【正文】 1 第 1章 緒論 課題研究的背景及意義 太陽能研究的背景及意義 隨著人們對(duì)化石能源的開采，能源日益緊缺，再加上化石能源對(duì)環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，環(huán)保的壓力不斷增大，尋找廉價(jià)的新型的清潔能源，成為了世界各國的發(fā)展方向。太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅是單純的經(jīng)濟(jì)問題，更是能源替代和環(huán)保的問題。而且隨著太陽能電池 技術(shù)的改進(jìn)以及新型光 — 電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，以及各國對(duì)環(huán)境的保護(hù)要求和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍是利用太陽輻射能切實(shí)可行的方法，為人類將來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。因此， 太陽能作為一種容易獲取、對(duì)環(huán)境無污染的綠色能源若能應(yīng)用到消費(fèi)類產(chǎn)品中，對(duì)于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境問題有著巨大的意義。然而現(xiàn)在市場上有些充電器的 產(chǎn)品質(zhì)量并不能滿足要求，而且還存在著安全隱患。而智能充電器能夠?qū)Τ潆娺^程進(jìn)行控燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 制，不僅可以在充電過程中對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，還可以防止過電壓并控制充電溫度 [1]。 市場產(chǎn)品概況及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 市場產(chǎn)品概況 如今，市場上手機(jī)充電器的類型主要有旅行手機(jī)充電器、座式充手機(jī)電器、車載手機(jī)充電器、無線手機(jī)充電器、太陽能手機(jī)充電器等。 太陽能國內(nèi)研究狀況 中國從 1958年開始了太陽能電池的研究，在 1971年成功應(yīng)用在東方紅二號(hào)衛(wèi)星上，于 1973 年開始應(yīng)用在地面上。在太陽能電池的研究方面，國內(nèi)很多高校和研究機(jī)構(gòu)也都長期致力于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究，并積累了許多經(jīng)驗(yàn)也取得了一些的研究成果。德國率先推出“ 1000 太陽能屋頂計(jì)劃”，美國也在 1997 年提出“百萬屋頂計(jì)劃”，并制定相關(guān)的財(cái)政補(bǔ)貼政策，此后，意大利、法國、第 1章 緒論 3 西班牙荷蘭等國家也紛紛出臺(tái)政策以 鼓勵(lì)、促進(jìn)太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 [2]。 對(duì)兩種太陽能手機(jī)充電器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比對(duì)，闡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn) 。第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 5 第 2章 太陽能電池與蓄電池的論述 太陽能電池的研究 太陽能 電池的工作原理 太陽能電池是以半導(dǎo)體 PN 結(jié)上接受太陽光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器件。這樣，太陽能通過太陽能電池就轉(zhuǎn)換為了可以使用的電能。目前使用的光伏電池可看作 PN 結(jié)型二極管，其等效電路由光生電流源及一系列電阻組成，如圖 21 所示。太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨光照強(qiáng)度的變化曲線如圖 23 所示，太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨溫度的變化曲線如圖 24 所示。設(shè)在開路狀態(tài)下： I=0，V=Voc；在最大功率點(diǎn)處： V=Vm， I=Im。)有： TrefTdT ?? (29) scr e fr e f I1SSdTSSαdI ?????? ??? (210) dIRβdTdV s??? (211) dIII39。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 1Io6 . 8V o c5 . 5Vm25T r e f10000S r e fS co p e 1S a t u r a t i o n0 . 5RP r o d u ct 6P r o d u ct 5P r o d u ct 4P r o d u ct 3P r o d u ct 2P r o d u ct 1P r o d u cteuM a t hF u n ct i o n 2euM a t hF u n ct i o n 1lnM a t hF u n ct i o n0 . 1 7 5I s c0 . 1 5Im K G a i n 2 K G a i n 11G a i nD i vi d e 6D i vi d e 5D i vi d e 4D i vi d e 3D i vi d e 2D i vi d e 1D i vi d e1C o n s t a n t 51C o n s t a n t 41C o n s t a n t 31C o n s t a n t 21C o n s t a n t 11C o n s t a n t3t2v1s 圖 25 simulink 太陽能電池模型 太陽能電池最大功率的實(shí)現(xiàn) 太陽能電池是一種非線性電源，其最大功率點(diǎn)是隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化的。 因?yàn)樘柲茈姵氐?PV曲線在最大功率點(diǎn)處的斜率是零， 于是得到： 0dVdIVIdVdP ??? (214) 即： 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 11 VIdVdI ?? (215) 式 (215)就是實(shí)現(xiàn) MPPT 的條件，也就是說，當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量與輸出電導(dǎo)的負(fù)值相同時(shí)，太陽能電池工作于最大工作點(diǎn)處。由上述工作原理，整理可得 BOOST 電路輸入電壓 Upv與輸出電壓 Uo 之間的關(guān)系為： pvo UD1 1U ?? (216) 輸入電流 IL與輸出電流 Io 之間的關(guān)系為： D1II Lo ?? (217) 則等效電阻 Req為 : 2Looeq D ）（1RIVR ??? (218) 由式 (218)可 知，調(diào)節(jié) BOOST 電路的開關(guān)的占空比 D，就可以改變輸入阻抗的大小，當(dāng) BOOST 電路的等效輸入阻抗與太陽能電池的輸出阻抗相匹配時(shí)，太陽能電池的輸出功率達(dá)到最大 [6]。 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 13 svtI ot y nIVP W Mm p p tv+V o l t a g e M e a s u r e m e n t 1S t e p 1S t e pS e r i e s R L C B r a n c h 3S e r i e s R L C B r a n c h 2S e r i e s R L C B r a n c h 1S e r i e s R L C B r a n c hS c o p eP r o d u c tgmDSM o s f e tM e m o r ymakD i o d ei+C u r r e n t M e a s u r e m e n ts+C o n t r o l l e d C u r r e n t S o u r c e2 5C o n s t a n t 11 0 0 0C o n s t a n t 圖 210 實(shí)現(xiàn) MPPT 的 simulink 仿真模塊 設(shè)太陽能電池工作的光照強(qiáng)度與溫度的初始值分別是 1000W/㎡ 和 25℃ 。從而驗(yàn)證了電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn) MPPT 的正確性。因此，本設(shè)計(jì)選用鋰離子電池作為儲(chǔ)能蓄電池。在充電過程中充電電流始終保持不變，稱為恒定電流充電法。在充電過程中充電電壓始終保持不變，稱為恒定電壓充電法。 。 電 流 / C電 壓 / V1 C0 . 1C電 壓電 流恒 流 恒 壓 圖 214 恒流恒壓充電曲線圖 因此，本設(shè)計(jì)選用恒流恒壓充電的方法為蓄電池進(jìn)行充電。仿真結(jié)果如圖 217所示 [9]。對(duì)恒流恒壓充電方式進(jìn)行了 simulink 建模與仿真。 (1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鑒于手機(jī)充電器便攜性的要求，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一種簡單的太陽能手機(jī)充電器。 太陽能 電池 充電芯片 CN 3063 蓄電池 升壓芯片 MCC 6288 手機(jī) 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) 太陽能電池板的選擇為：開路電壓 ,短路電流 175mA,最大電壓 ,最大電流 150mA，峰值功率 外型尺寸是 10469mm； 蓄電池的參數(shù)選擇為：選擇鋰離子電池作為儲(chǔ) 能蓄電池，標(biāo)稱電壓 ，充電終止電壓 ，放電終止電壓 ，額定容量 1000mAh； 蓄電池的充電控制芯片選為 CN3063，蓄電池放電電路的升壓芯片選為 MCC6288[10]。 CN3063 只需要極少的外圍元器件，并且符合 USB 總線技術(shù)規(guī)范，非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)， CN3063 自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)電池的電流消耗小于3μA。如果電池電壓 Kelvin 檢測(cè)輸入端 (FB)的電壓低于 3V，充電器用恒流充電模式充電電流的10%對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)輸入電壓大于 ，并且充電電流減小到充電結(jié)束閾值 (恒流充電電流的 10%)時(shí)，充電周期結(jié)束。 1%以內(nèi)，滿足了電池的要求。這樣可以保證即使在輸入 電壓源的電流輸出能力很微弱的情況下，也能為電池充電。為了防止電池溫度過高或者過低對(duì)電池造成的損害，CN3063 內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測(cè)電路。 (3)參數(shù)設(shè)定 在恒流模式，計(jì)算充電電流的公式為： ISETCH R1800VI ? (31) 其中 ICH —— 充電電流， A； RISET —— ISET 管腳到地的電阻 ，Ω 。僅需要四個(gè)元器 ,就可完成將低輸入的電池電壓變換升壓到所需的工作電壓。芯片內(nèi)部包括輸出 電壓反饋和修正網(wǎng)絡(luò)、啟動(dòng)電路、震蕩電路、參考電壓電路、 PFM 控制電路、過流保護(hù)電路以及功率管。震蕩電路提供基準(zhǔn)震蕩頻率和固定的脈寬。高增益的誤差放大器保證了在不同輸入電壓和不同負(fù)載電流情況下穩(wěn)定的輸出電壓。功率管有驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，保證功率管開關(guān)時(shí)的上升沿和下降沿很陡，大大減小了開關(guān)狀態(tài)時(shí)的功率損耗。 第 3章 基于芯片的太陽能手機(jī)充電器設(shè)計(jì) 21 10uF 以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。但是，它也存在一些缺陷：無法使太陽能電池工作在最大功率處，不能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能控制，沒有顯示設(shè)備，而且集成電路對(duì)電路的散熱要求更高，修理成本高。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)要完成的主要任務(wù)是：太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并把電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為手機(jī)提供穩(wěn)定的充電電源。 。 輸出電壓額定值為 ，變化的范圍是 。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖 41所示。 控制電路的核心器件是單片機(jī)，具體的電路包括 :單片機(jī)外圍電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路。屏蔽二極管的選型為：采用肖特基二極管 RHD31R40， 其峰值反向電壓 VRRM =40V，正向平均整流電流 IF=3A,正向?qū)▔航?VF=。 將參數(shù) Vout=8V， Ipmax=， f=50KHz 代入式 (44)可以計(jì)算出電感 L=，本設(shè)計(jì)取電感值為 47μH。由以下 公式： Loco ΔIΔVR ? (47) coo R65C? (48) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 可計(jì)算出 Co=39μF，因此，本設(shè)計(jì)的輸出濾波電容取為 39μF。將蓄電池輸出的 升高到穩(wěn)定的 5V，然后為手機(jī)充電。將參數(shù) Vin=， V