【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 充電器的設(shè)計(jì)過(guò)程。所選用的太陽(yáng)能電池板技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下： 尺寸為 120mm45mm，峰值電壓為 6V，峰值電流為 100mA，標(biāo)稱功率為 。同時(shí)考慮到被充電電池的電流不同，所需充電時(shí)間也就不等，故采用八塊相同參數(shù)電池板進(jìn)行串、并聯(lián)，實(shí)測(cè)電池板的輸出電壓最大值為 ,電流最大可達(dá) 450mA，總標(biāo)稱功率為5W 左右,實(shí)際輸出可根據(jù)不同的被充電對(duì)象進(jìn)行平滑調(diào)整。太陽(yáng)能光伏電池的工作原理如下圖 21 所示，當(dāng)光波照射到半導(dǎo)體表面的時(shí)候，半導(dǎo)體內(nèi)部 N 區(qū)和 P 區(qū)中的價(jià)帶電子由于受到太陽(yáng)光子的沖擊，吸收太陽(yáng)能量發(fā)生能級(jí)躍遷被激發(fā)導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生了許多處于非平衡狀態(tài)的電子一空穴對(duì)。由于 PN 結(jié)電場(chǎng)的存在，這些電子一空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)到 PN 結(jié)區(qū)產(chǎn)生分離，其中正電荷和負(fù)電荷分別聚集從而產(chǎn)生了與PN 結(jié)勢(shì)電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，當(dāng)接通外部電路環(huán)路時(shí)，電子一空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生直流電流，從而對(duì)外出電能因?yàn)閱蝹€(gè) PN 結(jié)產(chǎn)生的光生電勢(shì)比較小(約 左右)，在實(shí)際應(yīng)用中，多將許多個(gè)小的太陽(yáng)能光伏電池單元通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)組合在一起構(gòu)成光伏電池組件，從而可以輸出更大的電能。圖 顯示了太陽(yáng)能電池的輸出特性。太陽(yáng)能電池的輸出隨著二極管的 IV 特性不同而略有變化，且串聯(lián)電阻 (RS) 也會(huì)造成較小的壓降，但輸出電壓基本保持為常量。不過(guò)，在某一時(shí)刻，通過(guò)內(nèi)部二極管的電流會(huì)非常小，導(dǎo)致偏置不足，這樣二極管上的電壓會(huì)隨負(fù)載電流的上升而快速下降。最后，當(dāng)所有生成的電流都流經(jīng)負(fù)載而不通過(guò)二極管時(shí)，輸出電壓為零。這種電流稱作太陽(yáng)能電池的短路電流 (ISC)，它與 VOC 都是決定電池工作性能的主要參數(shù)，因此，我們將太陽(yáng)能電池視為“電流有限的” 電源。當(dāng)輸出電流增加時(shí)，輸出電壓會(huì)下降，最后降為零，這時(shí)負(fù)載電流為短路電流。銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 圖 21 太陽(yáng)能光伏電池工作原理圖 22 太陽(yáng)能電池 IV 特性 李夢(mèng)竹：太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì) 6 在大多數(shù)應(yīng)用中，理想情況是盡可能從太陽(yáng)能電池獲得最大的電力。由于輸出功率是輸出電壓與電流的乘積，因此我們應(yīng)明確電池哪部分工作區(qū)能實(shí)現(xiàn)最大的輸出電壓與電流乘積值，即所謂的最大功率點(diǎn) (MPP)。在一種極端情況下，輸出電壓為最大值(VOC)，但輸出電流為零；在另一種極端情況下，輸出電流為最大值 (ISC)，但輸出電壓為零。在上述兩種情況下，輸出電壓與電流的乘積均為零，因此，MPP 必須在兩種極端情況之間。 我們可以很容易地證明（或通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到） ，不管在何種應(yīng)用，MPP 實(shí)際上總會(huì)出現(xiàn)在太陽(yáng)能電池輸出特性圖的轉(zhuǎn)彎處（見(jiàn)圖 23） 。實(shí)踐中的問(wèn)題在于，太陽(yáng)能電池 MPP 的確切位置會(huì)隨著光照和環(huán)境溫度的變化而變化，因此，為了盡可能利用太陽(yáng)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須在實(shí)際工作條件下實(shí)現(xiàn)或接近 MPP。圖 23 太陽(yáng)能電池輸出特性 蓄電池部分 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽(yáng)電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行。蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關(guān)系，為了尋求最佳方案，在設(shè)計(jì)充電器之前必須做的一項(xiàng)工作是對(duì)蓄電池原理作一個(gè)詳細(xì)的分析研究。 電池的定義在現(xiàn)代技術(shù)中電池有了更為精確地定義：能夠產(chǎn)生電能的便攜、獨(dú)立化學(xué)系統(tǒng)。電池按轉(zhuǎn)換能量方式分為兩大類：一類是物理電池，如太陽(yáng)能電池；另一類是化學(xué)電池，即把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。化學(xué)電池按工作性質(zhì)可分為：一次電池（原電池） ；二次電池（可充電電池） 。其中，一次電池可分為：盒式鋅錳電池、扣式鋅銀電池、鋅空氣電池等。二次電池可分為：鎳鎘電池、氫鎳電池、鋰電池和鉛酸蓄電池等。一次電池，又叫不可充電電池或原電池，從電池單向化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電能。原電池放電導(dǎo)致化學(xué)成分永久和不可逆的改變。但可充電電池，又叫二次電池，可在應(yīng)用中放電，也可由充電器充電。所以二次電池儲(chǔ)存能量，而不是產(chǎn)生能量。充電和放電電流（安培）通常用電池額定容量的倍數(shù)表示，叫做充電速率（Crate） 。例如，對(duì)于額定為 1 安培時(shí)的電池，C/10銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 的放電電流等于 。電池的額定容量（ 或 ）是電池在特定條件下完1Ah/0=mAhm全放電所能儲(chǔ)存的電能。因此，電池的總能量等于容量乘以電池電壓，單位為瓦時(shí)。任何一種電池由四個(gè)基本部件組成，這四個(gè)主要部件是正負(fù)兩個(gè)電極、電解質(zhì)、隔膜和外殼。 充放電特性本文系統(tǒng)中，采用閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA 電池)。它的充放電特性如下：(1 )充電特性 （21 ）ccbUEIr???式中 為蓄電池充電時(shí)的端電壓， 為蓄電池的電動(dòng)勢(shì)， 為蓄電池的充電電流，cU cI為蓄電池的內(nèi)阻。br當(dāng)以穩(wěn)定的電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，蓄電池內(nèi)部將產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而使蓄電池內(nèi)阻發(fā)生變化，導(dǎo)致蓄電池端電壓變化，端電壓的變換如圖 24 所示。 （圖中實(shí)線為充電過(guò)程端電壓的變化，虛線為停充后端電壓的變化。 ）2 . 4??Uv01 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 11 . 62 . 02 . 8abcde ??tho圖 24 端電壓的變化曲線 在剛開(kāi)始充電的時(shí)候，蓄電池的端電壓升高很快（曲線的 段） 。充電中期，電勢(shì)增oa高漸慢（曲線的 段） 。充電后期，端電壓比較緩慢地上升。如繼續(xù)充電，電池內(nèi)部的化ab學(xué)反應(yīng)使蓄電池的內(nèi)阻增大，因而端電壓又繼續(xù)上升，如曲線中 段。當(dāng)充電達(dá)到達(dá)曲bc線的 段時(shí)，如再繼續(xù)充電，端電壓也不再升高，只是無(wú)謂地消耗電能進(jìn)行水的電解。cd如果在 d 點(diǎn)停止充電，端電壓迅速降低（曲線的 段） 。隨后端電壓慢慢地下降，最后達(dá)de到穩(wěn)定狀態(tài)（曲線的 段） 。de應(yīng)當(dāng)指出，充電速度的快慢(充電率的大小)將影響到充電蓄電池的端電壓以及充電時(shí)間。充電率的大小是指在一定時(shí)間內(nèi)將蓄電池充滿所需電流的大小。如以 10 小時(shí)率充電容量(C) 為 120Ah 的蓄電池，則充電電流為 120Ah/10h=12A，常用 表示 10 小時(shí)率。在10C充電末期采用較小的充電電流有益于電池的使用壽命延長(zhǎng)。 (2) 放電特性 (22)ddbUEIr???式中 為蓄電池放電時(shí)端電壓，E 為蓄電池電動(dòng)勢(shì)， 為蓄電池放電電流， 為蓄dU br電池內(nèi)阻。當(dāng)以穩(wěn)定的電流放電時(shí)，蓄電池端電壓的變化如圖所示。 （實(shí)線為放電過(guò)程的李夢(mèng)竹：太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì) 8 變化，虛線為停放后的變化。 ）01 0987654321 1 11 . 62 . 22 . 01 . 8??Uv ??thoabcde圖 25 蓄電池放電時(shí)端電壓的變化曲線 如圖 25 所示，可以看出，放電曲線基本由三部分組成：第一部分是放電開(kāi)始階段（圖中曲線的 段）短時(shí)間內(nèi)電壓快速下降，然后電壓緩慢下降（圖中曲線的 段） ；oa ab最后端電壓在極短的時(shí)間內(nèi)迅速下降（圖中曲線的 段） 。第二部分（曲線的 段）的bc時(shí)間越長(zhǎng)，平均電壓就越高，其電壓特性也就越好。放電至 c 點(diǎn)時(shí)，放電便結(jié)束了。如果繼續(xù)放電，會(huì)導(dǎo)致電池的端電壓急劇下降，如圖中虛線部分的 段所示。這種現(xiàn)象叫作d過(guò)放電，雖然能放出部分能量，但如果經(jīng)常過(guò)放電會(huì)降低蓄電池的充、放電的反應(yīng)速度，加速蓄電池的老化和降低其使用容量。一般規(guī)定的放電截止時(shí)的電壓稱為放電終止電壓。如果停止放電，則鉛蓄電池的端電壓立即回升，如圖中曲線的虛線部分 段所示。ce 蓄電池作為電源模塊的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所采用的電器元件需要外部供電，如果接上外加電源，則使得電路復(fù)雜化，并且破壞了系統(tǒng)的獨(dú)立性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的就是蓄電池的供電系統(tǒng)，所以直接從蓄電池取出電壓來(lái)為單片機(jī)以及外圍電路供電。這里采用三斷集成穩(wěn)壓器件 7805 設(shè)計(jì)電路的電源模塊，如圖 26 所示。銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 圖 26 電源模塊電路 單片機(jī)部分本系統(tǒng)采用 AT89C51 系列的單片機(jī)。這是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除的只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓高性能的CMOS8 微處理器。該單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)外部中斷和一個(gè)串口中斷、三個(gè)八路的 I/O 口，本設(shè)計(jì)采用 12MHz 的晶振。單片機(jī)最小系統(tǒng)的核心部分包括單片機(jī)芯片、振蕩電路及復(fù)位電路。 單片機(jī)主要任務(wù)是控制數(shù)據(jù)的采集過(guò)程并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后生成PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制輸出大小。具體工作過(guò)程是上電復(fù)位，確定輸出電流大小，或作為普通電源的輸出電壓，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序并分析計(jì)算 PWM 占空比，開(kāi)始輸出電流或電壓，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示。在輸出過(guò)程中通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)檢測(cè)輸出電流或電壓，與設(shè)定值比較后調(diào)節(jié) PWM 占空比，使輸出趨于設(shè)定值。在電池充電過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)電流大小而確定電池充電多少，從而改變充電方式或決定是否停止充電。通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程的智能控制，而且大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，由于單片機(jī)良好的可重用性，如果需要改變電路工作狀態(tài)或電路參數(shù)，只需簡(jiǎn)單的修改程序即可實(shí)現(xiàn)，從而使電路的升級(jí)改造變得簡(jiǎn)單。圖 27 為單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖 27 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電壓電流的 A/D 采集ADC0809 是 美 國(guó) 國(guó) 家 半 導(dǎo) 體 公 司 生 產(chǎn) 的 CMOS 工 藝 8 通 道 ， 8 位 逐 次 逼 近 式A/D 轉(zhuǎn) 換 器 ， 其 內(nèi) 部 有 一 個(gè) 8 通 道 多 路 開(kāi) 關(guān) ， 它 可 以 根 據(jù) 地 址 碼 鎖 存 譯 碼 后 的 信 號(hào) ，李夢(mèng)竹：太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì) 10 只 選 通 8 路 模 擬 輸 入 信 號(hào) 中 的 一 個(gè) 進(jìn) 行 A/D 轉(zhuǎn) 換 。 是 目 前 國(guó) 內(nèi) 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 8 位 通用 A/D 芯 片（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如下圖 28 左圖所示）ADC0809 由一個(gè) 8 路的模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存和譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 圖 28 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖（2）引腳結(jié)構(gòu) （如圖 28 右圖所示）IN0－IN7：8 條模擬量輸入通道 ADC0809 對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是 0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4 條 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) ALE 線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將 A，B ，C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B 和 C 為地址輸入線，用于選通 IN0－IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表 1 所示。 表 1 CBA 通道選擇表C B A 選擇的通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN5銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 1 1 0 IN61 1 1 IN7數(shù)字量輸出及控制線：11 條 ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng) ST 上升沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下降沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應(yīng)保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng) EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。OE 為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出