| 對于任何完整的能量收集系統(tǒng)，旨在為除小型，短時(shí)負(fù)荷之外的任何物體提供電力，蓄電池代表了初始費(fèi)用的必要但重要的部分。如果不注意最大化電池組件的使用壽命，則在系統(tǒng)壽命期間電池的成本可能具有甚至更大的影響。此外，如果依賴大容量蓄電池的光伏和其他能源采集系統(tǒng)的單位增長仍在繼續(xù)，那么未能最大化電池壽命的設(shè)計(jì)可能會對制造替代系統(tǒng)所需的額外材料和能源消耗產(chǎn)生負(fù)面的環(huán)境影響。以及處理耗盡的單位。
蓄電池規(guī)格，如堅(jiān)固性和預(yù)計(jì)壽命，在很大程度上取決于電池的化學(xué)性質(zhì);鋰離子，LiFePO4和密封鉛酸是廣泛使用的電池化學(xué)品。大多數(shù)商用鋰離子電池現(xiàn)在可以充電至4.2 V/電池。 LiFePO4電池允許更高的充電和放電速率，但能量密度更低。典型的電池電壓為3.6 V.鋰離子和LiFePO4的充電曲線是預(yù)處理，恒定電流和恒定電壓。為了獲得最長的循環(huán)壽命，充電結(jié)束電壓閾值可降至4.1 V/電池。盡管電池化學(xué)成分，工程師應(yīng)該知道的幾個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)會影響任何類型存儲單元的預(yù)期壽命。
最常見的電池殺手之一就是過度充電。當(dāng)充電持續(xù)時(shí)間過長或電壓過高時(shí)，電池壽命會縮短。簡單的充電電路要么超過最佳充電電壓，要么在過長的充電周期時(shí)間內(nèi)進(jìn)行權(quán)衡。特定的化學(xué)成分決定了使用的電壓水平，制造商提供了充電和放電電壓和速率的詳細(xì)規(guī)格。
具有用于能量輸入的光伏面板的基本系統(tǒng)提供與電池串聯(lián)的阻塞二極管或開關(guān)，以防止在低光期間耗盡電池。為避免過度充電，一旦電池充滿電，就可以從太陽能電池中分流出過量的電流。實(shí)際上，即使這種簡化的設(shè)計(jì)也需要監(jiān)控和控制電子設(shè)備。
雖然我們這些生活在寒冷氣候中的人傾向于將電池死亡與一年中最寒冷的部分聯(lián)系起來，因?yàn)楫?dāng)你的汽車無法在暴風(fēng)雪中啟動時(shí)，大多數(shù)電池?fù)p壞實(shí)際上都可能在炎熱的天氣中發(fā)生。溫度在確保長存儲電池壽命方面起著重要作用。所有電池都依賴于熱激活的化學(xué)反應(yīng)。由于溫度依賴性很強(qiáng)，這些反應(yīng)會失去控制，導(dǎo)致突然和嚴(yán)重的損害。在低溫下，當(dāng)電荷耗盡時(shí)，電池電解質(zhì)也會凍結(jié)。這在光伏能量收集中尤其重要，因?yàn)樽畹蜏囟韧ǔＥc最低太陽能水平（因?yàn)槟芰吭丛谝归g損失）一致，從而加劇了有害的溫度效應(yīng)。
德州儀器（TI）的bq24650（圖1）是一款多功能同步開關(guān)模式電池充電控制器，專門針對太陽能應(yīng)用。 bq24650在恒定頻率PWM控制器設(shè)計(jì)中提供可編程最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），用于三相充電 - 預(yù)處理，恒定電流和恒定電壓。預(yù)充電受內(nèi)部計(jì)時(shí)器的限制，最長可達(dá)30分鐘
圖1：TI bq24650同步開關(guān)模式電池充電控制器，專為太陽能應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
bq24650開關(guān)模式電池充電控制器可接受5至28 V的光伏電池板電壓，并可為高達(dá)36 V的電池提供輸出。它也可配置為在升壓模式下工作，但這超出了范圍這篇文章。
TI充電控制器包括幾個(gè)關(guān)鍵功能，使光伏能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠最大限度地延長電池壽命。 bq24650包括通用充電控制器功能，例如基于最大電壓的充電終止設(shè)置，以減少與過充電相關(guān)的問題以及旨在最大限度延長電池壽命的關(guān)鍵安全功能。
當(dāng)輸入由太陽能電池板供電時(shí)，輸入調(diào)節(jié)環(huán)路會降低充電電流，以便太陽能電池板可以提供最大功率輸出。它還提供輸入電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)輸入電壓低于編程電平時(shí)，可降低充電電流。
如果電池電壓低于內(nèi)部閾值，bq24650會自動重啟充電周期，當(dāng)輸入電壓低于電池電壓時(shí)，bq24650會進(jìn)入低靜態(tài)電流休眠模式。
通過探索圖2所示的示例設(shè)計(jì)，部件的功能和控制輸入可能是最容易理解的。太陽能電池板在VI或VP曲線上有一個(gè)獨(dú)特的點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)（MPPT），整個(gè)光伏系統(tǒng)以最高效率運(yùn)行并產(chǎn)生最大輸出功率。在bq24650上，MPPT點(diǎn)通過電阻分壓器設(shè)置，以使MPPSET（引腳2）保持在1.2 V。以下公式用于設(shè)置MPPT點(diǎn)：
VMPPSET = 1. 2 V x（1 + R3/R4）
如果在基本充電控制器設(shè)計(jì)周圍添加了其他系統(tǒng)監(jiān)控，則可以通過將MPPSET拉低至75 mV來禁用充電。
充電電壓通過VFB引腳上的2.1 V穩(wěn)壓輸出進(jìn)行編程。電池電壓根據(jù)以下公式設(shè)置：
VBAT = 2.1（1 + R2/R1）
圖2：TI bq24650典型應(yīng)用示例。
在輸入電壓調(diào)節(jié)方面，bq24650使用簡單的恒壓算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤�？刂破鹘档统潆婋娏饕跃S持光伏板電壓以獲得最大功率輸出。
最大化電池壽命的重要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是控制充電電流，限制電壓并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間結(jié)束充電周期。通過引腳SRP和SRN之間的20mΩ電阻上的電壓降來感測充電電流。這兩個(gè)引腳之間的滿量程電壓為40 mV，因此在設(shè)計(jì)示例中，最大充電電流設(shè)置為2 A.
考慮到深度放電單元，bq24650將采用預(yù)充電周期，以嘗試恢復(fù)放電低于閾值VLOWV的電池。如果預(yù)充電周期無法將電池電壓升高到超過VLOWV，內(nèi)部定時(shí)器將在30分鐘后觸發(fā)故障指示。
如果滿足預(yù)充電條件，控制器將進(jìn)入充電的第二階段。在“快速充電”循環(huán)期間，調(diào)節(jié)充電電流。當(dāng)VFB引腳的電壓超過VRECH閾值且充電電流降至快速充電電流的10％以下時(shí)，充電終止。
bq24650設(shè)計(jì)提供的最終安全網(wǎng)是溫度傳感。熱關(guān)機(jī)避免了潛在的災(zāi)難性事件。它還可以為電池提供人壽保險(xiǎn)，因?yàn)橄到y(tǒng)在初始設(shè)計(jì)參數(shù)漂移后老化。通過正確定位和連接的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，可以實(shí)現(xiàn)電池組的溫度檢測。 bq24650允許能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對上下安全溫度進(jìn)行編程。 bq24650可在超出設(shè)計(jì)范圍的溫度下暫停充電周期。通過VREF和地之間的引腳TS上的電阻分壓器設(shè)置冷熱限制。
該器件的QFN封裝具有低熱阻，可提供從硅到環(huán)境的良好熱傳導(dǎo)，從而保持低結(jié)溫。作為額外的保護(hù)級別，只要結(jié)溫超過TSHUT閾值145°C，充電器轉(zhuǎn)換器就會關(guān)閉并自我保護(hù)。充電器保持關(guān)閉狀態(tài)，直到結(jié)溫低于130°C。
設(shè)計(jì)人員應(yīng)該始終仔細(xì)研究制造商的數(shù)據(jù)表，特別是對于這個(gè)關(guān)鍵且非平凡的設(shè)計(jì)步驟。 bq24650EVM是一款評估模塊，可幫助用戶評估bq24650同步電池充電器。 |
