太阳能充电电路的设计

太阳能充电电路的设计

0抗起毛检波器工作hawuku3000fsu采用电池袋供电，6.6ah的电池包可满足hawuku3000fsu和vectorseisu30003c通道的数字检波器连续工作4天。为了延长电池的供电时间,可以采用太阳能电池板加锂电池的方案给采集站供电,采用何种太阳能电池板和锂电池能有效延长供电时间不是本文讨论的内容。本文的目的是针对已经选择好的太阳能电池板和锂电池,设计出一种合适的充电电路,尽可能提高充电效率并保证电路和设备安全,以满足上述应用需要。1u3000个电路应用介绍1.1太阳能充电锂电池充电电路板、太阳能电池板和锂离子电池包三者组装在一起成为太阳能充电锂电池。它的主要功能是给Hawku3000FSU供电,在阳光允许的情况下给锂电池包充电,并且允许使用Hawk系统充电柜对锂电池包进行充电。(1)能源板的主要性能最大功率电压:18.0V;工作环境温度:-40℃~+80℃;(2)u3000充电电路电池包放电欠压保护:9.6V;最大充电电流:5A。充电电路的充电过程需要和标准锂电池充电曲线一致,锂电池理想的充电曲线如图1所示。此锂电池充电曲线可以分为四个阶段。第一阶段为预充电阶段,当电池深度放电以后,开路电压小于预充电的电压阈值,充电电路应首先用0.1C的充电电流进行预充电;第二阶段为恒流充电阶段,当电池的电压高于此阈值后进入恒流充电阶段,通常充电电流设定为0.2C~0.5C;第三阶段为恒压充电阶段,当电池电压充到最终调整电压,对于Hawku3000FSU电池包就是16.8V,进入恒压充电阶段。恒压充电通常持续2~3h,或者当充电电流下降至0.1C时,停止给电池充电;之后是电池的使用期,电池电压会逐渐下降,当电压下降至再充电阈值时进入第四阶段;第四阶段为再充电阶段,充电电路重新发起新的充电循环,即恒流恒压充电。由于太阳能电池板的最大功率电压是18V,而电池包的最大充电电压不超过17.4V,目前设置为16.8V,充电电路必须采用必要的措施降低输出电压,同时兼顾充电效率。采集站和电池包的工作环境温度为-40℃~+65℃,电路设计必须满足上述温度条件,考虑到锂电池的化学特性,充电必须在0℃~+45℃范围内进行,其他温度条件下不得进行充电。充电电路应该有必要的保护措施,如具备输出短路、输入过压和欠压保护、充电完成停止和再次充电启动功能。此外,要求电路功耗小,充电电路由太阳能电池板供电。根据太阳能电池板能量产生原理,要实现最大功率充电,充电电路最好能实现最大功率点跟踪,即MPPT(Maximumu3000Poweru3000Pointu3000Tracking),通常采用的方法是维持太阳能电池板的输出电压为最大功率电压。我们所选择的太阳能电池板在25℃时最大功率电压为18V,当太阳能板功率降低时,降低充电电流。当电池板功率升高时,增加充电电流,以维持18V的最大功率电压。2电路图设计电路设计图2是本设计的电路原理图,图中左边插头J1连接太阳能电池板,右侧两个插头J2和J3分别连接锂电池包和Hawku3000FSU电源插头。右侧设计两个插头的目的是为了不影响Hawk系统充电柜对太阳能电池充电,并且利用电池包中的温度传感器。电路图主要分为芯片管理、MPPT电路部分、充电温度控制、充电输出调整等几部分电路组成。下面将对各部分电路原理和关键元器件参数设计逐一进行详细介绍。本设计采用TI公司的BQ24650作为电路的充电控制芯片,它是一种开关模式降压型充电管理芯片,可以作为恒定频率同步脉宽调制(PWM)控制器,提供高精度电压电流调节,输出充电电压电流调节精度可以分别达到±0.5%和±3%。当输入电源为太阳能电池板时,具有MPPT调节功能,即输入环路电路会降低充电电流以维持电池板的最大功率电压,其电压调节精度可以达到±0.6%。芯片具备标准锂电池充电流程控制功能,即预充电、恒流充电、恒压充电过程,同时具有充电结束再充电和充电状态监测等功能。芯片支持5~28V输入电压,充电电池电压范围为2.1~26V。2.1u3000电池检测电路电路的输出部分由分压电阻R11和R12、电流检测电阻R10、输出滤波电感L1、滤波电容C7和C10组成。电阻R11和R12分压后连接到管脚8(VFB),组成浮充电压反馈环路,这是一个电压精度为0.5%的电压控制环路,浮充电压由公式(1)决定。式中:VBAT表示充电电路的浮充电压,分压电阻R11和R12需采用高精度电阻,为减少电流损耗,阻值最好大于100kΩ。本设计R11取值698kΩ,R12取值100kΩ,计算浮充电压为16.8V。R10是充电电流检测电阻,充电电流检测管脚9(SRN)和10(SRP)的最大差分电压被芯片设定为40mV,对于本设计的6W/18V太阳能电池板和Hawku3000FSU锂电池包,最大充电电流不超过500mA。如果设置电路的最大充电电流为500mA,电流检测电阻采用80mΩ比较合适。充电电流的检测值还作为充电停止的条件之一。例如,当电路进入恒压充电阶段,充电电流会逐渐减少,当减少到最大充电电流的十分之一,即50mA时,充电将会停止并等待下一个充电循环开始。值得说明的是充电停止还有一个重要条件是,当时的充电电压需大于一个门槛值,对于本设计的16.8V浮充电压,这个门槛值是16.4V,并且这两个条件需要至少持续250ms才可以触发充电停止。芯片具有电池检测功能,只有在充电端连接有电池,并且电池电压小于再次充电门槛,电路才启动充电流程,当然是否充电还需其他条件,比如环境温度等。电池检测流程由芯片内部电路完成,过程比较复杂不再赘述,但是这个检测电路要求输出电容容量小于电池检测最大电容量Cmax,具体计算方法见公式(2),公式中的符号下标与充电原理图2对应,式(2)中IDISCH表示放电电流,tDISCH表示放电时间,并且有IDISCH=8mA,tDISCH=1s。此外还需要注意有的陶瓷电容具有直流偏压效应,特别是应用在充电电路输出端,较大的直流电压可能会使陶瓷电容的容值下降,特别对于小容量的陶瓷电容更为明显,因此要选择较高耐压值的电容,对于本设计建议选用耐压标称值为35V,介电常数为X7R的陶瓷电容比较合适。2.2u3000最大功率电压mppt的实现根据太阳能电池板能量产生原理,要实现最大功率充电,充电电路最好能实现最大功率点跟踪,即MPPT(Maximumu3000Poweru3000Pointu3000Tracking)。要实现电路的MPPT功能,只要用分压电阻R3和R4把太阳能电池板输出端的电压设置为最大功率电压即可。电路正常工作时,管脚2电压为1.2V,如果太阳能电池板不能提供足够的功率,导致输入电压下降,管脚2的电压也将下降,芯片的输入电压调节环路会立即适当减小充电电流以维持管脚2的正常电压1.2V,同时也维持输入端VIN的最大功率电压。当太阳能电池板恢复到较高的功率后,由于管脚2电压上升,芯片将适当增加充电电流,维持太阳能电池板的最大功率电压,也就实现了MPPT功能。应用中一个不可忽视的问题是,Hawku3000FSU使用环境随季节不同温度跨度较大,完全可以覆盖电路的充电温度范围0℃~45℃,而太阳能电池板的最大功率电压具有线性负温度特性,也就是说当环境温度上升时,电池板的最大功率电压会变小,环境温度下降时,电池板的最大功率电压会变大,通常太阳能电池板厂家给出的最大功率电压是在环境温度为25℃的标称值。因此充电电路需要具有温度补偿的MPPT功能,即在25℃环境温度充电时,最大功率跟踪电压为18V,当环境温度上升,最大功率跟踪电压必须跟随电池板的负温度特性相应变小,反之相应变大,跟踪电压值与电池板保持一致。为了跟踪太阳能电池板最大功率电压的负温度变化,电路采用TI公司三端电流源LM134,外接电阻R5以及分压电阻R3和R4组成温度补偿MPPT电路,产生随环境温度线性变化的电流以补偿负温度特性太阳能电池板的最大功率电压变化。为了便于说明,将电路图中温度补偿部分重绘成如图3所示,只要根据电池板的参数计算出R3和R4的阻值即可。下面是计算过程,读者可以根据不同太阳能电池板参照计算即可。由图3可以得到等式(3):式中:VIN表示电池板的输出电压,I2和ISET表示图示支路电流值,式中VREG是BQ24650芯片的MPPT控制管脚设置电压,计算时取值1.2V。等式两边对温度微分,整理后得到R3计算公式:式中:dVIN/dT是太阳能电池板最大功率电压温度变化率,厂家一般都会给出这个参数,R5通常取1000Ω。由图3还可以得到等式(5):整理并代入25℃的相应参数值得到计算R4的计算公式(6):式中:VIN(25℃)是太阳能电池板在环境温度25℃时的最大功率电压,针对本设计取值18V。2.3u3000织物的充电性能管脚6(VREF)是芯片产生的3.3V参考电压引脚,连同外接电阻R6、R7和NTC热敏电阻RT1组成温度控制的外围电路。芯片正常工作后,将连续监视管脚4(TS)的电压值,只有电压值在允许的门槛值范围之内,并且其它充电条件满足时,才会启动充电流程,具体的控制过程可以参见图4。当管脚4电压小于VLTF并且大于VHTF时,芯片启动充电流程,否则不予充电。在充电过程中,如果由于环境温度变化导致管脚4电压大于VLTFH或者小于VTCO,芯片将通过关闭开关管Q1A和Q1B停止给电池充电,等待管脚4电压返回VLTF和VHTF之间。VLTF是低温门槛电压,电压值为2.426V;VHTF是高温门槛电压,电压值为1.568V;VTCO是高温截止门槛电压,电压值为1.485V;VLTFH是低温门槛迟滞电压,电压值为2.439V。温控电路要根据选用的温度传感器参数计算出R6和R7阻值。目前Hawku3000FSU电池包采用型号为103AT-4的NTC热敏传感器,它在25℃的阻值为10kΩ,B(材料常数)值为3435±1%。由于产品制造精度存在误差,请参考器件手册获取传感器在0℃和45℃的电阻,然后由公式(7)和公式(8)计算出R6和R7的阻值。式中:VREF是3.3V的参考电压,RCOLD和RHOT分别是温度传感器在0℃和45℃的电阻值,代入其他参数值可以计算得出R6和R7的电阻值。需要说明的是这两个电阻和上节MPPT电路的电阻都需采用精度高于1%的电阻。3组成及其设计要点上述电路在做印制电路板(PCB)设计时需要注意以下事项,否则电路性能会受到影响,甚至不能正常工作。电容C9和C12尽量靠近开关管Q1A的漏极,用较短且宽的走线连接;电容的接地线也同样采用尽量短而宽的走线连接,若是连接地平面,注意要使用较大的过孔以承载足够的电流。其他退耦电容同样采用类似方法,例如电容C2,C3,C5等。BQ24650芯片尽可能靠近开关管,电感L1的输入端尽可能靠近两个开关管的输出管脚,并且它们之间走线的铜皮面积越小越好,以减少由此产生的电磁辐射,但要保证走线能承载足够的充电电流。电感L1包括走线最好和芯片放置到同一层面上,以防止产生不必要的寄生电容。充电电流检测电阻R10尽可能靠近电感L1,从R10两端到芯片的电流检测走线必须放到同一走线层,并且相互靠近减少环路面积,即采用开尔文连接方法,避免走线进入包含开关管在内的高电流通路区域,在开尔文走线靠近芯片区域放置退耦电容C4。位于芯片BQ24650背面的第17管脚EPAD除了有电气连接的作用,还兼有散热功能,必须焊接到PCB板上,并且在焊盘上打上过孔连接到对应的地平面上,充电电流的大小决定过孔数量,小的充电电流可以用5个过孔,大的充电电流可以用9个过孔,最好用采用星型排列的方式,过孔的直径不宜过大,通常情况下应小于0.3mm,孔间距以1mm左右为宜。为了防止焊料泄漏,可以在板子底部对过孔进行遮盖或堵塞,具体方法可以咨询PCB生产厂家。根据PCB的设计要求,地平面分割设计为PGND和AGND两个地平面,并采用单点接地的方法把两个地平面连接起来。从图2可以看出,整个充电电路采用了两个接地回路,即充电功率地PGND和模拟地AGND,主要是为了避免开关充电回路对模拟控制电路的电磁干扰。PCB布局时,电路充电部分和控制部分最好分开布局,前者与功率地对应,后者与模拟地对应。输出电容C7与C10和输入电容C9与C12一定连接到同一个地,即功率地PGND,电路中其它的地连接也必须连接到对应的地平面。4u3000试验结果4.1正常充电测试在电路的实际应用中,由于季节和天气等原因,太阳能电池板的输出电流大小会有变化,最佳日照情况下,可以输出330mA的最大功率电流。为了得到100~330mA的输出电流,本测试采用电压电流可调直流电源模拟太阳能电池板,试验中调节直流电源输出电流大小来仿真不同强弱阳光条件下电池板的电流输出。表1是正常充电中某次测试数据,从表1数据可以得到下述结论:充电电流可以大于输入电流,提高了充电效率;小电流充电条件下也可以达到较高的充电效率,例如100mA充电电流可以达到81.2%的充电效率,这在线性充电电路和通常开关式充电电路中是很难达到的。4.2温度对充电电压的影响为了减少测试复杂度,用可调线性电阻器代替温度传感器。测试过程中缓慢改变可调电阻器的阻值,当电路开始充电和充电停止时,测量可调电阻阻值和管脚4(TS)电压值。例如当电阻值由30kΩ向25kΩ改变时,相当于环境温度由0℃以下向0℃以上过渡,相反方向改变电阻值时,则相当于环境温度由0℃以上向0℃以下过渡,用同样的方法可以模拟充电电路在45℃的变化状况,这里仅仅给出模拟环境温度为0℃变化的测试数据,见表2。从表2数据可以看出,温度传感器在0℃开始充电时的电阻值是25.61kΩ左右,充电电压值为2