光伏系统最长电池寿命的充电控制器设计

对于任何完整的能量收集系统，旨在为除小型，短时负荷之外的任何物体提供电力，蓄电池代表了初始费用的必要但重要的部分。如果不注意最大化电池组件的使用寿命，则在系统寿命期间电池的成本可能具有甚至更大的影响。此外，如果依赖大容量蓄电池的光伏和其他能源采集系统的单位增长仍在继续，那么未能最大化电池寿命的设计可能会对制造替代系统所需的额外材料和能源消耗产生负面的环境影响。以及处理耗尽的单位。

蓄电池规格，如坚固性和预计寿命，在很大程度上取决于电池的化学性质;锂离子，LiFePO4和密封铅酸是广泛使用的电池化学品。大多数商用锂离子电池现在可以充电至4.2 V/电池。 LiFePO4电池允许更高的充电和放电速率，但能量密度更低。典型的电池电压为3.6 V.锂离子和LiFePO4的充电曲线是预处理，恒定电流和恒定电压。为了获得最长的循环寿命，充电结束电压阈值可降至4.1 V/电池。尽管电池化学成分，工程师应该知道的几个设计标准会影响任何类型存储单元的预期寿命。

最常见的电池杀手之一就是过度充电。当充电持续时间过长或电压过高时，电池寿命会缩短。简单的充电电路要么超过最佳充电电压，要么在过长的充电周期时间内进行权衡。特定的化学成分决定了使用的电压水平，制造商提供了充电和放电电压和速率的详细规格。

具有用于能量输入的光伏面板的基本系统提供与电池串联的阻塞二极管或开关，以防止在低光期间耗尽电池。为避免过度充电，一旦电池充满电，就可以从太阳能电池中分流出过量的电流。实际上，即使这种简化的设计也需要监控和控制电子设备。

虽然我们这些生活在寒冷气候中的人倾向于将电池死亡与一年中最寒冷的部分联系起来，因为当你的汽车无法在暴风雪中启动时，大多数电池损坏实际上都可能在炎热的天气中发生。温度在确保长存储电池寿命方面起着重要作用。所有电池都依赖于热激活的化学反应。由于温度依赖性很强，这些反应会失去控制，导致突然和严重的损害。在低温下，当电荷耗尽时，电池电解质也会冻结。这在光伏能量收集中尤其重要，因为最低温度通常与最低太阳能水平（因为能量源在夜间损失）一致，从而加剧了有害的温度效应。

德州仪器（TI）的bq24650（图1）是一款多功能同步开关模式电池充电控制器，专门针对太阳能应用。 bq24650在恒定频率PWM控制器设计中提供可编程最大功率点跟踪（MPPT），用于三相充电 - 预处理，恒定电流和恒定电压。预充电受内部计时器的限制，最长可达30分钟

图1：TI bq24650同步开关模式电池充电控制器，专为太阳能应用而设计。

bq24650开关模式电池充电控制器可接受5至28 V的光伏电池板电压，并可为高达36 V的电池提供输出。它也可配置为在升压模式下工作，但这超出了范围这篇文章。

TI充电控制器包括几个关键功能，使光伏能量收集系统设计人员能够最大限度地延长电池寿命。 bq24650包括通用充电控制器功能，例如基于最大电压的充电终止设置，以减少与过充电相关的问题以及旨在最大限度延长电池寿命的关键安全功能。

当输入由太阳能电池板供电时，输入调节环路会降低充电电流，以便太阳能电池板可以提供最大功率输出。它还提供输入电压调节，当输入电压低于编程电平时，可降低充电电流。

如果电池电压低于内部阈值，bq24650会自动重启充电周期，当输入电压低于电池电压时，bq24650会进入低静态电流休眠模式。

通过探索图2所示的示例设计，部件的功能和控制输入可能是最容易理解的。太阳能电池板在VI或VP曲线上有一个独特的点，称为最大功率点（MPPT），整个光伏系统以最高效率运行并产生最大输出功率。在bq24650上，MPPT点通过电阻分压器设置，以使MPPSET（引脚2）保持在1.2 V。以下公式用于设置MPPT点：

VMPPSET = 1. 2 V x（1 + R3/R4）

如果在基本充电控制器设计周围添加了其他系统监控，则可以通过将MPPSET拉低至75 mV来禁用充电。

充电电压通过VFB引脚上的2.1 V稳压输出进行编程。电池电压根据以下公式设置：

VBAT = 2.1（1 + R2/R1）

图2：TI bq24650典型应用示例。

在输入电压调节方面，bq24650使用简单的恒压算法实现最大功率点跟踪。控制器降低充电电流以维持光伏板电压以获得最大功率输出。

最大化电池寿命的重要设计标准是控制充电电流，限制电压并在适当的时间结束充电周期。通过引脚SRP和SRN之间的20mΩ电阻上的电压降来感测充电电流。这两个引脚之间的满量程电压为40 mV，因此在设计示例中，最大充电电流设置为2 A.

考虑到深度放电单元，bq24650将采用预充电周期，以尝试恢复放电低于阈值VLOWV的电池。如果预充电周期无法将电池电压升高到超过VLOWV，内部定时器将在30分钟后触发故障指示。

如果满足预充电条件，控制器将进入充电的第二阶段。在“快速充电”循环期间，调节充电电流。当VFB引脚的电压超过VRECH阈值且充电电流降至快速充电电流的10％以下时，充电终止。

bq24650设计提供的最终安全网是温度传感。热关机避免了潜在的灾难性事件。它还可以为电池提供人寿保险，因为系统在初始设计参数漂移后老化。通过正确定位和连接的负温度系数热敏电阻，可以实现电池组的温度检测。 bq24650允许能量收集系统设计人员对上下安全温度进行编程。 bq24650可在超出设计范围的温度下暂停充电周期。通过VREF和地之间的引脚TS上的电阻分压器设置冷热限制。

该器件的QFN封装具有低热阻，可提供从硅到环境的良好热传导，从而保持低结温。作为额外的保护级别，只要结温超过TSHUT阈值145°C，充电器转换器就会关闭并自我保护。充电器保持关闭状态，直到结温低于130°C。

设计人员应该始终仔细研究制造商的数据表，特别是对于这个关键且非平凡的设计步骤。 bq24650EVM是一款评估模块，可帮助用户评估bq24650同步电池充电器。有关bq24650本身的更多信息，请使用提供的链接访问Digi-Key网站上的产品页面。同样在该网站上，TI提供了一个有用的产品培训模块，名为“能量收集的电源管理”。