太阳能手机充电器的设计与仿真设计(共74页).doc

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At present, the solar cell application in portable electronic devices has 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 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 solar 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 charger 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 录第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 太阳能研究的背景及意义随着人们对化石能源的开采，能源日益紧缺，再加上化石能源对环境的污染越来越严重，环保的压力不断增大，寻找廉价的新型的清洁能源，成为了世界各国的发展方向。对于地球来说，接收到的太阳能远远大于所利用的能量，这就造成了能源和资源的浪费。而且，太阳能属于清洁能源，不会产生化石燃料燃烧所产生的温室气体，更不会对环境造成污染。因此，为了提高国际竞争力，各国对于太阳能资源的利用和开发更是刻不容缓。太阳能产业的发展不仅是单纯的经济问题，更是能源替代和环保的问题。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，转换过程中不释放包括二氧化碳在内的温室气体，是对环境没有任何污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室效应具有非常重大的意义。目前，太阳能电池的应用已从军事、航天领域进入到工业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。而且随着太阳能电池技术的改进以及新型光电转换装置的发明，以及各国对环境的保护要求和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍是利用太阳辐射能切实可行的方法，为人类将来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。太阳能电池技术最重要的研究内容，就是如何在给定光电转换材料和电池的条件下，完成高效可靠的充电。随着太阳能电池板价格方面越来越便宜和科学家在光伏技术方面研究的不断深入，人类对于太阳能的利用将会越来越多。但是，太阳能光伏发电技术在家庭小产品方面的应用实例还是相对较少的，如目前使用太阳能充电的手机充电器还没有被广大消费者普遍接受。因此，太阳能作为一种容易获取、对环境无污染的绿色能源若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境问题有着巨大的意义。1.1.2 手机充电器研究的背景及意义 自马丁库伯在1973年发明了手机，经过几十年的发展它已经成为了人们生活中不可或缺的通讯工具。目前，中国已拥有13亿的手机用户，如果手机无法正常使用，将会给我们的工作、生活带来许多的不便，甚至造成巨大的损失。手机充电器作为手机的一个必不可分的组件，它的性能好坏，会直接影响到手机的正常使用，所以手机充电器的作用至关重要。然而现在市场上有些充电器的产品质量并不能满足要求，而且还存在着安全隐患。充电器的质量、安全等一系列问题不仅直接影响着手机的正常使用，还使手机电池的寿命大大减少。尤其是安全问题特别重要，有关手机在充电过程中发生爆炸的事故很多，这很大程度上和手机充电器的质量有关。所以手机充电器的质量不能保证的话，一旦出现意外，就会产生难以想象的危害。而智能充电器能够对充电过程进行控制，不仅可以在充电过程中对电池进行保护，还可以防止过电压并控制充电温度1。还存在的一个问题是，手机电池的储能是有限的，外出远离市电的人们经常会遇到手机没电又无法及时补充电能的情况，这时，太阳能手机充电器的优点就显现出来。首先，它特别适合应急的场合，只要有阳光的地方就可以进行充电；其次，它体现了节能、环保的理念，是一款绿色的产品。综上所述，太阳能手机充电器具有非常广阔的发展前景和巨大的现实意义。1.2 市场产品概况及国内外研究现状1.2.1 市场产品概况如今，市场上手机充电器的类型主要有旅行手机充电器、座式充手机电器、车载手机充电器、无线手机充电器、太阳能手机充电器等。目前，市场上销售最多的是旅行手机充电器，严格地从充电电路进行分析，只有非常少的一部分充电器属于真正意义上的智能控制手机充电器。现在一些较好的手机充电器有如下特点：多电压可选、限流保护、体积小、重量轻、快速充电、自动关断等。而且随着节能环保概念的提出，对手机充电器节能环保与可靠性也提出了更高的要求，因此，太阳能手机充电器必然成为以后手机充电器的一种发展趋势。1.2.2 太阳能国内研究状况中国从1958年开始了太阳能电池的研究，在1971年成功应用在东方红二号卫星上，于1973年开始应用在地面上。可以说我国的光伏发电起步较晚，但是发展速度较快。中国的光伏发电产业在20世纪80年代以前一直处于起步阶段，但是随着我国的经济发展，政府对光伏发电产业的关注与投入也越来越大。自2002年起，我国太阳能电池制造业高速发展，但是，在太阳能电池的应用方面，跟发达国家相比，我国太阳能光伏电池的市场需求相对较小，发展相对缓慢，工艺技术方面也比较落后，在国外的市场仍面临着严峻的考验。在太阳能电池的研究方面，国内很多高校和研究机构也都长期致力于太阳能光伏发电技术的研究，并积累了许多经验也取得了一些的研究成果。虽然与国外相比，我国的技术水平和投入力度还有很多不足，在太阳能光伏发电的应用层面上还有很大的发展空间，但是，随着我国经济的进一步发展，以后一定可以利用丰富的太阳能资源解决资源短缺的问题。1.2.3 太阳能国外研究状况太阳能光伏产业从20世纪80年代以来一直持续发展，太阳能光伏发电技术应用于全世界，特别是在非洲、澳洲、南美洲、亚洲等国家普遍受到重视。为了鼓励开发和利用光伏能源，各国政府出台了各种鼓励政策以推动太阳能光伏发电产业的发展，尤其以美国、德国等一些西方发达国家为主。德国率先推出“1000太阳能屋顶计划”，美国也在1997年提出“百万屋顶计划”，并制定相关的财政补贴政策，此后，意大利、法国、西班牙荷兰等国家也纷纷出台政策以鼓励、促进太阳能光电产业的发展2。使得其应用范围遍及到几乎所有的用电领域。太阳能电池的光电转换效率也随着技术的进步不断地提高，晶体硅的光电转换效率达到15%，单晶硅的光电转换效率为23.3%，砷化镓光电池的光电转换效率是25%，特别是新型的薄膜太阳能电池由于用硅量只有硅片电池的1/100，加工工艺简化，可以大大缩短能量返还的时间，提高能量的再生比。1.3 课题研究的主要内容本文在对太阳能手机充电器进行了理论研究与计算机仿真的基础上，设计了两种太阳能手机充电器，即基于集成芯片的太阳能手机充电器与基于MPPT的太阳能手机充电器。对两种太阳能手机充电器设计方案进行了比对，阐述了各自的优缺点。并且在硬件电路与软件程序方面进行了详细的设计，使其能够实现其作为充电器应具备的基本功能。还应用MATLAB仿真软件对电路进行了仿真研究。1.4 本章小结本章主要从太阳能与手机充电器研究的背景和意义、太阳能产业国内外研究的现状以及手机充电器的市场分析几个方面介绍了本文所设计的太阳能手机充电器的研究意义与价值，并且说明了本文设计的主要内容。第2章 太阳能电池与蓄电池的论述2.1 太阳能电池的研究 2.1.1 太阳能电池的工作原理太阳能电池是以半导体PN结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器件。太阳能电池的组成材料是半导体，其中硅应用的最为广泛。其工作原理是：当太阳光照射在半导体表面时，半导体吸收光能，并且产生许多光电子-空穴对，在半导体内的电场的作用下，光生电子和空穴被分离，半导体两端出现异种电荷的积累，即产生光生电压。如果在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有光生电流流过，从而获得了功率的输出3。这样，太阳能通过太阳能电池就转换为了可以使用的电能。当把很多光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，就构成了光伏电池组件，经过封装就成为了常见的太阳能电池板，可以在太阳光的作用下输出功率满足特定场合的需求的电能。2.1.2 太阳能电池的等效电路光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，其等效电路由光生电流源及一系列电阻组成，如图2-1所示。图2-1 太阳能电池等效电路图 用公式表示太阳能电池发电状态的电流方程式为： (2-1) (2-2) 式中 Iph光生电流，(A)； Io二极管反向饱和电流，(A)； q电子电荷(1.6×10-9C)； K玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)； T绝对温度，(K)； APN结的曲线常数；当光照条件与温度一定时，根据公式(2-2)得到太阳能电池的I-V特性曲线与P-V特性曲线，如图2-2所示4。 图2-2(a) 太阳能电池的I-V特性曲线图2-2(b)太阳能电池的P-V特性曲线由图2-2可以得到太阳能电池的几个重要的参数：短路电流(Isc)：在给定光照强度和温度下的最大输出电流；开路电压(Voc)：在给定光照强度和温度下的最大输出电压；最大功率点电流(Im)：在给定光照强度和温度下相对于最大功率点的电流；最大功率点电压(Vm)：在给定光照强度和温度下相对于最大功率点的电压；最大功率点功率(Pm)：在给定光照强度和温度下输出的最大功率。2.1.3 太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性受多种外界因素的影响，尤其是光照强度和温度。太阳能电池输出电压、输出电流与输出功率随光照强度的变化曲线如图2-3所示，太阳能电池输出电压、输出电流与输出功率随温度的变化曲线如图2-4所示。 图2-3(a) 太阳能电池在25下不同光照强度下的I-V特性曲线图2-3(b) 太阳能电池在25下不同光照强度下的P-V特性曲线由图2-3可以看出，短路电流随着光照强度的增加而大幅增加，开路电压随光照强度的增加略有增加，所以，输出功率是随着光照强度的增加而增加的。图2-4(a) 太阳能电池在S=1000W/时不同温度下的I-V特性曲线图2-4(b) 太阳能电池在S=1000W/时不同温度下的P-V特性曲线由图2-4可以看出，短路电流随温度的升高而略有增加，开路电压随温度的升高而大幅减少，所以，输出功率是随着温度的升高而降低的。2.1.4 太阳能电池仿真模型的建立把式(2-2)进行近似，即忽略(U+IRs)/Rsh，并且设定Iph=Isc。设在开路状态下：I=0，V=Voc；在最大功率点处：V=Vm，I=Im。由上述条件可以把式(2-2)化简为： (2-3)在最大功率点处有： (2-4)在常温条件下：expVm/(C2Voc)1，可忽略“-1”项，得出C1为： (2-5)在开路状态下，把式(2-5)带入式(2-3)得： (2-6) 由于exp(1/C2)1，可忽略“-1”项，得到C2： (2-7)按照标准，取Sref=1000W/m2，Tref=25为参考光照强度与温度。设T为任意光照强度S及任意温度Tair下的太阳能电池的温度，则有： (2-8)对于I-V特性曲线上任意一点(V'，I')有： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13)式中 参考光照强度下的电流温度系数，取0.0012Isc(A/)； 参考光照强度下的电压温度系数，取0.005Voc(V/)。 根据上文中的数学模型，建立的太阳能电池的simulink模型如图2-5所示。 图2-5 simulink太阳能电池模型2.1.5太阳能电池最大功率的实现太阳能电池是一种非线性电源，其最大功率点是随着光照强度和温度的变化而变化的。最大功率点跟踪(MPPT)就是要使系统工作点跟踪最大功率的变化，使光电转换效率达到最大。为了实现最大功率点跟踪，需要在太阳能电池与负载之间接入DC/DC变换器，通过对DC/DC变化器的PWM驱动。 图2-6 太阳能电池最大功率跟踪原理图 (1)最大功率跟踪控制算法 现在有多种MPPT控制的算法，电导增量法因其控制准确，响应速度快而得到了广泛的应用。 因为太阳能电池的P-V曲线在最大功率点处的斜率是零，于是得到： (2-14) 即： (2-15)式(2-15)就是实现MPPT的条件，也就是说，当输出电导的变化量与输出电导的负值相同时，太阳能电池工作于最大工作点处。电导增量法的流程图如图2-7所示，simulink仿真模块如图2-8所示。图2-7 电导增量法计算流程图图2-8 电导增量法的simulink仿真模块 (2)升压变换器 DC/DC变换器采用BOOST电路，太阳能电池的输出电压Upv就是BOOST电路的电源，设BOOST电路的输出电压为Uo。BOOST电路如图2-9所示，当开关管导通时，二极管VD关断，电源Upv 向大电感L储存能量，同时大电容向负载RL供电，此时Uo=Upv；当开关管关断时，电感的电流不能突变，二极管导通，电感与电容一起向负载供电，同时向电容充电，此时Uo=Upv-UL。由上述工作原理，整理可得BOOST 电路输入电压Upv与输出电压Uo之间的关系为： (2-16) 输入电流IL与输出电流Io之间的关系为： (2-17)则等效电阻Req为: (2-18) 由式(2-18)可知，调节BOOST电路的开关的占空比D，就可以改变输入阻抗的大小，当BOOST电路的等效输入阻抗与太阳能电池的输出阻抗相匹配时，太阳能电池的输出功率达到最大6。 图2-9 BOOST升压变化器电路图 (3)仿真结果 基于BOOST电路，对太阳能电池的最大功率跟踪进行simulink仿真，该仿真模块主要包括：太阳能电池模块、MPPT模块、BOOST电路部分。其主要研究在不同光照强度与温度下太阳能电池输出最大功率的变化。仿真模型如图2-10所示。图2-10 实现MPPT的simulink仿真模块设太阳能电池工作的光照强度与温度的初始值分别是1000W/和25。在仿真时间为200s时，光照强度变为800W/，温度不变为25；在仿真时间到达350s时，温度变为30，光照强度为800W/。得到太阳能电池输出的电流、电压、功率的波形图如图2-11、图2-12、图2-13所示。 图2-11 输出电流波形图2-12 输出电压波形 图2-13 输出功率波形 由仿真结果可以看出，在200s时，由于光照强度的减少，输出电压与输出功率随之降低，最后趋于稳定，即此时输出的功率为该条件下的最大功率；在350s时，输出电压与输出功率也随着温度的增加而降低，最终寻得该条件的最大功率。从而验证了电导增量法实现MPPT的正确性。2.2 蓄电池及其充电控制2.2.1 蓄电池介绍 蓄电池可以储存白天吸收的太阳能，这样就可以随时为手机充电，使得太阳能手机充电器更具有实用性和便捷性。现在，普遍应用的储能电池主要有:镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。与其他电池相比，锂离子电池具有能量密度高、容量大、体积小、重量轻、寿命长、没有记忆效果等优点，广泛应用与各类电子产品中。因此，本设计选用锂离子电池作为储能蓄电池。所选锂离子电池的特性为：额定电压是3.7V，终止充电电压是4.2V,终止放电电压是2.5V。蓄电池作为系统的储能装置，必须对充电电流与充电电压进行合理的控制，才能保证电池的安全使用，提高电池的使用寿命7。2.2.2 蓄电池充电方法 1.恒流充电法。在充电过程中充电电流始终保持不变，称为恒定电流充电法。这种充电方法控制简单，易于做到，适合对多个电池串联的电池组进行充电。但是由于电池的可接受电流能力是随着充电过程而逐渐下降的，到充电后期时，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过多，因此，恒流充电法不能很好地为电池进行充电。 2.恒压充电法。在充电过程中充电电压始终保持不变，称为恒定电压充电法。随着蓄电池两端电压的升高，电流逐渐减小。这种充电方法电解水很少，能够避免蓄电池过充，但在充电初期电流过大，然后快速下降，对蓄电池寿命造成很大影响。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电压底而充电电流大的时候使用。 3.恒流恒压充电法。在充电初期用恒流充电的方法给蓄电池充电，当电池两端的电压达到终止充电的电压时，改用恒压充电的方法，称为恒流恒压充电。在恒流充电阶段电池可以快速充电，在恒压充电阶段能够确保电池充到满容量，这种充电方法所需充电时间短，充电效果好，能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电又彻底，所以是当前普遍使用的一种充电方法。恒流恒压充电曲线图如图2-14所示8。 图2-14 恒流恒压充电曲线图 因此，本设计选用恒流恒压充电的方法为蓄电池进行充电。2.2.3 蓄电池充电仿真 蓄电池恒流恒压充电方法的原理如图2-15所示。图2-15 蓄电池恒流恒压充电原理框图图中 Ig蓄电池恒流充电过程的电流参考值，(A)； Ug蓄电池恒压充电过程的电压参考值,(V)。 利用MATLAB中simulink软件环境可以得到仿真电路2-16所示。仿真结果如图2-17所示9。图2-16 蓄电池恒流恒压充电仿真原理图 图2-17(a) 蓄电池充电仿真电压变化曲线图2-17(b) 蓄电池充电仿真电流变化曲线2.3 本章小结本章主要介绍了太阳能电池的工作原理与其等效电路模型的建立，分析了太阳能电池的输出特性和光照强度、温度对输出特性的影响；介绍了用电导增量法实现的太阳能电池最大功率的跟踪。还使用MATLAB软件建立了太阳能电池的模型，对太阳能电池最大功率的跟踪进行了仿真。还阐述了锂离子电池类型的蓄电池，并介绍了三种常见的充电方式。对恒流恒压充电方式进行了simulink建模与仿真。第3章 基于芯片的太阳能手机充电器硬件设计作为人们出行随身携带的电子产品，要求太阳能手机充电器具有体积小、质量轻的特点。而作为消费产品，还要求它满足成本低、可靠性高的特点。本章依据以上要求，设计了一款基于集成芯片的太阳能手机充电器。3.1系统结构与参数设计 (1)系统结构设计 鉴于手机充电器便携性的要求，本设计设计了一种简单的太阳能手机充电器。它的工作过程是：在阳光满足条件的情况下，太阳能电池将太阳能转化为电能存储在蓄电池中，这样就可以随时为手机充电。在蓄电池的充电管理部分和蓄电池的放电部分都采用专用的芯片来实现，简化了电路，降低了成本。系统的结构框图如图3-1所示。 图3-1 系统结构框图 (2)系统参数设计 太阳能电池板的选择为：开路电压6.8V,短路电流175mA,最大电压5.5V,最大电流150mA，峰值功率0.825W外型尺寸是104×69mm；蓄电池的参数选择为：选择锂离子电池作为储能蓄电池，标称电压3.7V，充电终止电压4.2V，放电终止电压2.5V，额定容量1000mAh；蓄电池的充电控制芯片选为CN3063，蓄电池放电电路的升压芯片选为MCC628810。3.2 CN3063芯片介绍CN3063是可以用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3063只需要极少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的领域。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3063自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3A。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态、充电结束状态指示等功能11。 (1)特点 内部集成有8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流；可利用太阳能电池等输出电流能力有限的电压源供电的锂电池充电应用；输入电压范围：4.35V 到 6V片内功率晶体管；不需要外部阻流二极管和电流检测电阻；恒压充电电压4.2V，也可通过一个外部电阻调节；为了激活深度放电的电池和减小功耗，在电池电压较低时采用涓流充电模式；可设置的持续恒流充电电流可达500mA；采用恒流恒压恒温模式充电，既可以使充电电流最大化，又可以防止芯片过热；电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式；充电状态和充电结束状态双指示输出；C/10充电结束检测；自动再充电；电池温度监测功能。（2） 工作原理 当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时，CN3063开始对电池充电。如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于3V，充电器用恒流充电模式充电电流的10%对电池进行充电。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻RISET。确定。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，进入恒压充电模式。当输入电压大于4.45V，并且充电电流减小到充电结束阈值(恒流充电电流的10%)时，充电周期结束。如果要开始新的充电周期，只要将输入电压断电，然后再上电就可以了。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压降到再充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。芯片内部的高精度的电压基准源，误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的误差在±1%以内，满足了电池的要求。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3uA，从而增加了待机时间。具有输入电压源限流模式，当CN3063输入电压源的电流输出能力(带负载能力)小于第2管脚的电阻RISET所设置的充电电流时，器件内部的8位模拟-数字转换电路根据输入电压源的电流输出能力自动控制充电电流，此时实际充电电流可能小于第2管脚的电阻RISET所设置的充电电流，但是在保证CN3063第4管脚VIN的电压不低于最小工作电压4.35V的前提下，能够使得充电电流最大化，这就是输入电压源限流模式。在输入电压源限流模式，即使充电电流小于所设置的恒流充电电流的1/10，充电也将继续，不会结束。这样可以保证即使在输入电压源的电流输出能力很微弱的情况下，也能为电池充电。用户不需要考虑最坏情况，只要根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流就可以了，所以非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源对锂电池进行充电的应用。CN3063芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115时自动降低充电电流，这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力，不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。这样，用户在设计充电电流时，可以不用考虑最坏情况，而只是根据典型情况进行设计就可以了，因为在最坏情况下，CN3063会自动减小充电电流。为了防止电池温度过高或者过低对电池造成的损害，CN3063内部集成有电池温度监测电路。电池温度监测是通过测量TEMP管脚的电压实现的，当TEMP管脚的电压大于46%×VIN超过0.15秒时，芯片正常工作；如果TEMP管脚的电压小于46%×VIN超过0.15秒，则CN30