【正文】 .......................................................................................... 45 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景及意義 太陽(yáng)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(lái)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(guó)的發(fā)展方向。在硬件電路與軟件程序方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)其作為充電器應(yīng)具備的基本功能?，F(xiàn)在手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠郑鞘謾C(jī)電池的儲(chǔ)能是有限的，在遠(yuǎn)離市電的環(huán)境下，電池的耗盡為通信帶來(lái)極大的不便。 Solar energy。太陽(yáng)能電池是利用太陽(yáng)光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能，不需要消耗燃料和水等物質(zhì)，轉(zhuǎn)換過(guò)程中不釋放包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體，是對(duì)環(huán)境沒有任何污染的可再生能源。 手機(jī)充電器研究的背景及意義 自馬丁庫(kù)伯在 1973 年發(fā)明了手機(jī)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展它已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的通訊工具。還存在的一個(gè)問題是，手機(jī)電池的儲(chǔ)能是有限的，外出遠(yuǎn)離市電的人們經(jīng)常會(huì)遇到手機(jī)沒電又無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充電 能的情況，這時(shí)，太陽(yáng)能手機(jī)充電器的優(yōu)點(diǎn)就顯現(xiàn)出來(lái)?？梢哉f(shuō)我國(guó)的光伏發(fā)電起步較晚，但是發(fā)展速度較快。使得其應(yīng)用范圍遍及到幾乎所有的用電領(lǐng)域。太陽(yáng)能電池的組成材料是半導(dǎo)體，其中硅應(yīng)用的最為廣泛。 IDIs hRs hRsIURL 圖 21 太陽(yáng)能電池等效電路圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 用公式表示太陽(yáng)能電池發(fā)電狀 態(tài)的電流方程式為： shDph IIII ? (21) ? ?shssph R IRU1AKT IRUqe xpIoII ???????? ??????? ??? (22) 式中 Iph—— 光生電流， (A)； Io—— 二 極管反向飽和電流， (A)； q—— 電子電荷 (109C)； K—— 玻爾茲曼常數(shù) (1023J/K)； T—— 絕對(duì)溫度， (K)； A—— PN 結(jié)的曲線常數(shù)； 當(dāng)光照條件與溫度一定時(shí)，根據(jù)公式 (22)得到太陽(yáng)能電池的 IV 特性曲線與 PV特性曲線，如圖 22 所示 [4]。 由上述條件可以把式 (22)化簡(jiǎn)為： ?????? ?????? ???????? 1VC Ve xpC1II oc21sc (23) 在最大功率點(diǎn)處有： 第 2章 太陽(yáng)能電池與蓄電池論述 9 ?????? ?????? ???????? 1VCVe xpC1II oc2 m1scm (24) 在常溫條件下： exp[Vm/(C2Voc)]≥1，可忽略“ 1”項(xiàng)，得出 C1 為： ????????????? ?? oc2 mscm1 VC Ve xpII1C (25) 在開路狀態(tài)下，把式 (25)帶入式 (23)得： ?????? ?????? ????????????? ??????? ??? 1C1e xpVC Ve xpII11I0 2oc2 mscmsc (26) 由于 exp(1/C2)≥1，可忽略“ 1”項(xiàng)，得到 C2： ?????? ??????? ?? scmocm2 II1/ln1VVC (27) 按照標(biāo)準(zhǔn)，取 Sref=1000W/m2， Tref=25℃ 為參考光照強(qiáng)度與溫 度。最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)就是要使系統(tǒng)工作點(diǎn)跟蹤最大功率 的變化，使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大。 U p vV DCR LV TILI oU o 圖 29 BOOST 升壓變化器電路圖 (3)仿真結(jié)果 基于 BOOST 電路，對(duì)太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤進(jìn)行 simulink 仿真，該仿真模塊主要包括：太陽(yáng)能電池模塊、 MPPT 模塊、 BOOST 電路部分。 蓄電池及其充電控制 蓄電池介紹 蓄電池可以儲(chǔ)存白天吸收的太陽(yáng)能，這樣就可以隨時(shí)為手機(jī)充電，使得太陽(yáng)能手機(jī)充電器更具有實(shí)用性和便捷性。這種充電方法控制簡(jiǎn)單，易于做到，適合對(duì)多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。在充電初期用恒流充電的方法給蓄電池充電，當(dāng)電池兩端的電壓達(dá)到終止充電的電壓時(shí)，改 用恒壓充電的方法，稱為恒流恒壓充電。 Vouttaiv+Voltage Measurement = SwitchSeries RLC Branch 1Series RLC Branch ScopeRepeatingSequence 1RepeatingSequence =RelationalOperator 1 =RelationalOperator PID ( s )PID Controller 1PID ( s )PID ControllergmDSMosfetmakDiode 1i+Current Measurements+Controlled Voltage Source4 . 2Constant 10 . 2Constant+_mBattery 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 圖 216 蓄電池恒流恒壓充電仿真原理圖 05 0 1 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 000 . 511 . 522 . 533 . 544 . 55t / sU / V恒 流恒 壓 圖 217(a) 蓄電池充電仿真電壓變化曲線 05 0 1 0 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 000 . 2 50 . 50 . 7 51 . 01 . 2 5t / sI / A恒 流恒 壓 圖 217(b) 蓄電池充電仿真電流變化曲線 本章小結(jié) 本章主要介紹了太陽(yáng)能電池的工作原理與其等效電路模型的建立，分析了太陽(yáng)能電池的輸出特性和光照強(qiáng)度、溫度對(duì)輸出特性的影響；介紹了用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能電池最大功率的跟蹤。它的工作過(guò)程是：在陽(yáng)光滿足條件的情況下，太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池中，這樣就可以隨時(shí)為手機(jī)充電。熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時(shí)候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。當(dāng)電池電壓 Kelvin 檢測(cè)輸入端 (FB)的電壓超過(guò) 3V 時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電池充電，充電電流由 ISET 管腳和 GND 之間的電阻 RISET。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時(shí)，充電器進(jìn)入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3uA，從而增加了待機(jī)時(shí)間。電池溫度監(jiān)測(cè)是通過(guò)測(cè)量 TEMP 管腳的電壓實(shí)現(xiàn)的，當(dāng) TEMP 管腳的電壓大于 46% VIN 超 過(guò) 秒時(shí)，芯片正常工作；如果 TEMP管腳的電壓小于 46% VIN 超過(guò) 秒，則 CN3063 認(rèn)為電池的溫度超出范圍，充電將被暫時(shí)停止，當(dāng) TEMP 管腳的電壓又重新大于 46% VIN 超過(guò) 秒時(shí)，充電會(huì)繼續(xù)。電路燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 采用了高性能、低功 耗的參考電壓電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)在生產(chǎn)中引入修正技術(shù)，保證了輸出電壓的高輸出精度及低溫度漂移。參考電壓電路提供穩(wěn)定的參考電平。 首先定義： VoutVinVoutD ?? (32) ： 2f RD)D(1L L2?? (33) 可計(jì)算得電感值為： ，本設(shè)計(jì)中取值為 10μH。因而，本章將重點(diǎn)介紹一種以單片機(jī)為核心的能實(shí)現(xiàn) MPPT 的太陽(yáng)能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)。選擇型號(hào)為 PL526067M 的鋰離子電池作為儲(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 2200mAh，外形尺寸是。 第 4章 基于 MPPT的太陽(yáng)能手機(jī)充電器設(shè)計(jì) 23 BOOST 電路BOOST 升壓電路手機(jī)太陽(yáng)能電池蓄電池ADC 0809 ADC 0809驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)按鍵 顯示供電K 1 按下K 2 按下K 3 按下 圖 41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 當(dāng)選擇為蓄電池充電模式時(shí)，太陽(yáng)能電池后所加 BOOST 電路的作用是 :當(dāng)蓄電池兩端的電壓小于 時(shí)，輸出 100mA 的電流進(jìn)行預(yù)充電；當(dāng)蓄電池兩端的電壓在 到 之間的時(shí)候，即在恒流充電階段，首先進(jìn)行太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤 (通過(guò)PWM控制變換器的占空比，來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池的負(fù)載為最佳匹配負(fù)載，通過(guò)直接檢測(cè)太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流，連續(xù)計(jì)算太陽(yáng)能電池的輸出功率，通過(guò)尋優(yōu)的方法來(lái)獲得太陽(yáng)能電池的最大輸出功率 )，輸出電流會(huì)逐漸上升直 至達(dá)到闕值 (最大充電電流值1A)，中止最大功率跟蹤開始恒流充電，當(dāng)外界條件發(fā)生變化使輸出電流小于最大充電電流時(shí)，則轉(zhuǎn)入最大功率跟蹤直到輸出電流達(dá)到闕值，如此電路在最大功率跟蹤與恒流充電方式自由切換，直到蓄電池兩端的電壓達(dá)到 為止；在恒壓充電階段，使 BOOST電路輸出恒定的 直到充電電流將為 100mA。 (2)BOOST電路設(shè)計(jì) 綜合 考慮單片機(jī)的時(shí)鐘頻率、 PWM 分辨率、電感體積、電路損耗以及噪聲干擾等因素，本設(shè)計(jì)選擇的開關(guān)頻率為 50KHz。 考慮開關(guān)管流過(guò)的電流的最大值與關(guān)斷時(shí)承受的最大反向電壓，本設(shè)計(jì)最終選擇 N溝道的 MOSFET 管 NCE3010， 其額定電壓為 VDS=30V，額定電流為 ID=10A。 蓄電池ADC 0809單片機(jī)ADC 0809手機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖 46 BOOST 放電電路 BOOST 電路的工作原理已在 節(jié)中詳細(xì)介紹過(guò)了。輸出電壓紋波由輸出電容 Co 和等效電阻 Rco 確定，而 CoRco 的值一般為常數(shù)，本設(shè)計(jì)取為 65μF，因此輸出電容的選擇通過(guò)選擇合適的 Rco 來(lái)確定。 (1)屏蔽二極管 屏蔽二極管的作用是用來(lái)防止太陽(yáng)能電池輸出電壓低于蓄電池兩端電壓時(shí)，蓄電池向太陽(yáng)能電池倒送電能從而消耗蓄電池的能量并導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板發(fā)熱的情況。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能手機(jī)充電器主要包括以下幾個(gè)部分：太陽(yáng)能電池板、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路、控制電路、按鍵及顯示電路。本設(shè)計(jì)選擇的太陽(yáng)能電池板的參數(shù)具體為： 開路電壓,短路電流 ,最大電壓 4V,最大電流 ，峰值功率 5W。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 第 4章 基于 MPPT 的太陽(yáng)能手機(jī)充電器硬件設(shè)計(jì) 第 3 章所設(shè)計(jì)的基于集成電路的太陽(yáng)能手機(jī)充電器能夠很大程度上簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，降低耗能，減少生產(chǎn)成本。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，除了用戶選擇合適的電感、肖特基二極管和電容外，芯片內(nèi)部的功率管導(dǎo)通電阻也非常小。在 PFM 控制系統(tǒng)中，固定震蕩頻率和脈寬，穩(wěn)定的輸出電壓是根據(jù)輸入 輸出電壓比例以及負(fù)載情況通過(guò)削脈沖來(lái)調(diào)節(jié)在單位時(shí)間內(nèi)功率管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。 V I NGNDC H R GD O N EF BB A TT E M PI S E T太 陽(yáng)能 電池L i 圖 32 蓄電池充電控制電路 MCC6288芯片介紹 MCC6288 系列產(chǎn)品是一種高效率、低紋波、工作頻率高的 PFM 升壓 DCDC 變換器。這樣，用戶