即使以當前的消耗速度，地球從太陽接收的能量是世界使用能量的數千倍。盡管這種潛在能源是免費的，但是獲取、保存和使用這種能源所必需的技術卻不是免費的。不過，經過幾十年的蟄伏，太陽能開發(fā)正在再一次加速，而且太陽能的成本也在不斷下降。
自上世紀70年代石油危機以來，電池技術已經顯著改進。盡管1970年就可獲得鉛酸蓄電池，但那時鎳化學組成的電池仍處于初期，而且實際上沒有可再充電的鋰化學組成的電池。因此，在上一次太陽能技術開發(fā)繁榮期，用于便攜式產品的太陽能供電電池充電器的理念根本不存在。
今天，便攜式產品似乎無所不在，產品設計師夢想太陽能供電功能出于幾個原因：他們想向“綠色”轉變；他們沒有使用電網的機會；他們只是想通過任何可獲得的能源延長設備的運行壽命。太陽能充裕、方便且價格合理。在偏遠應用中，太陽能也許是數量非常有限的幾種可獲得的能源之一。
怎樣獲取和保存太陽能
太陽能電池板是由光生伏打 (PV) 電池組裝而成的大型系統(tǒng)，是將陽光能量轉換成電的最常見方法。盡管存在很多不同的 PV 電池技術，但是一塊太陽能電池板的基本功能仍然保持不變：電池板受到光照時產生電流。不過，與一般的電源不同，太陽能電池板既不產生恒定電壓，也不產生恒定電流。
圖 1：Kyocera KC40T 特性
Cell Temperature：電池溫度
Current：電流
Power：功率
Voltage：電壓
圖 1 顯示 Kyocera 公司提供的一種 40W 多晶太陽能電池板 (KC40T) 的 I-V 曲線。這個圖突出顯示了設計一個太陽能供電系統(tǒng)的最大設計挑戰(zhàn)之一：在電流負載有相對不太大的變化時，電池板輸出電壓可能顯著變化。此外，該 I-V 曲線隨溫度改變，因此室溫時 22V 的開路電壓在 -10°C 時可能升高到 25V 左右。
典型太陽能電池板效率的變化范圍約為 10% 至 40%。加上較大型 (也即更強大的) 電池板價錢更高的實際情況，太陽能供電設計必須最大限度地提高效率，以最大限度地降低系統(tǒng)成本。圖 1 說明太陽能電池板的輸出功率如何隨著電壓和日射率 (測量所接收的太陽輻射能量的單位) 而變化。為了獲取和保存盡可能最多的太陽能，有必要讓太陽能電池板接近其最大功率點運行。
為了在一個便攜式產品中有效地獲取和保存太陽能，該產品必須設計成可管理變化范圍很寬的輸入，并找到讓太陽能電池板在或接近其最大功率點運行的方法。此外，產品必須設計成可對便攜式產品首選化學組成的電池安全充電。
一種簡單的解決方案
便宜的鉛酸蓄電池充電器簡單地通過一個隔離二極管將 Kyocera KC40T 這類太陽能電池板直接連接到電池。鉛酸蓄電池的輸出電壓一般很好地與很多太陽能電池板的最大功率點一致，這使得這種方法效率相當高。不過，盡管這種設計也許簡單和便宜，但是太陽能電池板和電池特性限制了充電電流和充電電壓，從而導致肯定不遵循電池制造商性能規(guī)格的充電算法 (除非采用一種慢速、小電流涓流充電)。此外，盡管用鉛酸蓄電池可以接近最大功率，但是如果不為所選擇的電池化學組成制造定制的電池板，那么這種方法就不能延用于其它化學組成的電池。沒有充電控制和缺乏靈活性嚴重限制了這種方法的使用，尤其是對于鋰離子等有復雜充電算法的電池化學組成來說，更是這樣。
一種更好的解決方案
進一步研究圖 1 揭示出一個有趣的事實：太陽能電池板的峰值輸出功率出現在對所有日射率值大約相同的輸出電壓上。太陽能電池板制造商將這個電壓稱為最大功率電壓。凌力爾特公司提供的新型創(chuàng)新性電池充電器 LT3652 利用這個事實來提供一種簡練的太陽能供電電池充電器解決方案，該解決方案從太陽能電池板抽取可獲得的最大功率。LT3652 功率跟蹤太陽能電池充電器運用一個調節(jié)環(huán)路，如果電池板輸出電壓降至低于設定的值，那么該環(huán)路就降低充電電流。就正在使用的特定太陽能電池板而言，這個輸入電壓調節(jié)環(huán)路保持電池板在對應于峰值輸出功率點的輸出電壓上。一個電阻分壓器設定想要的特定最大功率電壓。此外，LT3652 具有 40V 絕對最大輸入電壓額定值，從而允許它非常容易地滿足大多數太陽能電池板的開路電壓要求 (甚至在低溫度情況)。
圖 2：用于 7.2V LiFePO4 電池、具 17V 峰值功率跟蹤的 2A 太陽能電池板電源管理器
SOLAR PANEL INPUT：太陽能電池板輸入
OC VOLTAGE：開路電壓
SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負載
2-CELL LiFePO4 (2 x 3.6V) BATTERY PACK：兩節(jié)LiFePO4 (2 x 3.6V) 電池組
圖 2 是電池充電器原理圖的一個例子。連接到 VIN_REG 引腳的電阻分壓器將 LT3652 輸入電壓調節(jié)環(huán)路設定到 17V。50m 的檢測電阻設定 2A 的滿充電電流。如果太陽光照射情況不允許電池板提供設定的滿充電電流，那么輸入調節(jié)環(huán)路就降低充電電流，以在太陽能電池板輸出保持 17V。這個伺服環(huán)路采取行動，將電池充電器系統(tǒng)的功率要求動態(tài)地降低至電池板可以提供的最大功率，因此可保持太陽能電池板峰值功率效率接近 100%。考慮型號為 340J 的 40W BP 太陽能電池板。這個電池板在最大輸出功率時的輸出電流約為 2.3A，稍高于 LT3652 的最大充電電流。不過，隨著日射率變化，BP 340J 在最大功率時的輸出電流也會變化。圖 3 繪制了相應于 BP 340J 最大輸出功率 95% 和 98% 的電壓曲線。換言之，紅色區(qū)域相當于，相對于輸出電流 (即變化的日射率) 變化，對應于 98% 至 100% 最大輸出功率的電壓，而藍色區(qū)域相當對應于 95% 至 98% 最大功率的電壓。純黑色線的位置顯示，LT3652 輸入電壓調節(jié)環(huán)路保持電池板接近 100% 的最大可獲得功率。
圖 3：太陽能電池板輸入電壓調節(jié)以高于 98% 的接近度跟蹤最大功率點
Input Voltage Regulation：輸入電壓調節(jié)
Charger Output Current：充電器輸出電流
100% to 98% Peak Power：100% 至 98% 的峰值功率
溫度怎么樣？
到這一點，分析和典型曲線都集中于以 25°C 運行的情況。像 P-N 節(jié)一樣，PV 電池也有溫度系數。這種溫度系數影響太陽能電池板的開路電壓以及其最大功率電壓。典型的最大功率電壓溫度系數范圍為 -0.4 至 -0.5 %/°C。對于 BP 340J 這類電池板來說，在 0 至 75°C的工作溫度范圍內，這對應于 5V 或 6V 電壓。LT3652 輸入電壓調節(jié)環(huán)路的設計使溫度補償很簡單。圖 4 顯示一個用便宜的 3 端器件精確匹配任何太陽能電池板溫度系數的原理圖。LM134/234/334 (一個電流源和溫度傳感器) 測量太陽能電池板的溫度，并相應地調節(jié) LT3652 的輸入調節(jié)電壓。設計方程式如圖 4 所示，僅需要兩個輸入：電池板在 25°C 時的最大功率電壓和這個電壓的溫度系數 (注：-0.45%/°C 的溫度系數應該輸入為 -0.0045/°C)。
圖 4：用于 LT3652 簡單的最大功率電壓溫度補償
SOLAR PANEL：太陽能電池板
LT3652 的輸入電壓調節(jié)環(huán)路可以用其它方法進行溫度補償，包括使用一個晶體管或二極管溫度傳感器或一個負溫度系數 (NTC) 的熱敏電阻。
靈活性、功能和性能
LT3652 是一個高性能單片降壓型電池充電器，在 4.95V 至 32V 的輸入電壓范圍內工作 (具 40V 絕對最大額定值)。最大充電電流可以設定為高達 2A，準確度為 5%，而且其電阻可編程浮置電壓滿足鋰離子/聚合物、LiFePO4、鉛酸蓄電池和鎳化學組成電池的要求。LT3652 可以配置為在充電電流降至低于設定的最大電流的 1/10 時終止，或用一個集成的終止定時器終止。NTC 輸入還提供執(zhí)行溫度合格充電的能力。圖 2 顯示一個 2A 兩節(jié) LiFePO4 電池組充電器。當太陽能電池板輸出電壓降至低于電池電壓時，一個附加的肖特基二極管為系統(tǒng)負載提供電源通路 (PowerPath)。
圖 5 顯示一個太陽能供電的 1A 鉛酸蓄電池充電器。這個應用運用 1A 恒定電流將電池快速充電至高達 14.4V。當充電電流降至 0.1A 時，充電器切換到 13.5V 浮置充電模式，直到太陽落山為止 (終止定時器設定為 20 小時)。如果電池電壓降至低于 13.2V，那么快速充電重新啟動，而且如果電池電壓低于 10V，就采用涓流充電 (150mA)。如果溫度超出 0°C 至 45°C 的充電范圍，NTC 熱敏電阻就暫停充電。
圖 5：1A 太陽能供電的 3 級 12V 鉛酸蓄電池快速/浮置充電器
SOLAR PANEL INPUT：太陽能電池板輸入
OC VOLTAGE：開路電壓
PEAK POWER VOLTAGE：峰值功率電壓
SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負載
LEAD ACID BATTERY：鉛酸蓄電池
結論
太陽能為便攜式設備設計師提供很多好處。它常常是偏遠地區(qū)惟一可獲得的電源，而且它幾乎是無限的。隨著人們日益增加對可再生能源的興趣，不斷加速的太陽能研究和開發(fā)將繼續(xù)使太陽能獲取和保存成本下降。考慮到太陽能固有的間歇性，大多數太陽能供電設備都需要電池。不過，太陽能電池充電器必須應對變化范圍很寬的太陽能電池板輸出電壓，而且它們必須高效率地從電池板抽取盡可能多的功率。LT3652 功率跟蹤太陽能電池充電器為解決這兩個問題提供了一種明顯緊湊型高性能和簡練的解決方案。
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