太陽能手機充電器的設(shè)計與仿真設(shè)計說明

1、本科畢業(yè)設(shè)計(論文)手機充電器的設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)

2、設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)

3、部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注意事項1.設(shè)計（論文）的容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序

4、清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體與大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標準規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂摘要太

5、陽能作為一種可再生、清潔能源，對于化石能源的替代和環(huán)境問題的改善有很大幫助。目前，太陽能電池在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進步?，F(xiàn)在手機已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠郑鞘謾C電池的儲能是有限的，在遠離市電的環(huán)境下，電池的耗盡為通信帶來極大的不便。而且，近些年來手機充電器的安全問題已逐步受到人們的關(guān)注。本文在對太陽能手機充電器進行了理論研究與計算機仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩種在沒有電源的情況下也能給手機充電的太陽能手機充電器，即基于集成芯片的太陽能手機充電器與基于MPPT的太陽能手機充電器。在硬件電路與軟件程序方面進行了詳細的設(shè)計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)其作為充電器應(yīng)具備的基本功能。還應(yīng)用M

6、ATLAB仿真軟件對電路進行了仿真研究。并且對兩種太陽能手機充電器設(shè)計方案進行了比對，闡述了各自的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞：手機充電器；太陽能；MATLAB；芯片；單片機63 / 71AbstractSolar energy as a renewable and clean energy, to the improvement of the replace fossil energy and the environment are of great help. At present, the solar cell application in portable electronic devices ha

7、s made great progress. Now mobile phone has become an indispensable part of People's Daily life, but mobile phone battery energy storage is limited, in far away from the grid environment, battery run out for communication inconvenient. Moreover, the security problems of mobile phone chargers has

8、 gradually by the attention of people in recent years.Of solar mobile charger in this paper, on the basis of theory research and computer simulation, design the two solar mobile charger witch can also be used to recharge the phone without power , solar mobile charger based on integrated chip and sol

9、ar mobile charger based on the MPPT. In the aspect of hardware circuit and software program in detail design, so it can realize it as a charger should possess the basic function. Whats more,this paper used the MATLAB simulation software of circuit simulation. And the two kinds of solar mobile charge

10、r design has carried on the comparison, this paper expounds the respective advantages and disadvantages.KeywordsMobile phone charger; Solar energy; MATLAB; Chips; Single chip microcomputer 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究的背景與意義11.1.1 太陽能研究的背景與意義11.1.2 手機充電器研究的背景與意義21.2 市場產(chǎn)品概況與國外研究現(xiàn)狀21.2.1 市場產(chǎn)品概況21.2.

11、2 太陽能國研究狀況31.2.3 太陽能國外研究狀況31.3 課題研究的主要容31.4 本章小結(jié)4第2章 太陽能電池與蓄電池的論述52.1 太陽能電池的研究52.1.1 太陽能電池的工作原理52.1.2 太陽能電池的等效電路52.1.3 太陽能電池的輸出特性72.1.4 太陽能電池仿真模型的建立82.1.5太陽能電池最大功率的實現(xiàn)102.2 蓄電池與其充電控制142.2.1 蓄電池介紹152.2.2 蓄電池充電方法152.2.3 蓄電池充電仿真162.3 本章小結(jié)18第3章 基于芯片的太陽能手機充電器硬件設(shè)計193.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計193.2 CN3063芯片介紹193.3 MCC6288

12、芯片介紹223.4 本章小結(jié)24第4章 基于MPPT的太陽能手機充電器硬件設(shè)計254.1 系統(tǒng)總體設(shè)計254.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計要求254.1.2 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計254.1.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計264.2 具體硬件電路的設(shè)計274.2.1 基于MPPT的蓄電池充電控制電路設(shè)計274.2.2 蓄電池放電電路294.2.3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計324.2.4 軟件設(shè)計404.3 本章小結(jié)44結(jié)論45參考文獻46致47附錄1 開題報告48附錄2 中期報告52第1章 緒論1.1 課題研究的背景與意義1.1.1太陽能研究的背景與意義隨著人們對化石能源的開采，能源日益緊缺，再加上化石能源對環(huán)境的污染越來越嚴

13、重，環(huán)保的壓力不斷增大，尋找廉價的新型的清潔能源，成為了世界各國的發(fā)展方向。對于地球來說，接收到的太陽能遠遠大于所利用的能量，這就造成了能源和資源的浪費。而且，太陽能屬于清潔能源，不會產(chǎn)生化石燃料燃燒所產(chǎn)生的溫室氣體，更不會對環(huán)境造成污染。因此，為了提高國際競爭力，各國對于太陽能資源的利用和開發(fā)更是刻不容緩。太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅是單純的經(jīng)濟問題，更是能源替代和環(huán)保的問題。太陽能電池是利用太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)換過程中不釋放包括二氧化碳在的溫室氣體，是對環(huán)境沒有任何污染的可再生能源。這對改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室效應(yīng)具有非常重大的意義。目前，太陽能電池的應(yīng)用已從軍

14、事、航天領(lǐng)域進入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以與公用設(shè)施等部門。而且隨著太陽能電池技術(shù)的改進以與新型光電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，以與各國對環(huán)境的保護要求和對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。太陽能電池技術(shù)最重要的研究容，就是如何在給定光電轉(zhuǎn)換材料和電池的條件下，完成高效可靠的充電。隨著太陽能電池板價格方面越來越便宜和科學(xué)家在光伏技術(shù)方面研究的不斷深入，人類對于太陽能的利用將會越來越多。但是，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在家庭小產(chǎn)品方面的應(yīng)用實例還是相對較少的，如目前使用太陽能充電的手機充電器還沒有被廣大消費者普遍接受。因此，太陽能作為

15、一種容易獲取、對環(huán)境無污染的綠色能源若能應(yīng)用到消費類產(chǎn)品中，對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。1.1.2 手機充電器研究的背景與意義自馬丁庫伯在1973年發(fā)明了手機，經(jīng)過幾十年的發(fā)展它已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的通訊工具。目前，中國已擁有13億的手機用戶，如果手機無常使用，將會給我們的工作、生活帶來許多的不便，甚至造成巨大的損失。手機充電器作為手機的一個必不可分的組件，它的性能好壞，會直接影響到手機的正常使用，所以手機充電器的作用至關(guān)重要。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。充電器的質(zhì)量、安全等一系列問題不僅直接影響著手機的正常使用，還

16、使手機電池的壽命大大減少。尤其是安全問題特別重要，有關(guān)手機在充電過程中發(fā)生爆炸的事故很多，這很大程度上和手機充電器的質(zhì)量有關(guān)。所以手機充電器的質(zhì)量不能保證的話，一旦出現(xiàn)意外，就會產(chǎn)生難以想象的危害。而智能充電器能夠?qū)Τ潆娺^程進行控制，不僅可以在充電過程中對電池進行保護，還可以防止過電壓并控制充電溫度1。還存在的一個問題是，手機電池的儲能是有限的，外出遠離市電的人們經(jīng)常會遇到手機沒電又無法與時補充電能的情況，這時，太陽能手機充電器的優(yōu)點就顯現(xiàn)出來。首先，它特別適合應(yīng)急的場合，只要有的地方就可以進行充電；其次，它體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的理念，是一款綠色的產(chǎn)品。綜上所述，太陽能手機充電器具有非常廣闊的發(fā)展

17、前景和巨大的現(xiàn)實意義。1.2 市場產(chǎn)品概況與國外研究現(xiàn)狀1.2.1 市場產(chǎn)品概況如今，市場上手機充電器的類型主要有旅行手機充電器、座式充手機電器、車載手機充電器、無線手機充電器、太陽能手機充電器等。目前，市場上銷售最多的是旅行手機充電器，嚴格地從充電電路進行分析，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充電器?，F(xiàn)在一些較好的手機充電器有如下特點：多電壓可選、限流保護、體積小、重量輕、快速充電、自動關(guān)斷等。而且隨著節(jié)能環(huán)保概念的提出，對手機充電器節(jié)能環(huán)保與可靠性也提出了更高的要求，因此，太陽能手機充電器必然成為以后手機充電器的一種發(fā)展趨勢。1.2.2 太陽能國研究狀況中國從1958年

18、開始了太陽能電池的研究，在1971年成功應(yīng)用在紅二號衛(wèi)星上，于1973年開始應(yīng)用在地面上?？梢哉f我國的光伏發(fā)電起步較晚，但是發(fā)展速度較快。中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在20世紀80年代以前一直處于起步階段，但是隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展，政府對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與投入也越來越大。自2002年起，我國太陽能電池制造業(yè)高速發(fā)展，但是，在太陽能電池的應(yīng)用方面，跟發(fā)達國家相比，我國太陽能光伏電池的市場需求相對較小，發(fā)展相對緩慢，工藝技術(shù)方面也比較落后，在國外的市場仍面臨著嚴峻的考驗。在太陽能電池的研究方面，國很多高校和研究機構(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)驗也取得了一些的研究成果。雖然與國外相比

19、，我國的技術(shù)水平和投入力度還有很多不足，在太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用層面上還有很大的發(fā)展空間，但是，隨著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展，以后一定可以利用豐富的太陽能資源解決資源短缺的問題。1.2.3 太陽能國外研究狀況太陽能光伏產(chǎn)業(yè)從20世紀80年代以來一直持續(xù)發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于全世界，特別是在非洲、澳洲、南美洲、亞洲等國家普遍受到重視。為了鼓勵開發(fā)和利用光伏能源，各國政府出臺了各種鼓勵政策以推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其以美國、德國等一些西方發(fā)達國家為主。德國率先推出“1000太陽能屋頂計劃”，美國也在1997年提出“百萬屋頂計劃”，并制定相關(guān)的財政補貼政策，此后，意大利、法國、西班牙荷蘭等

20、國家也紛紛出臺政策以鼓勵、促進太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展2。使得其應(yīng)用圍遍與到幾乎所有的用電領(lǐng)域。太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也隨著技術(shù)的進步不斷地提高，晶體硅的光電轉(zhuǎn)換效率達到15%，單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率為23.3%，砷化鎵光電池的光電轉(zhuǎn)換效率是25%，特別是新型的薄膜太陽能電池由于用硅量只有硅片電池的1/100，加工工藝簡化，可以大大縮短能量返還的時間，提高能量的再生比。1.3 課題研究的主要容本文在對太陽能手機充電器進行了理論研究與計算機仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩種太陽能手機充電器，即基于集成芯片的太陽能手機充電器與基于MPPT的太陽能手機充電器。對兩種太陽能手機充電器設(shè)計方案進行了比對，闡述了各自的

21、優(yōu)缺點。并且在硬件電路與軟件程序方面進行了詳細的設(shè)計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)其作為充電器應(yīng)具備的基本功能。還應(yīng)用MATLAB仿真軟件對電路進行了仿真研究。1.4 本章小結(jié)本章主要從太陽能與手機充電器研究的背景和意義、太陽能產(chǎn)業(yè)國外研究的現(xiàn)狀以與手機充電器的市場分析幾個方面介紹了本文所設(shè)計的太陽能手機充電器的研究意義與價值，并且說明了本文設(shè)計的主要容。第2章 太陽能電池與蓄電池的論述2.1 太陽能電池的研究2.1.1 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。太陽能電池的組成材料是半導(dǎo)體，其中硅應(yīng)用的最為廣泛。其工作原理是：當(dāng)太照射

22、在半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體吸收光能，并且產(chǎn)生許多光電子-空穴對，在半導(dǎo)體的電場的作用下，光生電子和空穴被分離，半導(dǎo)體兩端出現(xiàn)異種電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓。如果在建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載就有光生電流流過，從而獲得了功率的輸出3。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。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能電池板，可以在太的作用下輸出功率滿足特定場合的需求的電能。2.1.2 太陽能電池的等效電路光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個電流隨著光強的增加而增大，當(dāng)接受的光強度一定時，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光

23、伏電池可看作P-N結(jié)型二極管，其等效電路由光生電流源與一系列電阻組成，如圖2-1所示。圖2-1 太陽能電池等效電路圖用公式表示太陽能電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程式為：(2-1) (2-2) 式中 Iph光生電流，(A)； Io二極管反向飽和電流，(A)； q電子電荷(1.6×10-9C)； K玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)； T絕對溫度，(K)； APN結(jié)的曲線常數(shù)；當(dāng)光照條件與溫度一定時，根據(jù)公式(2-2)得到太陽能電池的I-V特性曲線與P-V特性曲線，如圖2-2所示4。圖2-2(a) 太陽能電池的I-V特性曲線圖2-2(b)太陽能電池的P-V特性曲線由圖2-2可以

24、得到太陽能電池的幾個重要的參數(shù)：短路電流(Isc)：在給定光照強度和溫度下的最大輸出電流；開路電壓(Voc)：在給定光照強度和溫度下的最大輸出電壓；最大功率點電流(Im)：在給定光照強度和溫度下相對于最大功率點的電流；最大功率點電壓(Vm)：在給定光照強度和溫度下相對于最大功率點的電壓；最大功率點功率(Pm)：在給定光照強度和溫度下輸出的最大功率。2.1.3 太陽能電池的輸出特性太陽能電池的輸出特性受多種外界因素的影響，尤其是光照強度和溫度。太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨光照強度的變化曲線如圖2-3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2-4所示。圖2-3(

25、a) 太陽能電池在25下不同光照強度下的I-V特性曲線圖2-3(b) 太陽能電池在25下不同光照強度下的P-V特性曲線由圖2-3可以看出，短路電流隨著光照強度的增加而大幅增加，開路電壓隨光照強度的增加略有增加，所以，輸出功率是隨著光照強度的增加而增加的。圖2-4(a) 太陽能電池在S=1000W/時不同溫度下的I-V特性曲線圖2-4(b) 太陽能電池在S=1000W/時不同溫度下的P-V特性曲線由圖2-4可以看出，短路電流隨溫度的升高而略有增加，開路電壓隨溫度的升高而大幅減少，所以，輸出功率是隨著溫度的升高而降低的。2.1.4太陽能電池仿真模型的建立把式(2-2)進行近似，即忽略(U+IRs)

26、/Rsh，并且設(shè)定Iph=Isc。設(shè)在開路狀態(tài)下：I=0，V=Voc；在最大功率點處：V=Vm，I=Im。由上述條件可以把式(2-2)化簡為：(2-3)在最大功率點處有： (2-4)在常溫條件下：expVm/(C2Voc)1，可忽略“-1”項，得出C1為：(2-5)在開路狀態(tài)下，把式(2-5)帶入式(2-3)得： (2-6) 由于exp(1/C2)1，可忽略“-1”項，得到C2：(2-7)按照標準，取Sref=1000W/m2，Tref=25為參考光照強度與溫度。設(shè)T為任意光照強度S與任意溫度Tair下的太陽能電池的溫度，則有：(2-8)對于I-V特性曲線上任意一點(V'，I'

27、)有： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13)式中 參考光照強度下的電流溫度系數(shù)，取0.0012Isc(A/)；參考光照強度下的電壓溫度系數(shù)，取0.005Voc(V/)。 根據(jù)上文中的數(shù)學(xué)模型，建立的太陽能電池的simulink模型如圖2-5所示。 圖2-5 simulink太陽能電池模型2.1.5太陽能電池最大功率的實現(xiàn)太陽能電池是一種非線性電源，其最大功率點是隨著光照強度和溫度的變化而變化的。最大功率點跟蹤(MPPT)就是要使系統(tǒng)工作點跟蹤最大功率的變化，使光電轉(zhuǎn)換效率達到最大。為了實現(xiàn)最大功率點跟蹤，需要在太陽能電池與負載之間接入DC/DC變換器，通過對DC/

28、DC變化器的PWM驅(qū)動。圖2-6 太陽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)增量法因其控制準確，響應(yīng)速度快而得到了廣泛的應(yīng)用。 因為太陽能電池的P-V曲線在最大功率點處的斜率是零，于是得到：(2-14) 即：(2-15)式(2-15)就是實現(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)的負值一樣時，太陽能電池工作于最大工作點處。電導(dǎo)增量法的流程圖如圖2-7所示，simulink仿真模塊如圖2-8所示。圖2-7 電導(dǎo)增量法計算流程圖圖2-8 電導(dǎo)增量法的simulink仿真模塊(2)升壓變換器 DC/DC變換器采用BOOST電路，太陽能電池

29、的輸出電壓Upv就是BOOST電路的電源，設(shè)BOOST電路的輸出電壓為Uo。BOOST電路如圖2-9所示，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管VD關(guān)斷，電源Upv向大電感L儲存能量，同時大電容向負載RL供電，此時Uo=Upv；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感的電流不能突變，二極管導(dǎo)通，電感與電容一起向負載供電，同時向電容充電，此時Uo=Upv-UL。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： (2-16) 輸入電流IL與輸出電流Io之間的關(guān)系為： (2-17)則等效電阻Req為:(2-18) 由式(2-18)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)B

30、OOST電路的等效輸入阻抗與太陽能電池的輸出阻抗相匹配時，太陽能電池的輸出功率達到最大6。 圖2-9 BOOST升壓變化器電路圖 (3)仿真結(jié)果 基于BOOST電路，對太陽能電池的最大功率跟蹤進行simulink仿真，該仿真模塊主要包括：太陽能電池模塊、MPPT模塊、BOOST電路部分。其主要研究在不同光照強度與溫度下太陽能電池輸出最大功率的變化。仿真模型如圖2-10所示。圖2-10 實現(xiàn)MPPT的simulink仿真模塊設(shè)太陽能電池工作的光照強度與溫度的初始值分別是1000W/和25。在仿真時間為200s時，光照強度變?yōu)?00W/，溫度不變?yōu)?5；在仿真時間到達350s時，溫度變?yōu)?0，光照

31、強度為800W/。得到太陽能電池輸出的電流、電壓、功率的波形圖如圖2-11、圖2-12、圖2-13所示。圖2-11 輸出電流波形圖2-12 輸出電壓波形圖2-13 輸出功率波形由仿真結(jié)果可以看出，在200s時，由于光照強度的減少，輸出電壓與輸出功率隨之降低，最后趨于穩(wěn)定，即此時輸出的功率為該條件下的最大功率；在350s時，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。從而驗證了電導(dǎo)增量法實現(xiàn)MPPT的正確性。2.2 蓄電池與其充電控制2.2.1 蓄電池介紹蓄電池可以儲存白天吸收的太陽能，這樣就可以隨時為手機充電，使得太陽能手機充電器更具有實用性和便捷性?，F(xiàn)在，普遍應(yīng)用的儲

32、能電池主要有:鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。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、沒有記憶效果等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用與各類電子產(chǎn)品中。因此，本設(shè)計選用鋰離子電池作為儲能蓄電池。所選鋰離子電池的特性為：額定電壓是3.7V，終止充電電壓是4.2V,終止放電電壓是2.5V。蓄電池作為系統(tǒng)的儲能裝置，必須對充電電流與充電電壓進行合理的控制，才能保證電池的安全使用，提高電池的使用壽命7。2.2.2 蓄電池充電方法 1.恒流充電法。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。這種充電方法控制簡單，易于做到，適合對多個電池串聯(lián)的電池組進行充電。但是由于電池的可接受電

33、流能力是隨著充電過程而逐漸下降的，到充電后期時，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過多，因此，恒流充電法不能很好地為電池進行充電。 2.恒壓充電法。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。隨著蓄電池兩端電壓的升高，電流逐漸減小。這種充電方法電解水很少，能夠避免蓄電池過充，但在充電初期電流過大，然后快速下降，對蓄電池壽命造成很大影響。鑒于這種缺點，恒壓充電很少使用，只有在充電電壓底而充電電流大的時候使用。 3.恒流恒壓充電法。在充電初期用恒流充電的方法給蓄電池充電，當(dāng)電池兩端的電壓達到終止充電的電壓時，改用恒壓充電的方法，稱為恒流恒壓充電。在恒流充電階段電池可以快速充電，在恒壓

34、充電階段能夠確保電池充到滿容量，這種充電方法所需充電時間短，充電效果好，能延長蓄電池使用壽命，并節(jié)省電能，充電又徹底，所以是當(dāng)前普遍使用的一種充電方法。恒流恒壓充電曲線圖如圖2-14所示8。圖2-14 恒流恒壓充電曲線圖 因此，本設(shè)計選用恒流恒壓充電的方法為蓄電池進行充電。2.2.3 蓄電池充電仿真 蓄電池恒流恒壓充電方法的原理如圖2-15所示。圖2-15 蓄電池恒流恒壓充電原理框圖圖中 Ig蓄電池恒流充電過程的電流參考值，(A)；Ug蓄電池恒壓充電過程的電壓參考值,(V)。 利用MATLAB中simulink軟件環(huán)境可以得到仿真電路2-16所示。仿真結(jié)果如圖2-17所示9。圖2-16 蓄電池

35、恒流恒壓充電仿真原理圖 圖2-17(a) 蓄電池充電仿真電壓變化曲線圖2-17(b) 蓄電池充電仿真電流變化曲線2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了太陽能電池的工作原理與其等效電路模型的建立，分析了太陽能電池的輸出特性和光照強度、溫度對輸出特性的影響；介紹了用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)的太陽能電池最大功率的跟蹤。還使用MATLAB軟件建立了太陽能電池的模型，對太陽能電池最大功率的跟蹤進行了仿真。還闡述了鋰離子電池類型的蓄電池，并介紹了三種常見的充電方式。對恒流恒壓充電方式進行了simulink建模與仿真。第3章 基于芯片的太陽能手機充電器硬件設(shè)計作為人們出行隨身攜帶的電子產(chǎn)品，要求太陽能手機充電器具有體積小、質(zhì)

36、量輕的特點。而作為消費產(chǎn)品，還要求它滿足成本低、可靠性高的特點。本章依據(jù)以上要求，設(shè)計了一款基于集成芯片的太陽能手機充電器。3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 鑒于手機充電器便攜性的要求，本設(shè)計設(shè)計了一種簡單的太陽能手機充電器。它的工作過程是：在滿足條件的情況下，太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲在蓄電池中，這樣就可以隨時為手機充電。在蓄電池的充電管理部分和蓄電池的放電部分都采用專用的芯片來實現(xiàn)，簡化了電路，降低了成本。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。 圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 太陽能電池板的選擇為：開路電壓6.8V,短路電流175mA,最大電壓5.5V,最大電流150mA

37、，峰值功率0.825W外型尺寸是104×69mm；蓄電池的參數(shù)選擇為：選擇鋰離子電池作為儲能蓄電池，標稱電壓3.7V，充電終止電壓4.2V，放電終止電壓2.5V，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MCC628810。3.2 CN3063芯片介紹CN3063是可以用太陽能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。該器件部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。部的8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能

38、電池等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。CN3063只需要極少的外圍元器件，并且符合USB總線技術(shù)規(guī)，非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩珖２抗潭ǖ暮銐撼潆婋妷簽?.2V，也可以通過一個外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。當(dāng)輸入電壓掉電時，CN3063自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3A。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監(jiān)控以與充電狀態(tài)、充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能11。 (1)特點 部集成有8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流；可利用太陽

39、能電池等輸出電流能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用；輸入電壓圍：4.35V 到 6V片功率晶體管；不需要外部阻流二極管和電流檢測電阻；恒壓充電電壓4.2V，也可通過一個外部電阻調(diào)節(jié)；為了激活深度放電的電池和減小功耗，在電池電壓較低時采用涓流充電模式；可設(shè)置的持續(xù)恒流充電電流可達500mA；采用恒流恒壓恒溫模式充電，既可以使充電電流最大化，又可以防止芯片過熱；電源電壓掉電時自動進入低功耗的睡眠模式；充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)雙指示輸出；C/10充電結(jié)束檢測；自動再充電；電池溫度監(jiān)測功能。（2） 工作原理 當(dāng)輸入電壓大于低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3063開始對電池充電。如果電池電壓Kelvi

40、n檢測輸入端(FB)的電壓低于3V，充電器用恒流充電模式充電電流的10%對電池進行充電。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓超過3V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由ISET管腳和GND之間的電阻RISET。確定。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓接近電池端調(diào)制電壓時，充電電流逐漸減小，進入恒壓充電模式。當(dāng)輸入電壓大于4.45V，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，充電周期結(jié)束。如果要開始新的充電周期，只要將輸入電壓斷電，然后再上電就可以了。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓降到再充電閾值以下時，自動開始新的充電周期。芯片部的高

41、精度的電壓基準源，誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的誤差在±1%以，滿足了電池的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3uA，從而增加了待機時間。具有輸入電壓源限流模式，當(dāng)CN3063輸入電壓源的電流輸出能力(帶負載能力)小于第2管腳的電阻RISET所設(shè)置的充電電流時，器件部的8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動控制充電電流，此時實際充電電流可能小于第2管腳的電阻RISET所設(shè)置的充電電流，但是在保證CN3063第4管腳VIN的電壓不低于最小工作電壓4.35V的前提下，能夠使得充電電流最大化，這就是

42、輸入電壓源限流模式。在輸入電壓源限流模式，即使充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的1/10，充電也將繼續(xù)，不會結(jié)束。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。用戶不需要考慮最壞情況，只要根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充電電流就可以了，所以非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源對鋰電池進行充電的應(yīng)用。CN3063芯片部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115時自動降低充電電流，這個功能可以使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件。這樣，用戶在設(shè)計充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只是根據(jù)典型情況進行設(shè)計就可以了，

43、因為在最壞情況下，CN3063會自動減小充電電流。為了防止電池溫度過高或者過低對電池造成的損害，CN3063部集成有電池溫度監(jiān)測電路。電池溫度監(jiān)測是通過測量TEMP管腳的電壓實現(xiàn)的，當(dāng)TEMP管腳的電壓大于46%×VIN超過0.15秒時，芯片正常工作；如果TEMP管腳的電壓小于46%×VIN超過0.15秒，則CN3063認為電池的溫度超出圍，充電將被暫時停止，當(dāng)TEMP管腳的電壓又重新大于46%×VIN超過0.15秒時，充電會繼續(xù)。如果將TEMP管腳接到地，電池溫度監(jiān)測功能將被禁止。TEMP管腳的電壓是由電池的NTC(或PTC)熱敏電阻和一個片外電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)

44、實現(xiàn)的。 (3)參數(shù)設(shè)定在恒流模式，計算充電電流的公式為： (3-1)其中 ICH充電電流，A； RISETISET管腳到地的電阻，。 本設(shè)計中充電電流設(shè)置為1A，則電阻的阻值為1.8K；電源輸入端需要一個旁路電容，一般情況下，22uF的電容可以滿足要求，對電容的類型沒有限制；為了保證充電器正常工作，需要從電池端BAT到GND之間連接一個電容，電容值為4.7uF；VIN與TEMP之間接的片外電阻和熱敏電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)以防止電池溫度過高，片外電阻的推導(dǎo)十分簡單，只要滿足在電池溫度達到高端溫度保護點時，在TEMP管腳分得的電壓為46%×VIN即可。CN3063的應(yīng)用電路如圖3-2所示。圖

45、3-2 蓄電池充電控制電路3.3 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DC-DC變換器。僅需要四個元器,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。電路采用了高性能、低功耗的參考電壓電路結(jié)構(gòu)，同時在生產(chǎn)中引入修正技術(shù)，保證了輸出電壓的高輸出精度與低溫度漂移。置EN使能端，可控制變換器的工作狀態(tài)，可使它處于關(guān)斷省電狀態(tài)，功耗降至最小。MCC6288是一款BOOST 結(jié)構(gòu)、電壓型PFM控制模式的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。芯片部包括輸出 電壓反饋和修正網(wǎng)絡(luò)、啟動電路、震蕩電路、參考電壓電路、PFM 控制電路、過流保護電路以與功率管。MCC628

46、8所需的外部元器件非常少，只需要一個電感、一個肖特基二極管和輸入輸出電容就可以提供2.5V到6.0V 的穩(wěn)定的低噪聲輸出電壓。PFM控制電路是MCC6288的核心，該模塊根據(jù)其他模塊傳遞的輸入電壓信號、負載信號和電流信號來控制功率管的開關(guān)，從而達到控制電路恒壓輸出的作用。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-輸出電壓比例以與負載情況通過削脈沖來調(diào)節(jié)在單位時間功率管導(dǎo)通時間來實現(xiàn)。震蕩電路提供基準震蕩頻率和固定的脈寬。參考電壓電路提供穩(wěn)定的參考電平。并且由于采用部的修正技術(shù)，保證了輸出電壓精度達到±2.5%，同時由于參考電壓經(jīng)過精心的溫度補償設(shè)計考慮，使得芯

47、片的輸出電壓的溫度漂移系數(shù)小于100ppm/。高增益的誤差放大器保證了在不同輸入電壓和不同負載電流情況下穩(wěn)定的輸出電壓。為了減小輸出電壓的紋波和噪聲，誤差放大器采用施密特比較器結(jié)構(gòu)，同時具備很快的響應(yīng)速度。BOOST結(jié)構(gòu)DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率損耗主要是由于電感的寄生串聯(lián)電阻、肖特基二極管的正向?qū)▔航?、功率管的?dǎo)通電阻以與控制功率管信號的驅(qū)動能力這四個方面，當(dāng)然芯片本身消耗的靜態(tài)功耗在低負載的情況下也會影響轉(zhuǎn)換效率。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，芯片部的功率管導(dǎo)通電阻也非常小。功率管有驅(qū)動能力很強的驅(qū)動電路驅(qū)動，保證功率管開關(guān)時的上升沿和下降沿很陡，大大

48、減小了開關(guān)狀態(tài)時的功率損耗。 首先定義： (3-2)1.由公式：(3-3)可計算得電感值為：4.2H，本設(shè)計中取值為10H。2.由公式：(3-4)可計算的輸出電容為：14F，本設(shè)計中取值為：15F。3.二極管的選型為：正向?qū)妷旱?、反?yīng)時間快的肖特基二極管IN5820，峰值反向電壓VRRM =20V，正向平均整流電流IF=3A,正向?qū)▔航礦F=0.85V。4.輸入端加上10uF 以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。 MCC6288的應(yīng)用電路如圖3-3所示。圖3-3 MCC6288應(yīng)用電路3.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了基于集成芯片的太陽能手機充電器的硬件電路設(shè)計，重點介紹了蓄電池充電控制芯

49、片CN3606與放電升壓芯片MCC6288的功能與應(yīng)用電路設(shè)計。第4章 基于MPPT的太陽能手機充電器硬件設(shè)計第3章所設(shè)計的基于集成電路的太陽能手機充電器能夠很大程度上簡化電路的設(shè)計，降低耗能，減少生產(chǎn)成本。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，而且集成電路對電路的散熱要求更高，修理成本高。因而，本章將重點介紹一種以單片機為核心的能實現(xiàn)MPPT的太陽能手機充電器的設(shè)計。它可以檢測到電池充電飽和時的電壓信號變化，然后精準地結(jié)束充電。它還有許多的優(yōu)點，如可靠性高、操作簡單，具有安全性和通用性等, 代表著未來充電器發(fā)展方向。4.1 系統(tǒng)總體

50、設(shè)計4.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計要求本設(shè)計要完成的主要任務(wù)是：太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并把電能儲存在蓄電池中，為手機提供穩(wěn)定的充電電源。具體包括：在恒流充電階段能夠自動調(diào)整太陽能電池的負載，以實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤；太陽能充電器在下能夠給蓄電池進行充電，也可以為手機充電，蓄電池在任何時候可以提供穩(wěn)定的電源給手機充電；系統(tǒng)具有充放電選擇和指示功能。4.1.2 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計1.太陽能電池板的參數(shù)選擇。本設(shè)計選擇的太陽能電池板的參數(shù)具體為：開路電壓4.9V,短路電流1.46A,最大電壓4V,最大電流1.25A，峰值功率5W。 2.蓄電池的參數(shù)選擇。選擇型號為PL526067M的鋰離子電池

51、作為儲能蓄電池，標稱電壓3.7V，充電終止電壓4.2V，放電終止電壓2.5V，額定容量2200mAh，外形尺寸是67.5×60.5×5.2mm。3.充電電路的參數(shù)設(shè)定。輸入電壓的額定值為4V,最大值是4.9V。 輸出電壓額定值為3.7V，變化的圍是2.5V到4.2V。 4.放電電路的參數(shù)設(shè)定。輸入電壓額定值是3.7V，輸出電壓是5V，輸出電流1A，工作頻率50KHz。4.1.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計所設(shè)計的太陽能手機充電器主要包括以下幾個部分：太陽能電池板、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路、控制電路、按鍵與顯示電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。 圖4-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框

52、圖 當(dāng)選擇為蓄電池充電模式時，太陽能電池后所加BOOST電路的作用是:當(dāng)蓄電池兩端的電壓小于2.5V時，輸出100mA的電流進行預(yù)充電；當(dāng)蓄電池兩端的電壓在2.5V到4.2V之間的時候，即在恒流充電階段，首先進行太陽能電池的最大功率跟蹤(通過PWM控制變換器的占空比，來調(diào)整太陽能電池的負載為最佳匹配負載，通過直接檢測太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，連續(xù)計算太陽能電池的輸出功率，通過尋優(yōu)的方法來獲得太陽能電池的最大輸出功率)，輸出電流會逐漸上升直至達到闕值(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，則轉(zhuǎn)入最大功率跟蹤直到輸出電流達到闕值，

53、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到4.2V為止；在恒壓充電階段，使BOOST電路輸出恒定的4.2V直到充電電流將為100mA。當(dāng)選擇為手機直接充電時，BOOST電路將太陽能電池的輸出電壓升壓到穩(wěn)定的5V，直接對手機充電。 放電電路是BOOST升壓電路，將蓄電池輸出的電壓升壓到5V，為手機提供穩(wěn)定的電源進行充電。 控制電路的核心器件是單片機，具體的電路包括:單片機外圍電路、采樣電路、驅(qū)動電路、輔助電源電路?？梢愿鶕?jù)采樣的太陽能電池輸出的電壓與電流信號，調(diào)節(jié)BOOST電路占空比來實現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤和蓄電池充電控制；可以根據(jù)蓄電池兩端電壓信號的檢測判斷是否可以

54、充放電，保護蓄電池；可以根據(jù)蓄電池輸出電壓信號的檢測，調(diào)節(jié)放電電路BOOST電路占空比使輸出電壓穩(wěn)定。4.2 具體硬件電路的設(shè)計4.2.1 基于MPPT的蓄電池充電控制電路設(shè)計圖4-2 最大跟蹤電路圖 太陽能電池的最大功率跟蹤電路如圖4-2所示，包括了屏蔽二極管、電壓檢測電路、電流檢測電路以與BOOST電路。(1)屏蔽二極管 屏蔽二極管的作用是用來防止太陽能電池輸出電壓低于蓄電池兩端電壓時，蓄電池向太陽能電池倒送電能從而消耗蓄電池的能量并導(dǎo)致太陽能電池板發(fā)熱的情況。屏蔽二極管的選型為：采用肖特基二極管RHD31R-40，其峰值反向電壓VRRM =40V，正向平均整流電流IF=3A,正向?qū)▔航?/p>

55、VF=0.55V。(2)BOOST電路設(shè)計 1.開關(guān)頻率的選擇綜合考慮單片機的時鐘頻率、PWM分辨率、電感體積、電路損耗以與噪聲干擾等因素，本設(shè)計選擇的開關(guān)頻率為50KHz。 2.升壓電感設(shè)計 直流升壓電感的設(shè)計目標是紋波電流不超過某個要求值，本設(shè)計中按照經(jīng)驗以直流側(cè)額定電流的20%作為紋波電流的上限。BOOST電路在連續(xù)工作模式下有:(4-1) (4-2)由式(4-1)和式(4-2)可得： (4-3) 計算可知當(dāng)占空比為0.5時，紋波電流達到最大，可得電感的計算公式：(4-4)式中 Vin太陽能電池的輸出電壓； VoutBOOST電路的輸出電壓； D占空比； T周期； f 開關(guān)頻率； Ip電感紋波的峰值電流； Ipmax電感紋波最大峰值電流。將參數(shù)Vout=8V，Ipmax=1.2A，f=50KHz代入式(4-4)可以計算出電感L=33.3H，本設(shè)計取電感值為47H。 3.