光伏發(fā)電系統(tǒng)-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、武漢紡織大學(xué)2014屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文PAGE PAGE 251. 引言日常生活和社會(huì)生產(chǎn)都離不開(kāi)能源。人們通過(guò)直接或間接利用某些自然資源得到能，因而，把具有某種形式能量資源以及由它加工或轉(zhuǎn)換得到的產(chǎn)品統(tǒng)稱(chēng)為能源。前者叫自然能源或一次能源，如礦物燃料、植物燃料、太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮芎统毕艿龋笳咄ǔＳ职芽稍偕淖匀毁Y源稱(chēng)為新能源，其范圍包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿取５V物燃料（煤、石油、天然氣等）又稱(chēng)為常規(guī)能源。值得注意，幾乎所有的自然資源，從廣義的角度看都來(lái)自太陽(yáng)能。由大氣、陸地、海洋、生物等所接受的太陽(yáng)能都是各種自然資源的源泉。礦物燃料是古生物長(zhǎng)期沉積在地下形成的

2、，它的形成源自遠(yuǎn)古的太陽(yáng)能。9水的蒸發(fā)和凝結(jié)，風(fēng)、雨、冰、雪等自然現(xiàn)象的動(dòng)力也是靠太陽(yáng)，因而水能、風(fēng)能歸根到底都來(lái)自太陽(yáng)能。生物質(zhì)能是通過(guò)光合、光化作用轉(zhuǎn)化太陽(yáng)輻射能取得的。由于太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍蛏虾Ｋ奈饔卯a(chǎn)生潮汐能。世界上最豐富的永久能源是太陽(yáng)能。地球截取的太陽(yáng)能輻射能通量為1.71014kW,比核能、地?zé)岷鸵δ軆?chǔ)量總和還要大5000多倍。其中約30%被反射回宇宙空間；47%轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，以長(zhǎng)波輻射形式再次返回空間；約23%是水蒸發(fā)、凝結(jié)的動(dòng)力，風(fēng)和波浪的動(dòng)能，植物通過(guò)光合作用吸收的能量不到0.5%。地球每年接受的太陽(yáng)能總量為11018kWh。這相當(dāng)于51014桶原油，是探明原油儲(chǔ)量的近千

3、倍，是世界年耗總能量的一萬(wàn)余倍。太陽(yáng)的能量是如此巨大，正如通常所說(shuō)的“取之不盡、用之不竭”，但是太陽(yáng)輻射能的通量密度較低，大氣層外為1353W/m2.太陽(yáng)光通過(guò)大氣層時(shí)會(huì)進(jìn)一步衰減，還會(huì)受到天氣、晝夜以及空氣污染等因素的影響，因而，太陽(yáng)能對(duì)地球又呈現(xiàn)間歇性質(zhì)，時(shí)高時(shí)低，時(shí)有時(shí)無(wú)。太陽(yáng)能須加有儲(chǔ)熱裝置，這些都使太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的初期投資變得昂貴。綜上所述，太陽(yáng)能利用具有以下明顯的特點(diǎn)：總能量很大，但太陽(yáng)能通量密度較低；是可再生的能源，但又具有間歇性；無(wú)污染的清潔能源；太陽(yáng)能本身是免費(fèi)的，有效利用它的初期投資較高；太陽(yáng)能熱利用較容易實(shí)現(xiàn)熱能能級(jí)的合理匹配，從而做到熱盡使用。隨著環(huán)境污染、生態(tài)破壞及資

4、源枯竭的日趨嚴(yán)重，近年來(lái)世界各國(guó)競(jìng)相實(shí)施了可持續(xù)發(fā)展的能源政策，其中利用太陽(yáng)提供能量的光伏發(fā)電最受矚目。光伏發(fā)電因其具有安全可靠、無(wú)污染、無(wú)需消耗燃料、無(wú)需機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、故障率低、維護(hù)方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，正受到各國(guó)的普遍重視。5迫于全球性日益嚴(yán)重的資源短缺和環(huán)境污染，使得光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅僅是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，更是一個(gè)環(huán)境保護(hù)和能源替代的問(wèn)題。目前光伏電池主要應(yīng)用在并網(wǎng)和未連網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域，因此太陽(yáng)能作為一種沒(méi)有任何污染的、易取的綠色能源，若能應(yīng)用到消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中，對(duì)于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境有著非常重要的意義。便攜式電子設(shè)備進(jìn)入彩屏?xí)r代以后，隨著高分辨率屏幕、MP3MP4影音播放等配置功能的

5、普及，電池待機(jī)性能再次成為制約便攜式電子設(shè)備發(fā)展的瓶頸。太陽(yáng)能移動(dòng)電源是專(zhuān)門(mén)給便攜式電子設(shè)備充電的，與一般移動(dòng)電源不同。目前，太陽(yáng)能移動(dòng)電源一般都內(nèi)置了大容量的蓄電池，在有陽(yáng)光的時(shí)候，太陽(yáng)能電池板吸收光能轉(zhuǎn)化電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，同時(shí)可以給手機(jī)或者數(shù)碼產(chǎn)品充電，因此不需要任何普通電源給其供電。在沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)，蓄電池還可以繼續(xù)給數(shù)碼產(chǎn)品充電。2. 太陽(yáng)移動(dòng)電源方案設(shè)計(jì)2.1 整體方案設(shè)計(jì)太陽(yáng)能移動(dòng)電源系統(tǒng)，一種可利用太陽(yáng)能為蓄電池進(jìn)行充電的設(shè)備，是外出旅行的重要電源之一，那么要求該移動(dòng)電源為便攜式的。太陽(yáng)能移動(dòng)電源應(yīng)包括太陽(yáng)能電池板、控制電路和內(nèi)部蓄電池等。現(xiàn)在將移動(dòng)電源設(shè)計(jì)為如圖2.1所示的形狀。

6、USB接口內(nèi)部鋰電池控制電路電源開(kāi)關(guān)太陽(yáng)能電池板適配器接口LED燈圖2.1 移動(dòng)電源模型2.2 控制電路方案設(shè)計(jì)太陽(yáng)能移動(dòng)電源系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)思想，從負(fù)載鋰離子二次電池的恒流/恒壓充電控制出發(fā)，同時(shí)配有鋰離子蓄電池。當(dāng)在戶外無(wú)220V 交流電時(shí)采用太陽(yáng)能對(duì)負(fù)載鋰離子直接充電同時(shí)對(duì)鋰離子蓄電池充電；當(dāng)陰雨天天氣或夜晚等陽(yáng)光不足時(shí)，采用配置的鋰離子蓄電池對(duì)負(fù)載鋰離子電池充電，以保證任何情況下不間斷。即系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以太陽(yáng)能充電為主，在有足夠的陽(yáng)光且蓄電池又有足夠供電能力的情況下，系統(tǒng)能夠以太陽(yáng)能充電為主給負(fù)載充電，在無(wú)陽(yáng)光或陽(yáng)光弱時(shí)，以蓄電池充電為主給負(fù)載充電，太陽(yáng)能為便攜式電子設(shè)備補(bǔ)電。為了與負(fù)載

7、鋰離子二次電池充電電路相匹配，系統(tǒng)的蓄電池也采用鋰離子蓄電池。鋰離子二次電池的容量是一般負(fù)載電池的2-3 倍，這里選擇3.7V、容量為5000mA的鋰電池。2由于鋰離子二次電池本身不允許過(guò)放電，因此系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了保護(hù)電路以避免蓄電池深度過(guò)放電造成自身永久性傷害。蓄電池的充放電轉(zhuǎn)換可通過(guò)開(kāi)關(guān)按鍵切換，這可遵從系統(tǒng)的充放電指示來(lái)實(shí)行。在系統(tǒng)無(wú)放電指示時(shí)，只要按下按鍵，系統(tǒng)立即切斷放電電路啟動(dòng)充電電路，蓄電池充電；若負(fù)載同時(shí)也需要充電時(shí)，只要接上負(fù)載并切換開(kāi)關(guān)，就能切換充電電路給負(fù)載充電。系統(tǒng)又配備了外接穩(wěn)壓電源輸入端口，在無(wú)陽(yáng)光而蓄電池又無(wú)足夠容量時(shí)，外接交流電源能向負(fù)載充電，同時(shí)為了以防萬(wàn)一，在外

8、出前可利用外接電源通過(guò)該端口給蓄電池充電，這樣就保證陰雨天外出攜式電子設(shè)備也能正常工作。太陽(yáng)能移動(dòng)電源系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)如圖2.2所示：外接市電充電電路太陽(yáng)能板充電電路保護(hù)電路內(nèi)部蓄電池負(fù)載充電電路圖2.2 太陽(yáng)能移動(dòng)電源控制電路結(jié)構(gòu)圖其中，外接市電充電電路可通過(guò)適配器和CN3068芯片對(duì)內(nèi)部蓄電池進(jìn)行恒流和恒壓充電；太陽(yáng)能充電電路主要通過(guò)太陽(yáng)能電池板和MC34063對(duì)電池充電，由于太陽(yáng)能板的電壓隨光強(qiáng)的變化較大，因此采用MC34063芯片，這樣可以選用較大電壓的太陽(yáng)能板，通過(guò)MC34063降壓的同時(shí)也起到了穩(wěn)壓的作用；手機(jī)充電電路也使用MC34063，既能升壓又能穩(wěn)壓，而且還能防過(guò)充；保護(hù)電

9、路則使用UCC3952，對(duì)內(nèi)部蓄電池起到了過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)放電、短路保護(hù)等。3.容量計(jì)算及設(shè)備選型 3.1鋰電池的容量計(jì)算及選型 近年來(lái)，PDA、數(shù)字相機(jī)、手機(jī)、便攜式音頻設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備等越來(lái)越多的產(chǎn)品采用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)。為了與鋰離子二次電池充電電路相匹配，系統(tǒng)的蓄電池也采用鋰離子蓄電池。鋰離子二次電池的容量是一般負(fù)載電池的2-3 倍，這里選擇4.2V、容量為5000mA的鋰電池。3.2 太陽(yáng)能電池板功率計(jì)算及選材 HYPERLINK /search?word=%E9%94%82%E7%94%B5%E6%

10、B1%A0&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 鋰電池可以接受的最大充電電流通常是1C甚至更小，像 HYPERLINK /search?word=ThinkPad%E7%AC%94%E8%AE%B0%E6%9C%AC&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank ThinkPad筆記本電池最大 HYPERLINK /search?word=%E5%85%85%E7%94%B5%E7%8E%87&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 充電率為0.9C。 所謂1C HYPERLINK /search?word=%E

11、5%85%85%E7%94%B5%E7%8E%87&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 充電率指以容量的1 HYPERLINK /search?word=%E5%80%8D%E7%8E%87&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 倍率電流來(lái)充電，充電時(shí)間為1小時(shí)。實(shí)際上，要想電池壽命長(zhǎng)，基本上是以0.30.5C充電42H。充電電流：5000mAh0.5C2.5A太陽(yáng)能電池板功率： 2.5A3.7V7013w所以選用15w左右的單晶硅太陽(yáng)能板，采用的 HYPERLINK /view/174762.htm t _blank 單晶硅太陽(yáng)能

12、電池片轉(zhuǎn)換效率高采用的鋁合金邊框具有高強(qiáng)度，抗機(jī)械沖擊能力強(qiáng)。功率公差范圍(保證輸出功率在-3+3%的正負(fù)公差范圍內(nèi)4. 控制電路的設(shè)計(jì)太陽(yáng)能移動(dòng)電源系統(tǒng)的電路應(yīng)包括太陽(yáng)能充電電路、市電充電電路、鋰電池保護(hù)電路和放電電路等幾個(gè)部分，每個(gè)部分完成其特定的功能，缺一不可。下面就對(duì)每個(gè)部分電路設(shè)計(jì)依次介紹。4.1 太陽(yáng)能充電電路由于光照強(qiáng)度的變化，太陽(yáng)能電池板的電壓是不斷變化的，其內(nèi)阻又比較高，因此其輸出電流也小，這就需要一個(gè)直流變換電路變壓后為電池充電。為了使太陽(yáng)能移動(dòng)電源能在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)工作，則應(yīng)選擇電壓較大的太陽(yáng)能電池板（工作范圍5-7V）。然而，內(nèi)部鋰電池的充電限制電壓為4.2V。因此，

13、為了能夠安全的為內(nèi)部鋰電池充電，選用MC34063作為太陽(yáng)能充電電路，通過(guò)MC34063降壓的同時(shí)也起到了穩(wěn)壓的作用。充電電路如圖4.1所示。圖4.1 太陽(yáng)能充電電路該電路的輸入電壓在5-7V之間，要求輸出電壓為4.2V，輸出電流為500mA。那么MC34063應(yīng)該設(shè)定為降壓模式，如圖3.1。黃色發(fā)光二極管LED3用來(lái)顯示太陽(yáng)能板是否有電壓，并能根據(jù)其明暗程度來(lái)判斷太陽(yáng)能板的電壓大小，要求發(fā)光二極管的電流不超過(guò)30mA,那么限流電阻R3的大小為：R3=（57）V/30mA，取R3=300歐。4.1.1 設(shè)定充電電壓圖4.2 MC34063功能框圖根據(jù)圖4.2所示MC34063的功能框圖可知，引

14、腳FB為比較器的反向輸入端，當(dāng)電池電壓與參考電壓相等時(shí)，開(kāi)關(guān)三極管關(guān)斷，此時(shí)終止對(duì)電池充電。因此，要使輸出電壓VOUT為4.2V，同時(shí)要求FB腳的電壓V5為1.25V，那么：V5=VOUTR5/R6=1.25解得 R5/R6=0.4取 R5=1.2K,R6=3K4.1.2 設(shè)定充電電流MC34063的輸出電流大小由與SC引腳相連的電阻R4來(lái)決定。現(xiàn)要求輸出電流IOUT為500mA,而IOUT=2 Ic , R40.33Ic ,則R4=0.3。4.1.2 設(shè)定其它參數(shù)TC引腳外接電容C3為470PF，電感L1為200uH，那么其工作頻率為72KHz；C4取220UF，那么該電路的輸出電壓波紋系數(shù)

15、為8mV；快速開(kāi)關(guān)二極管D3可選用普通二極管IN4001，也可選用肖特基二極管IN5821，此處為了提高效率，通常選用肖特基二極管IN5821。另外，二極管D2選擇IN4001即可，能防止反向電壓，而電容C2能夠?qū)斎胗袨V波的作用。值得注意的是，在實(shí)踐中，由于電容器等效串聯(lián)電阻和電路板布局的影響，理想的峰峰值輸出紋波電壓的計(jì)算值需要增加。那個(gè)紋波電壓應(yīng)保持在較小值，因?yàn)樗鼘⒅苯右?guī)律性的影響線路和負(fù)載。該充電電路的適用工作溫度范圍 0-70，不能在超過(guò)該溫度的環(huán)境中使用。4.2 市電充電電路在中國(guó)，市電為220V交流電，然而，要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電就必須采用直流，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)整流電路和一個(gè)充電

16、電路。在該充電器中，整流電路可作為適配器電路，充電電路可用鋰電池充電集成電路CN3068來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.2.1適配器電路適配器電路如圖4.3所示。圖4.3 適配器電路圖220V交流輸入，一端經(jīng)過(guò)一個(gè)4007半波整流，另一端經(jīng)過(guò)一個(gè)10歐的電阻后，由10uF電容濾波。這個(gè)10歐的電阻用來(lái)做保護(hù)的，如果后面出現(xiàn)故障等導(dǎo)致過(guò)流，那么這個(gè)電阻將被燒斷，從而避免引起更大的故障。右邊的4007、4700pF電容、82K電阻，構(gòu)成一個(gè)高壓吸收電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)管13003關(guān)斷時(shí)，負(fù)責(zé)吸收線圈上的感應(yīng)電壓，從而防止高壓加到開(kāi)關(guān)管13003上而導(dǎo)致?lián)舸?3003為開(kāi)關(guān)管(完整的名應(yīng)該是MJE13003)，耐壓400V，

17、集電極最大電流1.5A，最大集電極功耗為14W，用來(lái)控制原邊繞組與電源之間的通、斷。當(dāng)原邊繞組不停的通斷時(shí)，就會(huì)在開(kāi)關(guān)變壓器中形成變化的磁場(chǎng)，從而在次級(jí)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于圖中沒(méi)有標(biāo)明繞組的同名端，所以不能看出是正激式還是反激式。不過(guò)，從這個(gè)電路的結(jié)構(gòu)來(lái)看，可以推測(cè)出來(lái)，這個(gè)電源應(yīng)該是反激式的。左端的510K為啟動(dòng)電阻，給開(kāi)關(guān)管提供啟動(dòng)用的基極電流。13003下方的10電阻為電流取樣電阻，電流經(jīng)取樣后變成電壓(其值為10*I)，這電壓經(jīng)二極管4148后，加至三極管C945的基極上。當(dāng)取樣電壓大約大于1.4V，即開(kāi)關(guān)管電流大于0.14A時(shí)，三極管C945導(dǎo)通，從而將開(kāi)關(guān)管13003的基極電壓

18、拉低，從而集電極電流減小，這樣就限制了開(kāi)關(guān)的電流，防止電流過(guò)大而燒毀(其實(shí)這是一個(gè)恒流結(jié)構(gòu)，將開(kāi)關(guān)管的最大電流限制在140mA左右)。變壓器左下方的繞組(取樣繞組)的感應(yīng)電壓經(jīng)整流二極管4148整流，22uF電容濾波后形成取樣電壓。為了分析方便，我們?nèi)∪龢O管C945發(fā)射極一端為地。那么這取樣電壓就是負(fù)的(-4V左右)，并且輸出電壓越高時(shí)，采樣電壓越負(fù)。取樣電壓經(jīng)過(guò)6.2V穩(wěn)壓二極管后，加至開(kāi)關(guān)管13003的基極。前面說(shuō)了，當(dāng)輸出電壓越高時(shí)，那么取樣電壓就越負(fù)，當(dāng)負(fù)到一定程度后，6.2V穩(wěn)壓二極管被擊穿，從而將開(kāi)關(guān)13003的基極電位拉低，這將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)或者推遲開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，從而控制了能量輸入

19、到變壓器中，也就控制了輸出電壓的升高，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出的功能。而下方的1K電阻跟串聯(lián)的2700pF電容，則是正反饋支路，從取樣繞組中取出感應(yīng)電壓，加到開(kāi)關(guān)管的基極上，以維持振蕩。右邊的次級(jí)繞組就沒(méi)有太多好說(shuō)的了，經(jīng)二極管RF93整流，220uF電容濾波后輸出6V的電壓。沒(méi)找到二極管RF93的資料，估計(jì)是一個(gè)快速回復(fù)管，例如肖特基二極管等，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源的工作頻率較高，所以需要工作頻率的二極管。這里可以用常見(jiàn)的1N5816、1N5817等肖特基二極管代替。同樣因?yàn)轭l率高的原因，變壓器也必須使用高頻開(kāi)關(guān)變壓器，鐵心一般為高頻鐵氧體磁芯，具有高的電阻率，以減小渦流。4.2.2充電電路充電電路如圖4.4所

20、示。圖4.4 充電電路圖4.5 CN3068功能框圖設(shè)定充電電壓根據(jù)圖4.5所示CN3068的功能框圖可知，引腳FB為電池電壓檢測(cè)輸入端。此引腳可以檢測(cè)電池正極的電壓，從而精確調(diào)制恒壓充電時(shí)電池正極的電壓，避免了從電池的正極到CN3068的BAT管腳之間的導(dǎo)線電阻或接觸電阻等寄生電阻對(duì)充電的影響。如果在FB管腳和BAT管腳之間接一個(gè)電阻，可以調(diào)整恒壓充電電壓。如圖4.6所示。圖4.6 調(diào)整恒壓充電電壓如果采用圖4.6中的連接方式，那么在電池的正極電壓Vbat為：Vbat 4.23.0410-6Rx其中，Vbat的單位是伏特Rx的單位是歐姆 由于該電路的輸入電壓為6V，要求輸出電壓為4.2V，那

21、么將FB腳和BAT腳直接相連（即Rx=0）時(shí)，輸出電壓為4.2V。設(shè)定充電電流CN3068利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對(duì)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電，充電電流由外部電阻編程設(shè)定，從IR引腳連接一個(gè)外部電阻到地端可以對(duì)充電電流進(jìn)行編程。在預(yù)充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在0.2V；在恒流充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在2V。在恒流模式，計(jì)算充電電流的公式為：ICH = 1800V / RIR其中，ICH 表示充電電流，單位為安培RIR 表示ISET管腳到地的電阻，單位為歐姆現(xiàn)在需要500毫安的充電電流，可按下面的公式計(jì)算：RIR = 1800V/0.5A = 3.6k為了保證良好的穩(wěn)定性和溫度特性，使用精度為

22、1%的金屬膜電阻。通過(guò)測(cè)量IR管腳的電壓可以檢測(cè)充電電流。充電電流可以用下面的公式計(jì)算：ICH = (VIR / RIR) 900三、充電狀態(tài)指示為了避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電池充電，那么就需要顯示充電狀態(tài)，方便用戶在充電結(jié)束后切斷電源。CN3068有兩個(gè)漏極開(kāi)路狀態(tài)指示端，STAT1和STAT2，這兩個(gè)狀態(tài)指示端可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。STAT2用來(lái)指示充電狀態(tài)，在充電時(shí)，STAT2為低電平；STAT1用來(lái)指示充電結(jié)束狀態(tài)，當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，STAT1為低電平。當(dāng)電池的溫度處于正常溫度范圍之外超過(guò)0.15秒時(shí)，STAT1和STAT2管腳都輸出高阻態(tài)。當(dāng)電池沒(méi)有接到移動(dòng)電源時(shí)，移動(dòng)電源很快將輸出電容充電到恒壓充

23、電電壓值，由于電池電壓檢測(cè)輸入端FB管腳的漏電流，F(xiàn)B管腳和BAT管腳的電壓將慢慢下降到再充電閾值，這樣在FB管腳和BAT管腳形成一個(gè)紋波電壓為100mv的波形，同時(shí)STAT2輸出脈沖信號(hào)表示沒(méi)有安裝電池。當(dāng)電池連接端BAT管腳的外接電容C2為4.7uF時(shí)，脈沖的周期大約為10Hz。表4.1列出了兩個(gè)狀態(tài)指示端及其對(duì)應(yīng)的移動(dòng)電源狀態(tài)，STAT2管腳接紅色LED，STAT1管腳接綠色LED。表4.1 充電狀態(tài)指示STAT2管腳電平（對(duì)應(yīng)的LED狀態(tài)）STAT1管腳電平（對(duì)應(yīng)的LED狀態(tài)）狀態(tài)說(shuō)明低電平（紅色LED常亮）高電平（綠色LED滅）正在充電高電平（紅色LED滅）低電平（綠色LED常亮）充

24、電結(jié)束狀態(tài)脈沖信號(hào)（紅色LED閃爍）脈沖信號(hào)（綠色LED亮）電池沒(méi)有接好高電平（紅色LED滅）高電平（綠色LED滅）三種可能異常狀態(tài)： 輸入電壓低于電源低電壓鎖存閾值， 輸入電壓低于電池連接端BAT電壓， 電池溫度異常當(dāng)不用某個(gè)狀態(tài)指示功能時(shí)，將不用的狀態(tài)指示輸出端接到地。四、充電電路的穩(wěn)定性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(gè)電容，電容值為4.7uF。在恒流模式，IR管腳連接的電阻，電容也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常情況下，在IR管腳沒(méi)有外加電容時(shí)，在此管腳可以外接一個(gè)阻值高達(dá)50K的電阻。如果在IR管腳有外接的電容，則在此管腳允許外接的電阻值會(huì)減小。為了使充電器能正常

25、工作，IR管腳外接電阻，電容所形成的極點(diǎn)應(yīng)高于200KHz。假設(shè)IR管腳外接電容C，用下面的公式可以計(jì)算ISET管腳允許外接的最大電阻值：RIR 1(6.282105C)為了在IR管腳監(jiān)測(cè)充電電流，或者隔離IR管腳的電容負(fù)載，可以用一個(gè)RC濾波電路，如圖4.7所示，這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性不受影響。圖4.7 隔離ISET管腳的電容負(fù)載五、其它參數(shù)的設(shè)定TEMP引腳是電池溫度檢測(cè)輸入端。將TEMP腳接到電池的NTC傳感器的輸出端。如果TEMP管腳的電壓小于輸入電壓的47%或者大于輸入電壓的84%超過(guò)0.15秒，意味著電池溫度過(guò)低或過(guò)高，則充電將被暫停。如果TEMP在輸入電壓的47%和84%之間超過(guò)0.1

26、5秒，則電池故障狀態(tài)將被清除，充電將繼續(xù)。在本充電電路中，將TEMP引腳接地，電池溫度監(jiān)測(cè)功能被禁止。電源輸入端需要一個(gè)旁路電容，一般情況下，4.7uF的電容可以滿足要求，對(duì)電容的類(lèi)型沒(méi)有限制，因此C1=4.7uF。4.3 鋰電池保護(hù)電路鋰離子電池保護(hù)電路包括過(guò)度充電保護(hù)、過(guò)電流/短路保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)，要求過(guò)充電保護(hù)高精度、保護(hù)IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。 近年來(lái)，PDA、數(shù)字相機(jī)、手機(jī)、便攜式音頻設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備等越來(lái)越多的產(chǎn)品采用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，鋰電池必須考慮充電、放

27、電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。針對(duì)鋰電池的過(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)電流及短路保護(hù)很重要，所以通常都要求設(shè)計(jì)保護(hù)線路用以保護(hù)鋰電池。由于鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。在過(guò)度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過(guò)剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之，在過(guò)度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，從而降低可充電次數(shù)。鋰離子電池的保護(hù)電路就是要確保這樣的過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全性，并防止特性劣化。本設(shè)計(jì)選用UCC3952作為鋰離子電池保護(hù)電路， UCC3952鋰離子電池保護(hù)電路能加強(qiáng)單個(gè)充電電池組的使用壽命。該保護(hù)電路由內(nèi)部充電和放電電壓限制、帶有延

28、時(shí)關(guān)閉的放電電流限制、當(dāng)電池放電時(shí)的超低電流睡眠模式等組成。其他特征還包括片上一個(gè)為減少外部元件數(shù)量的MOSFET管和為減少功率損耗的電荷泵，同時(shí)還有低電壓充電和放電的電池組。此保護(hù)電路只需要一個(gè)外部電容，并能在短路狀態(tài)操作和安全關(guān)機(jī)。鋰電池保護(hù)電路如圖3.8所示。圖3.8 鋰電池保護(hù)電路鋰電池保護(hù)電路的外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要在CBPS引腳和BNEG之間接一個(gè)0.1F外部電容。而B(niǎo)NEG腳連接電池負(fù)極，PACK+腳連接電池正極。TCLK腳是生產(chǎn)測(cè)試模式引腳，該引腳是在集成電路生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中用來(lái)提供一個(gè)高頻時(shí)鐘，在使用時(shí)該引腳可不連接或接BNEG。保護(hù)電路的功能如下：1過(guò)流的監(jiān)測(cè)和保護(hù)通過(guò)內(nèi)部

29、檢測(cè)電阻可以對(duì)放電電流不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果內(nèi)部出現(xiàn)高電流（超過(guò)3A ）并且存在超過(guò)1ms，那么就認(rèn)為是過(guò)流。這個(gè)延遲使得系統(tǒng)不會(huì)因旁路電容的影響而產(chǎn)生過(guò)流跳閘。在CBPS引腳上接一個(gè)0.1uF的電容來(lái)產(chǎn)生一個(gè)記憶時(shí)間，以保證芯片在一個(gè)極短時(shí)間內(nèi)電池電壓低于最低工作電壓時(shí)能正常工作。一旦達(dá)到過(guò)電流條件，內(nèi)部的MOSFET管將關(guān)閉，使其恢復(fù)正常運(yùn)行的唯一方法是讓負(fù)載離開(kāi)系統(tǒng)的正極PACK+。過(guò)流狀態(tài)將在其內(nèi)部電路將負(fù)極PACK和BENG引腳間的電壓降到50Mv以下時(shí)結(jié)束，從而恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。2充電/放電模式的控制當(dāng)芯片檢測(cè)到處于過(guò)電壓的情況下，它可以防止任何形式的充電，但允許放電。這是通過(guò)激活

30、線性控制回路，在其漏極到源終端的差動(dòng)電壓的基礎(chǔ)上控制MOSFET管的柵極來(lái)實(shí)現(xiàn)。線性回路調(diào)節(jié)MOSFET與100mV的差分電壓。當(dāng)該部分適用于輕負(fù)載時(shí)，回路調(diào)節(jié)MOSFET的阻抗以保持100mV。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，降低MOSFET的阻抗來(lái)保持100mV。在重載（仍低于“過(guò)電流”限制級(jí)別）時(shí)，回路將不會(huì)保持控制，并且將MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)到電池電壓（不是充電輸出電壓）。在過(guò)壓狀態(tài)該MOSFET管的RDS （ on ）將高于在正常工作時(shí)的RDS （ on ）。在此工作模式中，內(nèi)部MOSFET的壓降（和相關(guān)的功率損耗）仍然大大低于兩個(gè)外部背靠背的MOSFET，因?yàn)槠渲杏畜w二極管在運(yùn)行。當(dāng)芯片檢測(cè)到處于

31、欠壓的情況時(shí)，將從電池組上斷開(kāi)負(fù)載，并且關(guān)閉本身，以最大限度地減少電池組的漏電流。幾個(gè)電路仍然供電，把電池組放在充電器中來(lái)檢測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)存在移動(dòng)電源，線性回路將被激活，芯片將允許充電電流進(jìn)入電池。這種線性控制的工作模式，實(shí)際上是直到電池電壓達(dá)到一定程度的VUVR ，到那時(shí)就會(huì)恢復(fù)正常工作。4.4 放電電路經(jīng)測(cè)試，大多數(shù)便攜設(shè)備充電器的輸出電壓在5V-6V之間，輸出電流為500mA。因此，要求對(duì)外充電電路的輸出為5.5V/500mA 。無(wú)論使用太陽(yáng)能板（4.2V）直接對(duì)負(fù)載充電，還是通過(guò)內(nèi)部蓄電池（3.7V）對(duì)負(fù)載充電，其電壓都低于手機(jī)要求的5.5V，那么就需要經(jīng)過(guò)電壓變換后對(duì)負(fù)載充電，選擇MC

32、34063作為控制電路，進(jìn)行升壓變換后對(duì)負(fù)載充電。MC34063在前面的太陽(yáng)能充電電路中已經(jīng)介紹過(guò)了，此處不做重復(fù)說(shuō)明。在本電路中，使用MC34063的升壓工作模式。圖4.9所示為負(fù)載充電電路。圖4.9 負(fù)載充電電路該電路的輸入電壓為3.5V-4.2V，要求輸出電壓為5.5V，輸出電流為500mA。MC34063設(shè)定為升壓模式，如圖3.9。根據(jù)前面對(duì)MC34063的介紹，要使輸出電壓為5.5V，則有VOUT =1.25 (1 + R12/R11)，現(xiàn)在取R11=1K，那么R12=3.6K；要求輸出電流為500mA,即IOUT=2 Ic , R90.33Ic ,則R9=0.3歐。TC引腳外接電容

33、C6為470PF，電感L2為200UH，那么其工作頻率為72KHz；C7取220UF，那么該電路的輸出電壓波紋系數(shù)為8mV。另外，D4能防止反向輸入電壓，電容C5具有濾波的作用。5. PCB板的設(shè)計(jì)在完成了控制電路的設(shè)計(jì)之后，需要繪制整個(gè)充電器的原理圖，并做出其對(duì)應(yīng)的PCB板。一般而言，PCB板的制作過(guò)程可分為三大步驟：原理圖的設(shè)計(jì)、產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表和PCB板的設(shè)計(jì)。在繪制原理圖和制作PCB時(shí)，都采用protel99se作為設(shè)計(jì)軟件。5.1 原理圖的設(shè)計(jì)在制作PCB板之前，首先應(yīng)繪制控制電路的原理圖。運(yùn)行protel99se，新建一個(gè)設(shè)計(jì)庫(kù)，然后新建原理圖文件，由于控制電路中的CN3068、MC34

34、063、UCC3952以及USB接口、適配器接口等都不能在元件庫(kù)中找到，因此，就需要自己制作這些元件庫(kù)及其封裝庫(kù)。在制作好元件庫(kù)之后，就可以開(kāi)始繪制原理圖了。先將需要的元件從元件庫(kù)中找到，然后放置在原理圖中，就可以繪制導(dǎo)線了。圖4.1所示為查找元件對(duì)話框。圖5.1 查找元件對(duì)話框值得注意的是，為了方便PCB板的設(shè)計(jì)，在繪制原理圖時(shí)，需要標(biāo)明元件的封裝形式，圖5.2所示為CN3068設(shè)定的封裝形式。圖5.2 設(shè)定元件的封裝形式在繪制原理圖的過(guò)程中，要充分利用protel99se所提供的原理圖繪圖工具和各種編輯功能，這樣就可得到正確、精美的電路原理圖。（見(jiàn)附圖一）圖5.3 控制電路原理圖5.2 產(chǎn)

35、生網(wǎng)絡(luò)表在繪制完成原理圖后，還要產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表。網(wǎng)絡(luò)表是原理圖設(shè)計(jì)和PCB板設(shè)計(jì)之間的一座橋梁，它是電路板自動(dòng)的靈魂，可以從原理圖中得到。在繪制好的原理圖中單擊Design中的Create Netlist，在選項(xiàng)中選擇如圖4.4所示的選項(xiàng)，然后單擊OK就能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表。圖4.4 生成網(wǎng)絡(luò)表5.3 PCB板的設(shè)計(jì)在進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表。單擊Design中的Netlist,然后選擇前面產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)表，如圖4.5所示。圖4.5 導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表在PCB圖中裝入的原理圖中的所有元件之后，就可以開(kāi)始PCB板的設(shè)計(jì)了。6.結(jié)論本文研究和設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能移動(dòng)電源，一種將利用太陽(yáng)能為蓄電池進(jìn)行充電的設(shè)備，

36、在原有移動(dòng)電源基礎(chǔ)上增加了太陽(yáng)能充電功能，完善了鋰電池保護(hù)功能，在各種天氣下都能長(zhǎng)時(shí)間使用，是外出旅行的重要電源之一。它具有使用方便、安全可靠、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、MP4 播放器、電子詞典等的充電。本設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義：1、太陽(yáng)能移動(dòng)電源在陽(yáng)光下無(wú)需交流電源，直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為直流電能。隨時(shí)隨地可對(duì)手機(jī)等小型電器充電，是喜愛(ài)出游人士、常出差人士、戶外運(yùn)動(dòng)人士、業(yè)務(wù)工作者的必備伴侶。2、太陽(yáng)能移動(dòng)電源是高效太陽(yáng)能電池，內(nèi)置儲(chǔ)能鋰電池，可以閑時(shí)充好電急時(shí)使用。適用于多種型號(hào)手機(jī)及其它電器，徹底消除了缺電、停電、戶外活動(dòng)偶爾用完電池時(shí)候的煩惱。3、太陽(yáng)能移動(dòng)電源充電快，無(wú)電時(shí)陽(yáng)光

37、照射即可以對(duì)手機(jī)等充電，并可在對(duì)電池充電的同時(shí)對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電。4、可以使用市電（220V交流）給電池充電或直接給用電器充電。但是，太陽(yáng)能移動(dòng)電源也存在一些不足：1、太陽(yáng)能電池板價(jià)格較貴，一般為30元/W。而且電池板輸出電壓還很低，需要進(jìn)行升壓變換后才能對(duì)負(fù)載充電。2、太陽(yáng)能移動(dòng)電源對(duì)環(huán)境的要求高。太陽(yáng)能電池板受陽(yáng)光直射時(shí)與沒(méi)有陽(yáng)光照射到時(shí)的輸出的電壓差別很大，在無(wú)陽(yáng)光時(shí)幾乎無(wú)法使用。3、充電時(shí)，不能將負(fù)載與太陽(yáng)能充電器放在相同的環(huán)境中(多數(shù)電器產(chǎn)品是不適宜陽(yáng)光直曬的，容易造成內(nèi)部零件老化)。4、太陽(yáng)能電池板的效率不高，一般為10%15%，即使控制電路的效率非常高，整個(gè)移動(dòng)電源的效率還是很低。7

38、.參考文獻(xiàn)1秦昌勝，qcs畢業(yè)論文，百度文庫(kù)，20022曹振萍，曹振萍的論文，百度文庫(kù)，20033歐美已采用microUSB作為手機(jī)充電器標(biāo)準(zhǔn)，百度文庫(kù)，20034太陽(yáng)能充電器使用說(shuō)明書(shū)，百度文庫(kù)，20035太陽(yáng)能充電電路資料，百度文庫(kù)，20036太陽(yáng)能充電器（價(jià)格），百度文庫(kù)，20037如韻電子，太陽(yáng)能充電器使用說(shuō)明，百度文庫(kù)，20038王菊花，王菊花畢業(yè)設(shè)計(jì)1，百度文庫(kù)，20039電子技術(shù)論壇，開(kāi)關(guān)電源原理及應(yīng)用，百度文庫(kù)，200310安森美公司，TL431中文數(shù)據(jù)手冊(cè)，百度文庫(kù)，200311南京拓徽集成電路有限公司，TP8350數(shù)據(jù)手冊(cè)，百度文庫(kù)，200312AUK半導(dǎo)體公司，S9013

39、三極管數(shù)據(jù)手冊(cè)，百度文庫(kù)，200313日富科技，太陽(yáng)能充電器報(bào)價(jià)，百度文庫(kù)，2005致 謝歷時(shí)將近兩個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫(xiě)完，在論文的寫(xiě)作過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師王曉晶老師，她對(duì)我進(jìn)行了無(wú)私的指導(dǎo)和幫助，HYPERLINK /search?word=不厭其煩&fr=qb_search_exp&ie=utf8不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。另外，在校圖書(shū)館查找資料的時(shí)候，圖書(shū)館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最中心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)

40、，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫(xiě)論文的過(guò)程中給予我了很多素材，還在論文的撰寫(xiě)和排版燈過(guò)程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫(xiě)論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正！目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc27196 1. 引言 PAGEREF _Toc27196 1 HYPERLINK l _Toc24167 2. 太陽(yáng)移動(dòng)電源方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24167 3 HYPERLINK l _Toc18560 2.1 整體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc18560 3

41、HYPERLINK l _Toc12441 2.2 控制電路方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc12441 3 HYPERLINK l _Toc22159 3.容量計(jì)算及設(shè)備選型 PAGEREF _Toc22159 5 HYPERLINK l _Toc5535 3.1鋰電池的容量計(jì)算及選型 PAGEREF _Toc5535 5 HYPERLINK l _Toc8840 4.1 太陽(yáng)能充電電路 PAGEREF _Toc8840 6 HYPERLINK l _Toc18098 4.1.1 設(shè)定充電電壓 PAGEREF _Toc18098 7 HYPERLINK l _Toc8110 4.1.2 設(shè)定

42、充電電流 PAGEREF _Toc8110 7 HYPERLINK l _Toc3067 4.1.2 設(shè)定其它參數(shù) PAGEREF _Toc3067 7 HYPERLINK l _Toc6839 4.2 市電充電電路 PAGEREF _Toc6839 8 HYPERLINK l _Toc6921 4.2.1適配器電路 PAGEREF _Toc6921 8 HYPERLINK l _Toc24111 4.3 鋰電池保護(hù)電路 PAGEREF _Toc24111 14 HYPERLINK l _Toc11097 4.4 放電電路 PAGEREF _Toc11097 16 HYPERLINK l _T

43、oc5943 5. PCB板的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc5943 17 HYPERLINK l _Toc21498 5.1 原理圖的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc21498 17 HYPERLINK l _Toc27979 5.2 產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表 PAGEREF _Toc27979 19 HYPERLINK l _Toc120 5.3 PCB板的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc120 20 HYPERLINK l _Toc5350 6.結(jié)論 PAGEREF _Toc5350 21 HYPERLINK l _Toc9261 7.參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc9261 22 HYPERLINK

44、l _Toc13095 致 謝 PAGEREF _Toc13095 23摘要太陽(yáng)能移動(dòng)電源系統(tǒng)，是一種可利用太陽(yáng)能為蓄電池進(jìn)行充電的設(shè)備，其原理是太陽(yáng)能充電器，是外出旅行的重要電源之一。它具有使用方便、安全可靠、無(wú)污染、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、MP4 播放器、電子詞典等的充電。太陽(yáng)能移動(dòng)電源包括太陽(yáng)能電池板、控制電路和內(nèi)部蓄電池，為了使太陽(yáng)能移動(dòng)電源在任何天氣下都能使用，控制電路包括：當(dāng)在戶外無(wú)220V 交流電時(shí)采用太陽(yáng)能對(duì)負(fù)載鋰離子電池直接充電同時(shí)對(duì)內(nèi)部蓄電池充電；當(dāng)陰雨天或夜晚等陽(yáng)光不足時(shí)采用配置的內(nèi)部蓄電池對(duì)負(fù)載鋰離子電池充電，從而保證任何情況下不間斷。同時(shí)，為了使系統(tǒng)更加完善，還加入了市電充電電路，能夠使用220V交流電對(duì)內(nèi)部蓄電池充電。所以太陽(yáng)能移動(dòng)電源的控制電路包括四個(gè)部分：太陽(yáng)能充電電路，市電充電電路，鋰電池保護(hù)電路以及放電電路。此外，還要繪制控制電路原理圖以及PCB設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能，充電電路，保護(hù)電路，原理圖，