太阳能充电器 附件2：项目研究报告

大学生研究性学习与创新性实验项目研究报告项目名称：太阳能充电器项目负责人：专业：通信工程学号：分院：工学项目组成员：指导教师：期数：首期二〇一三年十一月二十七日目录第1节前言 (2)1.1研究的目的与意义 (1)1.2研究的背景 (3)1.3 设计思路和分析 (3)1.4 系统总体结构设计 (4)第二节方案设计 (5)2.1硬件设计 (5)2.1.1太阳能电池板 (5)2.1.2 单片机部分 (9)2.1.3 电路采样部分 (9)2.2 软件设计 (10)2.3技术创新 (10)第三节数据分析 (11)3.1参数选择 (11)3.1.1 限制电压设置 (11)3.1.2 恒流充电电流的设置 (11)3.1.3 预充电电流的设置和预充电结束电压 (11)3.1.4 充电结束电流的设置 (12)3.2 测试结果 (12)第4节项目成果 (13)结束语 (14)参考文献 (15)附录 (16)太阳能充电器摘要太阳能是一种可再生的新能源,将太阳能转化成电能,实现对锂电池的充电,便捷、节能、环保。

SPV1040内置MPPT算法,提高太阳能能量转化为电能的效率。

为实现锂电池过压过流等保护,合理设计L6924D外围电路,制作了针对锂电池的太阳能充电器,实现对锂电池的充电和管理。

第1节前言长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。

我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。

其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。

因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。

再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。

正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。

在太阳能的有效利用当中, 太阳光能利用是近些年来发展最快,最具活力的领域。

本设计开发出一种具有实用价值的太阳能充电系统，可以对电池进行充电，给人们带来了极大的方便，有一定的社会价值和经济价值。

太阳能充电技术是目前各国竞相研究的应用技术,同时也是与前沿理论结合得最紧密的应用技术。

太阳能充电技术涉及物理学、材料科学、控制理论、电子科学等诸多学科。

太阳能充电技术的主要研究内容,就是如何在给定光- 电转换材料和电池的条件下,完成高效充电。

1.1研究的目的与意义使用手机的人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用。

为了解决这一问题，本文介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。

1.2研究的背景太阳能作为一种新型的资源越来越多地被人们关注，它所带来的一系列的产业也逐渐成为目前非常具有开发潜力的产业。

太阳能光伏发电是太阳能应用的主要产业之一。

在我国太阳能资源极其丰富，陆地每年接受的太阳辐射能相当惊人。

如果将这些太阳能充分加以利用，不仅有可能节省大量常规能源，而且可以有效地减少常规能源所带来的环境污染。

太阳能手机充电器不仅能够解决这些令人头疼的问题，而且使用太阳能手机充电器更加的经济与环保。

现今社会人们生活质量提高的同时，对于时尚的追求也成为了一种普遍的现象。

所以一个小巧而又外型美观的太阳能手机充电器可以更多得到人们的青睐能量的传送和信号的传输要求显然不同，后者要求其内容的完整和真实，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。

虽然能量的无线传送的想法早已有之，但因为一直无法突破效率这个瓶颈，使它一直不能进入实用领域。

本充电器其传输效率可提高到满意的程度。

1.3 设计思路和分析太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，控制电路以单片机为核心，整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。

系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。

本设计采用太阳能电池板对51 单片机进行供电，设计了基于单片机的太阳能充电电路，通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制。

1.4 系统总体结构设计图1 太阳能电池等效电路太阳能电池输出电压电流I-V方程为(1)其中I为PN结的电流，I0为反向饱和电流，V为外加电压，q为电子电荷(1.6×10-19C)，K为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T为绝对温度，A为二极管因子（取值范围1～5 ）。

太阳能电池电压电流为非线性的，日照条件不变的情况下，太阳能电池输出存在一个最大功率点，即在该点输出电压和输出电流下，能够将太阳能最大程度地转化充电电能。

目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个DC-DC变换器，通过改变DC-DC变换器中功率开关管的导通率，使太阳能电池工作在最大功率点（MPPT），实现最大功率点跟踪。

本设计从充分利用太阳能的转换能量角度，选用SPV1040DC-DC转换芯片，跟踪最大功率点，提高太阳能的转换效率；考虑到太阳能电池输出电压的变化范围以及锂电池的充电安全和充电器的自身工作状况，选用L6924D电源管理芯片，设计出以SPV1040和L6924D为主要芯片的太阳能锂电池充电器。

第二节方案设计2.1硬件设计2.1.1太阳能电池板太阳能电池包括一个 p-n 接点，光能（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。

由于 p-n接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图 1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。

太阳能电池包括一个 p-n 接点，光能（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。

由于 p-n接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图 2 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。

图 2 太阳能电池的简化电路模型电流源 IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。

在不接负载时，几乎所有生成的电流都流经二极管 D，其正向电压决定着太阳能电池的开路电压 (VOC)。

VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。

但对大多数硅电池来说，VOC 值都在 0.5V～0.6V 之间，这也是 p-n 接点二极管的正常正向电压范围。

并行电阻 (RP) 表示实际电池发生的较小漏电流，而 Rs 则表示连接损耗。

随着负载电流的增加，太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。

对大多数负载电流值来说，这对输出电压仅产生很小的影响。

图 3 显示了太阳能电池的输出特性。

太阳能电池的输出随着二极管的 I-V 特性不同而略有变化，且串联电阻 (RS) 也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。

不过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。

最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。

这种电流称作太阳能电池的短路电流 (ISC)，它与 VOC 都是决定电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。

当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。

图 3 典型的太阳能电池 I-V 特性在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。

由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点 (MPP)。

在一种极端情况下，输出电压为最大值(VOC)，但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值 (ISC)，但输出电压为零。

在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP 必须在两种极端情况之间。

我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图 4）。

实践中的问题在于，太阳能电池 MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近 MPP。

我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的 MPP，不过这些方法通常会比较复杂，特别对卫星等关键任务系统来说更是如此。

不过，在许多低成本系统中，我们并不必强求 MPP 跟踪系统的精确性。

简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的 90% 左右就可以了。

充电控制系统如何让太阳能电池的工作接近 MPP 呢？图 4 太阳能电池输出特性动态电源路径管理 (DPPM) 技术能满足跟踪 MPP 的设计挑战。

图 5显示了锂离子电池充电应用的电路，可实现太阳能电池板电力的最大化，且我们能用 MOSFET Q2 来调节电池充电电流、充电电压或系统总线电压。

太阳能电池板用作电源，对单节锂离子电池进行充电。

太阳能电池板包括一系列硅单元串，每串包括 11 个硅单元，就好像电流有限的电压源，电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。

DPPM 能够监控系统总线电压 (VOUT) 随电流限制电源的下降。

系统总线连接的电容 (Co) 开始放电，一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能电池板提供的电流，就会使系统总线电压下降。

一旦系统总线电压降到预设的DPPM 阈值，电池充电控制系统将在 DPPM 阈值位置调节系统总线电压。

我们可通过降低电池充电电流来实现上述目的，从而获得太阳能电池板的最大电力。

DPPM 控制电路设法达到稳定状态条件，使系统获得所需的电力，并用剩余电力给电池充电，这样，我们就能最大化太阳能电池板的电力，并提高系统的可靠性。

图中太阳能电池板提供的最大输出电压 (VOC) 通常在 5.5V～6.0V 之间。

由于该电压低于预定义的 6V 输出调节电压，因此 MOSFET Q1 完全打开。

如果系统和电池充电器所需的总电流超过太阳能电池根据光照量决定的输出电流，那么太阳能电池板的输出电压将降低，从而减小输出电压 (VOUT)。

当 VOUT 降至 VDPPM 时（也是太阳能电池板的输出电压），充电电流降低。

如 VDPPM 设置靠近 MPP 的话，那么太阳能电池板这时将工作在靠近 MPP 的位置。

我们通过对 RDPPM 进行适当编程，使其达到一定的值，确保 VOUT 保持最小为 4.5V，从而实现上述目的。

我们之所以使用 VDPPM 的值，是因为它合理地对应于太阳能电池板的 MPP。

图 5用太阳能电池板给一节锂离子电池充电假定 MOSFET Q1 上的压降为 300mV，那么每个单元上的压降将等于 436mV，这将最大化太阳能电池板的功率输出。

如果 VOUT 大于 4.5V，那么DPPM 不起作用，太阳能电池板将远离其 MPP。