【正文】 quence =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。 利用 MATLAB中 simulink軟件環(huán)境可以得到仿真電路 216 所示。 蓄電池充電仿真 蓄電池恒流恒壓充電方法的原理如圖 215 所示。恒流恒壓充電曲線圖如圖 214 所示 [8]。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。鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電壓底而充電電流大的時(shí)候使用。隨著蓄電池兩端電壓的升高，電流逐漸減小。 。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。 蓄電池充電方法 。所選鋰離子電 池的特性為：額定電壓是 ，終止充電電壓是 ,終止放電電壓是 。與其他電池相比，鋰離子電池具有能量密度高、容量大、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、沒有記憶效果等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與各類電子產(chǎn)品中。 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。 05 01 0 01 5 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 000 . 1 60 . 3 30 . 5 80 . 6 50 . 8 30 . 9 61 . 1 61 . 3 31 . 5 0t / sI / AS = 8 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 3 0 ℃S = 1 0 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃2 0 0 圖 211 輸出電流波形 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 05 0 000 . 91 . 82 . 73 . 64 . 55 . 4t / sU / VS = 1 0 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 3 0 ℃ 圖 212 輸出電壓波形 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 000 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 4t / sP / WS = 1 0 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 3 0 ℃ 圖 213 輸出功率波形 由仿真結(jié)果可以看出，在 200s 時(shí)，由于光照強(qiáng)度的減少，輸出電壓與輸出功率隨之降低，最后趨于穩(wěn)定，即此時(shí)輸出的功率為該條件下的最大功率；在 350s 時(shí)，輸出電壓與輸出功率也隨著溫度的增加而降低，最終尋得該條件的最大功率。在仿真時(shí)間為 200s 時(shí)，光照強(qiáng)度變?yōu)?800W/㎡ ，溫度不變?yōu)?25℃ ；在仿真時(shí)間到達(dá) 350s 時(shí)，溫度變?yōu)?30℃ ，光照強(qiáng)度為 800W/㎡ 。仿真模型如圖 210 所示。 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。 BOOST 電路如圖 29 所示，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 二極管 VD 關(guān)斷，電源 Upv 向大電感 L 儲(chǔ)存能量，同時(shí)大電容向負(fù)載 RL 供電 ，此時(shí)Uo=Upv；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感的電流不能突變，二極管導(dǎo)通，電感與電容一起向負(fù)載供電，同時(shí)向電容充電，此時(shí) Uo=UpvUL。電導(dǎo)增量法的流程 圖如圖 27 所示，simulink 仿真模塊如圖 28 所示。 太 陽(yáng)能 電池 板負(fù)載B O O ST 電路最 大功 率跟 蹤P W M控 制電 流 檢 測(cè)電 壓 檢 測(cè) 圖 26 太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤原理圖 (1)最大功率跟蹤控制算法 現(xiàn)在有多種 MPPT 控制的算法，電導(dǎo)增量法因其控制準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快而得到了廣泛的應(yīng)用。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。 根據(jù)上文中的數(shù)學(xué)模型，建立的太陽(yáng)能電池的 simulink 模型如圖 25 所示。 ?? (212) dVVV39。 I39。 由上述條件可以把式 (22)化簡(jiǎn)為： ?????? ?????? ???????? 1VC Ve xpC1IIoc21sc (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 xpC1IIoc2m1scm (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 xpII11I02oc2mscmsc (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。 太陽(yáng)能電池仿真模型的建立 把式 (22)進(jìn)行近似，即忽略 (U+IRs)/Rsh，并且設(shè)定 Iph=Isc。 0 0 . 71 . 42 . 12 . 83 . 54 . 2 500 . 40 . 81 . 21 . 62 . 0U / VI / A1 0 0 0 W / m28 0 0 W / m26 0 0 W / m2 圖 23(a) 太陽(yáng)能電池在 25℃ 下 不同光照強(qiáng)度下的 IV特性曲線 0 0 . 7 1 . 4 2 . 1 2 . 8 3 . 5 4 . 2 500 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 46 . 0U / VP / W1 0 0 0 W / m28 0 0 W / m26 0 0 W / m2 圖 23(b) 太陽(yáng)能電池在 25℃ 下 不同光照強(qiáng)度下的 PV特性曲線 由圖 23 可以看出，短路電流隨著光照強(qiáng)度的增加而大幅增加，開路電壓隨光照強(qiáng)度的增加略有增加，所以，輸出功率是隨著光照強(qiáng)度的增加而增加的。 太陽(yáng)能電池的輸出特性 太陽(yáng)能電池的輸出特性受多種外界因素的影響，尤其是光照強(qiáng)度和溫度。 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]。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)，可以將光伏電池看作恒流電源。當(dāng)把很多光伏電池單元 通過串并聯(lián)的方式組合在一起，就構(gòu)成了光伏電池組件，經(jīng)過封裝就成為了常見的太陽(yáng)能電池板，可以在太陽(yáng)光的作用下輸出功率滿足特定場(chǎng)合的需求的電能。如果在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有光生電流流過，從而獲得了功率的輸出 [3]。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。 本章小結(jié) 本章主要從太陽(yáng)能與手機(jī)充電器研究的背景和意義、太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀以及手機(jī)充電器的市場(chǎng)分析幾個(gè)方面介紹了本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能手機(jī)充電器的研究意義與價(jià)值，并且說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。并且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。 課題研究的主要內(nèi)容 本文在對(duì)太陽(yáng)能手機(jī)充電器進(jìn)行了理論研究與計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩種太陽(yáng)能手機(jī)充電器，即基于集成芯片的太陽(yáng)能手機(jī)充電器與基于 MPPT 的太陽(yáng)能手機(jī)充電器。使得其應(yīng)用范圍遍及到幾乎所有的用電領(lǐng)域。為了鼓勵(lì)開發(fā)和利用光伏能源，各國(guó)政府出臺(tái)了各種鼓勵(lì)政策以推動(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其以美國(guó)、德國(guó)等一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家為主。雖然與國(guó)外相比，我國(guó)的技術(shù)水平和投入力度還有很多不足，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用層面上還有很大的發(fā)展空間，但是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一 步發(fā)展，以后一定可以利用豐富的太陽(yáng)能資源解決資源短缺的問題。自 2021 年起，我國(guó)太陽(yáng)能電池制造業(yè)高速發(fā)展，但是，在太陽(yáng)能電池的應(yīng)用方面，跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)太陽(yáng)能光伏電池的市場(chǎng)需求相對(duì)較小，發(fā)展相對(duì)緩慢，工藝技術(shù)方面也比較落后，在國(guó)外的市場(chǎng)仍面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)?？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。而且隨著節(jié)能環(huán)保概念的提出，對(duì)手機(jī)充電器節(jié)能環(huán)保與可靠性也提出了更高的要求，因此，太陽(yáng)能手機(jī)充電器必然成為以后手機(jī)充電器的一種發(fā)展趨勢(shì)。目前，市場(chǎng)上銷售最多的是旅行手機(jī)充電器，嚴(yán)格地從充電電路進(jìn)行分析，只有非常少的一部分充電器屬于真正意義 上的智能控制手機(jī)充電器。綜上所述，太陽(yáng)能手機(jī)充電器具有非常廣闊的發(fā)展前景和巨大的現(xiàn)實(shí)意義。還存在的一個(gè)問題是，手機(jī)電池