电池的充电需求，并且减小了电压和电流的波动，在一定范围内时都能实现了正常充电。此外，该设计还具有过电流保护和短路电流保护功能。然而充电效率还有待提高。
*通讯作者：余醉仙
参考文献
[1] 翟佳洁.太阳能路灯控制硬件电路设计[J].绿色科技，2014（2）.
[2] 何朝阳，戴军，吴丽琴.太阳能路灯控制器的设计[J].电子技术，2006（12）.
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[5] 罗玉峰，陈裕先，李玲.太阳能光伏发电技术[M].江西高校出版社，2009.6.
[6] MOTOROLA TL494 Datasheet 1996.
[7] Varghese， M.P.， A. Manjunatha and C.N. Raghu. An inventive approach of stability for Voltage Regulator Modules with high frequency multiphase buck converters in Power Electronics[C]. Drives and Energy Systems （PEDES）， 2012 IEEE International Conference. 2012. Bengaluru.
[8] 馮显争，李训铭.智能型太阳能充电电路设计[J].东南大学学报（自然科学版），第38卷，增刊（II）2008.11.
[9] Jaw-Kuen，S.，et al.，Design ofa Solar Power Management System for an Experimental UAV. Aerospace and Electronic Systems[J]，IEEE Transactions on，2009.45（4）： p.1350-1360.
[10] 单祥茹.基础元件介绍——半导体二极管[J].中国电子商情（基础电子），2011 （4）：72-76；78.