姜杏輝 邵雅婷 張曉俊

摘 要：設(shè)計(jì)了一款太陽能便攜式多功能電源系統(tǒng)，由太陽能電池、鋰離子電池、充放電控制系統(tǒng)等組成。其中電池板供電電壓經(jīng)過Buck型變換器降壓后給鋰離子電池充電。另外，該一體機(jī)提供多種輸出方式，一個(gè)方式經(jīng)過LM2676-5.0穩(wěn)壓電路，穩(wěn)定地輸出5V電壓，手機(jī)、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)等下小功率設(shè)備通過USB口接入即可充電，非常方便。另一方式經(jīng)過Boost變換器升壓，輸出16V、19V的電壓，可為Pad、筆記本等大功率設(shè)備供電。該系統(tǒng)體積小、功能多，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的便攜。

關(guān)鍵詞：Li離子電池 控制系統(tǒng) Buck Boost

中圖分類號：TP33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0064-03

Design and Realizing of the Portable and Multi-Functional Photovoltaic Generation System

Jiang Xinghui1 2 Shao Yating1 Zhang Xiaojun1

（1.College of Physics. Optoelectrics & Energy， of Soochow University ；2.Suzhou Huadian electric Co.，Ltd. ，Suzhou，Jiangsu 215006）

Abstract： This paper presented a portable and multi-functional incorporate photovoltaic generation system which consists of solar cell modules， Li-battery，controller， inverter and external packaging. Voltage supplied by solar cell modules can be used to encharge Li-battery by buck converter.In addition， the system provides several types of the output.One is 5VDC output through a voltage stabilizing circuit based on LM2676-5.0， mobile phone， MP3， MP4， digital cameras and other equipment can be charged through the USB port， so its very convenient.The others are 16V，19V DC output from boosting converter， it can supply power for Pad， notebook and other power equipment. The system is small in size and has a lot of function which really becomes portable.

Key Words： Li-battery； controller； Buck； Boost

近年來，光伏發(fā)電以其資源豐富、分布廣泛、取之不盡、用之不竭、清潔無污染等優(yōu)異的特性在全世界范圍得到快速發(fā)展，被認(rèn)為是當(dāng)今世界最具有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，已經(jīng)成為國際能源開發(fā)利用領(lǐng)域中的新寵[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界各國都十分重視太陽能利用技術(shù)的開發(fā)，而我國因得天獨(dú)厚的地理位置而具有豐富的太陽能資源。我國年太陽能輻射量估計(jì)能達(dá)到 3340-8400MJ/m2。由此可見，充分開發(fā)利用太陽能資源是節(jié)省和替代常規(guī)能源的有效措施，是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。根據(jù)有關(guān)部門預(yù)測，到2050年左右，太陽能將超過石油天然氣等其他常規(guī)能源的使用規(guī)模而成為新能源的典型代表，進(jìn)而在人類的生產(chǎn)生活和社會發(fā)展中扮演重要的角色。

家用太陽能光伏電源系統(tǒng)是太陽能電池在地面應(yīng)用最早的領(lǐng)域之一，特別是牧區(qū)牧民的家庭中得到了應(yīng)用。在中國農(nóng)村電力建設(shè)中發(fā)揮出重要作用，成為解決邊遠(yuǎn)無電地區(qū)人民通電問題的一項(xiàng)主要的技術(shù)手段[2]。

目前市面上主流的各種便攜充電器都只是滿足一種產(chǎn)品的充電，且只能通過電網(wǎng)進(jìn)行充電。該文設(shè)計(jì)了一款新型便攜式電源，既能夠采用傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行充電，也可以采用太陽能電池版進(jìn)行充電，同時(shí)有5V（USB）、12V、16V、19V各種不同檔位可以選擇，解決了以上這兩個(gè)問題，具有廣闊的市場應(yīng)用前景[3-4]。

1 多功能電源的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由太陽能電池方陣、鋰離子電池、充放電控制系統(tǒng)等組成。其中太陽能電池方陣是將許多單個(gè)的太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)組合，并進(jìn)行封裝后構(gòu)成的太陽能電池組件，由半導(dǎo)體材料制成，將太陽能轉(zhuǎn)換成直流形式的電能。

總體設(shè)計(jì)方案分為兩個(gè)部分，內(nèi)部鋰離子電池充電部分及電池放電輸出給外接設(shè)備部分。鋰離子電池充電多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時(shí)停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。本設(shè)計(jì)通過直流電源供電或者太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能供電，太陽能電池板在使用時(shí)由于太陽光變化較大，輸出電壓不穩(wěn)定，因此電池板供電電壓經(jīng)過Buck型變換器降壓后給鋰離子電池充電。同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部AD對充電電流及電池電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換，并由單片機(jī)作判斷處理，單片機(jī)通過編程實(shí)現(xiàn)PWM波控制開關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的改變，并通過顯示電路顯示輸出狀態(tài)及大小。

鋰離子電池有兩個(gè)輸出方式。一個(gè)方式經(jīng)過LM2676-5.0穩(wěn)壓電路，穩(wěn)定地輸出5V電壓，通過USB接口連接小功率設(shè)備，給其供電。另一方式經(jīng)過Boost變換器升壓，輸出16V、19V的電壓，大功率設(shè)備供電。通過SG3525控制PWM，調(diào)整Boost變換器的升壓幅度，從而控制輸出是16V或者19V的電壓。同時(shí)Mega32單片機(jī)獲取放電電流、電壓、過流保護(hù)信息，通過PWM方式控制前端充電電路的通斷保護(hù)設(shè)備。

2 多檔位電源電路設(shè)計(jì)

2.1 鋰離子電池充電控制電路

鋰離子電池是新一代高能充電電池，具有電壓高、循環(huán)性能好和無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)。影響電池循環(huán)使用壽命的主要因素是電池的充電方式與充電效率。因此在便攜式電子產(chǎn)品向更高層次集成度發(fā)展的同時(shí)，如何為鋰離子電池提供高效安全的充電方案越來越受到設(shè)計(jì)者的關(guān)注。針對鋰離子電池的充電特性，本設(shè)計(jì)方案采用恒流-恒壓的充電模式，既不會因過充而損壞芯片，也不會出現(xiàn)充電不足的情況[5]。圖1是鋰離子電池的充電控制電路，通過單片機(jī)C語言實(shí)現(xiàn)PWM控制，PWM調(diào)整場效應(yīng)管的通斷，實(shí)現(xiàn)電池的恒流充電、恒壓充電。從而使輸出電壓U0可控制在12V左右，使鋰離子電池安全穩(wěn)定地充電。

2.2 鋰離子電池放電控制電路

圖2是鋰離子電池放電，16V、19V輸出控制電路圖，鋰電池放電電壓由VOUT口輸入，IRF2907是功率MOSFET，它的通斷同樣通過PWM控制。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如式（1）所示：

（1）

通過調(diào)整功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間或關(guān)斷時(shí)間可以改變變換器的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電壓的放大輸出。其中SG3525芯片是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。其工作電壓范圍為8到35V，5.1V的微調(diào)基準(zhǔn)電源。

開關(guān)降壓電壓穩(wěn)壓器LM2676-5.0處于正常狀態(tài)時(shí)，輸入電壓從8V到40V時(shí)，最大工作電流3A，電路都能穩(wěn)定地輸出5V電壓，轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到94%，連接至USB接口，能夠?qū)崿F(xiàn)小功率設(shè)備的正常供電。電路中L3、D3、C5、C6構(gòu)成BUCK降壓電路，C12、C4可消除輸入連線較長時(shí)其電感效應(yīng)引起的自激振蕩，減小紋波電壓，LM2676-5.0的6號引腳通過獲取輸出電壓VCC和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，快速改變PWM占空比，使輸出電壓一直穩(wěn)定在5V。

3 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體程序框架

本系統(tǒng)單片機(jī)主要完成的任務(wù)是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后生成PWM脈寬調(diào)制信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制輸出大小。在輸出過程中通過單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)檢測輸出電流或電壓，與設(shè)定值比較后調(diào)節(jié)PWM占空比，使輸出趨于設(shè)定值。在鋰離子電池充電過程中，通過檢測電壓電流大小而確定電池充電多少，從而改變充電方式或決定是否停止充電。在鋰離子電池放電過程中，檢測放電電流的大小和過流保護(hù)信息，決定前端充電電路的通斷。同時(shí)單片機(jī)采集電壓信息，通過LED燈的閃爍顯示鋰離子電池的充電信息。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程為：電路啟動初始化，電路功能選擇，輸出選擇并確定輸出。程序整體框架如圖3所示。

3.2 充、放電子程序的設(shè)計(jì)

鋰離子電池的充電過程分兩階段進(jìn)行，第一階段為恒流充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到恒流電壓閾值時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段，即恒壓充電方式，恒壓充電電流會隨著時(shí)間的推移而逐漸降低，待充電電流降到0.1mA時(shí)，表明電池已充到額定容量的93%～95%，此時(shí)即可認(rèn)為基本充滿，如果繼續(xù)充下去，充電電流會慢慢降低到零，電池完全充滿。充電過程中，“充電”指示燈亮；充滿時(shí)，“充飽”指示燈亮，“充電”指示燈滅。

移動電源通過內(nèi)置鋰離子電池給外接電池充電，或者作為普通的直流電源供外接設(shè)備直接使用，都有完善的過流保護(hù)功能，確保電子產(chǎn)品的安全使用。單片機(jī)通過采集鋰離子電池的放電電流和過流保護(hù)信息，通過PWM控制前端鋰離子電池充電電路的通斷及過流保護(hù)的切斷。

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了一款太陽能便攜多功能電源，只要外接太陽能電池板或者直流電源，便可實(shí)現(xiàn)對鋰鋰離子電池充電，充電時(shí)三個(gè)LED燈閃爍，充電完畢后全亮。手機(jī)、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)等下小功率設(shè)備通過USB口接入，即可充電，非常方便。同時(shí)，該移動電源另設(shè)有12V、16V、19V三個(gè)不同檔位輸出，可為Pad、筆記本等大功率設(shè)備供電。該太陽能移動電源移動解決了使用者外出時(shí)移動設(shè)備因電用完而不工作的困擾，同時(shí)它體積小、質(zhì)量輕，幾乎不占多少空間，便于攜帶。另外它白天充分利用了太陽能供電，夜晚通過鋰離子電池實(shí)現(xiàn)電能的存儲，同樣能給設(shè)備供電，很有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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