陳露　劉忠寶　袁琦杰　楊宗業(yè)

【摘 要】移動(dòng)設(shè)備的傳統(tǒng)充電方式大多采用的數(shù)據(jù)線，通過插頭與電源直接相連。這種充電方式增加了充電的風(fēng)險(xiǎn)性和局限性。而現(xiàn)如今正流行的無線充電技術(shù)雖不需要使用數(shù)據(jù)線，但仍然需要電能的提供。為解決以上種種問題，現(xiàn)提出一種新型的太陽能無線充電器，同時(shí)采用兩種較為成熟的技術(shù)：太陽能發(fā)電技術(shù)、無線充電技術(shù)。利用太陽能作為能源進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)采用電感耦合的方式傳輸電能。結(jié)果表明，太陽能無線充電器能夠降低充電風(fēng)險(xiǎn)，有效提高充電效率。與傳統(tǒng)充電方式相比，太陽能無線充電器具有安全可靠、兼容性更高的特點(diǎn)，具有良好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】無線充電;太陽能發(fā)電;電感耦合

中圖分類號(hào)： TM910.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）31-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.006

0 引言

隨著手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的廣泛使用，傳統(tǒng)的充電器已經(jīng)漸漸不能滿足人們的充電需求。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的太陽能無線充電器相比傳統(tǒng)的充電器具有范圍廣、充電快、兼容性高等優(yōu)點(diǎn)。采用的是現(xiàn)如今正流行的無線充電和太陽能發(fā)電技術(shù)，兩種技術(shù)發(fā)展成熟，太陽能無線充電技術(shù)也將會(huì)被廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的太陽能無線充電器主要采用兩種成熟技術(shù)：太陽能發(fā)電技術(shù)[1]以及無線充電技術(shù)[2]。首先，在現(xiàn)有的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中新增一種基于改進(jìn)的MPPT太陽能控制算法[3]的控制電路，使整個(gè)系統(tǒng)具備太陽能電池最大功率點(diǎn)自動(dòng)追蹤功能，從而讓發(fā)電系統(tǒng)的工作效率得到了提高。其次，為實(shí)現(xiàn)對(duì)一些移動(dòng)電子設(shè)備如手機(jī)等的安全充電，由于過高的電壓或者是過高的的電流都會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的傷害，本次設(shè)計(jì)在無線充電電路的接收端增加了整流穩(wěn)壓電路[4]。為減小無線傳輸過程中的電能損耗，采用串聯(lián)電容[5]的方法進(jìn)行電能補(bǔ)償。最后用51單片機(jī)[6]為核心的控制電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集手機(jī)充電電壓，顯示在外接的液晶屏上。如果系統(tǒng)檢測(cè)到電壓異常，則會(huì)在界面上顯示應(yīng)停止充電。

2 硬件組成部分

2.1 太陽能充電電路

目前，太陽能電池板有折疊型與平板型。而平板型太陽能電池板[7]具有整體性好、吸熱體面積大、故障少等特點(diǎn)，相對(duì)于折疊型太陽能板有更好的性能，于是本次設(shè)計(jì)采用平板型太陽能電池板。

為提高太陽能充電電路的效率，本次設(shè)計(jì)提出了一種改進(jìn)的MPPT太陽能充電控制算法，即采用增量電導(dǎo)算法和BOOST變換器相結(jié)合進(jìn)行輸出。利用增量電導(dǎo)法將太陽能發(fā)電系統(tǒng)通過BOOST變換器[8]連接到負(fù)載，能夠有效跟蹤電路的輸出功率。

2.2 無線電源傳輸芯片的選擇

無線電源發(fā)射芯片傳統(tǒng)上可采用專用無線功率發(fā)射芯片或一些常見的分立元件。如果采用分立元件進(jìn)行無線電源傳輸，人們很容易因?yàn)槭韬龌蛘咤e(cuò)誤操作，造成一些意外事故。因此，本設(shè)計(jì)的無線傳輸系統(tǒng)的核心采用專用無線功率發(fā)射芯片：將XKT-408芯片和T5336芯片相結(jié)合。

XKT408集成電路一般用于智能無線充電系統(tǒng)[9]，可進(jìn)行電源管理。它具有制作精度高，電路穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)。XKT-408電路利用電磁能量轉(zhuǎn)換原理負(fù)責(zé)進(jìn)行電能傳輸，考慮到太陽能無線充電電路中的無線能量傳輸過程需要智能電源管理，且在安全穩(wěn)定性上也有一定的要求，因此本設(shè)計(jì)的智能無線充電[10]的電源管理系統(tǒng)將采用XKT-408集成電路。T5336系列的集成電路用于無線電能傳輸電路，電能傳輸過程中的損耗可用過T5336的端口輸出電壓進(jìn)行控制補(bǔ)償。補(bǔ)償過后的電路所發(fā)射出的電磁波波形和電壓都具有良好的性能。T5336集成電路與XTK-408兩種系列電路相結(jié)合可控制線圈電路的電壓和頻率，是一種性能優(yōu)良的充電控制電路。

2.3 無線電源接收芯片的選擇

在射頻功率接收芯片的選擇上，本設(shè)計(jì)綜合了芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際功能，最終選擇了精度高、穩(wěn)定性好的T3168芯片。由T3168芯片接收無線電源傳輸電路所發(fā)出的電磁波和電壓，實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸。

2.4 控制芯片的選擇

太陽能無線充電器在充電過程中還需要對(duì)接收電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止過電壓損壞設(shè)備。

本項(xiàng)目的充電控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)控制PCF8591芯片，實(shí)時(shí)采集手機(jī)充電電壓，在電路外接一個(gè)1602液晶屏顯示充電電壓，便于用戶觀察數(shù)據(jù)。AT89C51單片機(jī)是主控芯片，PCF8591是信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，在該電路中，它負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

2.5 選擇5v降壓芯片

由上述分析，本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)進(jìn)行電壓采集和顯示。51單片機(jī)需要系統(tǒng)向其提供電源。因此，采用LM2575芯片設(shè)計(jì)5v電壓電路。LM2575系列開關(guān)電源集成電路可實(shí)現(xiàn)一種高穩(wěn)定性、高效率的穩(wěn)壓電路。它內(nèi)部電路可以限制過高電流，電路過熱時(shí)還可自動(dòng)關(guān)斷電路。為配合外部電路，芯片還設(shè)有相應(yīng)的控制引腳。

3 充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽能無線充電系統(tǒng)軟件主要是用來對(duì)太陽能無線充電進(jìn)行控制的平臺(tái)，通過在軟件上的相應(yīng)操作可控制太陽能無線充電器。該系統(tǒng)極具自身特色，迎合市場(chǎng)需求，利用大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)下的操作環(huán)境給生活工作等帶來極大的便捷。軟件簡單易用，界面美觀。

3.1 主界面的設(shè)計(jì)

在所需要操控的計(jì)算機(jī)上需要下載本軟件才能成功運(yùn)行該軟件。下圖為充電軟件的主界面。

主界面顯示了一些信息，其中包括了電壓表信息，電流表信息，模塊狀態(tài)選項(xiàng)等，能夠提供充電過程中的電壓、電流等情況。

圖1

在主界面的右邊顯示了充放電電壓曲線信息，電流曲線信息和電池電壓溫度顯示信息。能夠使用戶更加容易直觀的看出電壓、電流在不同時(shí)間段的變化情況。

3.2 太陽能充電監(jiān)控

經(jīng)過對(duì)應(yīng)的功能菜單指令用戶可點(diǎn)擊太陽能充電監(jiān)控進(jìn)入系統(tǒng)操作界面，用戶根據(jù)系統(tǒng)顯示的功能可了解到太陽能充電監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際需求從系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)太陽能充電監(jiān)控操作，從而可提高用戶的使用更加流暢，系統(tǒng)正常的運(yùn)行。

在充電界面中有一個(gè)恒流定時(shí)信息，在恒流定時(shí)界面中國包括了充電電流信息，充電時(shí)間信息，按設(shè)定時(shí)間恒流充電選項(xiàng)等。

3.3 無線充電數(shù)據(jù)分析

用戶根據(jù)實(shí)際的需求，可以在系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)擊相關(guān)的功能按鍵，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的界面，如圖，用戶可以清楚的，在界面內(nèi)查看到系統(tǒng)顯示的無線充電數(shù)據(jù)分析信息，并且根據(jù)實(shí)際的需求，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鍵，進(jìn)行相關(guān)的功能設(shè)置，詳情如下圖所示：

圖2

在監(jiān)控界面中則包含了一些有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的信息，其中包括了放電方式信息，狀態(tài)選項(xiàng)，參數(shù)選項(xiàng)，設(shè)置選項(xiàng)，電壓信息，電流信息等。

點(diǎn)擊參數(shù)選項(xiàng)，進(jìn)入到參數(shù)界面中，該界面中顯示了一些放電參數(shù)的信息，其中包括了放電方式信息，設(shè)定放電電流信息，設(shè)定放電時(shí)間信息，放電保護(hù)電壓信息等。

4 結(jié)論

太陽能無線充電器因其便捷性與兼容性將會(huì)逐漸被廣泛使用，尤其是在一些電能資源極度匱乏、條件不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)。太陽能電板與無線傳輸相結(jié)合的充電器將會(huì)在不久的將來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的充電設(shè)備，做到更加環(huán)保清潔，充電兼容性也得到提高。本文在兩種成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種簡單的太陽能充電器的設(shè)計(jì)方案，能滿足日常充電需求，具有一定的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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