太阳能手机移动充电器设计论文.docx
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太阳能手机移动充电器设计论文
学科分类号
本科生毕业论文(设计)
题目(中文):
(英文):
学生姓名:
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指导教师:
起止日期:
年月日
怀化学院本科毕业论文(设计)诚信声明
作者郑重声明:
所呈交的本科毕业论文(设计),是在指导老师的指导下,独立进行研究所取得的成果,成果不存在知识产权争议。
除文中已经注明引用的内容外,论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。
对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。
本声明的法律结果由作者承担。
本科毕业论文(设计)作者签名:
年月日
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
关键词………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………Ⅰ
Keywords……………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论……………………………………………………………………………1
3.3电池管理电路设计………………………………………………13
3.3.1CN3083芯片介绍…………………………………………13
3.3.2电源管理模块设计…………………………………………17
4电路测试……………………………………………………………………22
附录……………………………………………………………………………25
附录1电路原理图……………………………………………………………25
附录2电路PCB图……………………………………………………………26
附录3元器件清单……………………………………………………………27
附录4实物图…………………………………………………………………28
太阳能手机移动充电器
⏹摘要
目前对太阳能利用主要体现在两方面:
光热转换与光电转换,本文利用太阳能光电转换特性,设计了一种在没有电源的情况下也能随时随地给各种移动设备充电的便携式太阳能充电器。
本文的设计是通过太阳板进行光电转换产生电能,通过可以拾取小信号的升压电路来弥补电池板输出电压不足,经过电池管理电路防止电池的过充过放充分保护电池达到高效率,低功耗充电智能化的效果。
升压电路的设计利用了TI公司具有超低功耗,高效直流/直流升压的BQ25505,只要在大于300mV的电压下冷启动就能在输入电压低至100mV时持续能量采集,可编程最大功率点跟踪。
电池管理电路的核心是利用了CN3083,能根据输入电压源的电流输出能力自动调节充电电流,采用恒流/恒压/恒温模式充电,电源掉电时自动进入低功耗睡眠模式。
能持续稳定的给用户供电,给你的生活带来很大的方便。
既节约了能量,又使用方便,是居家旅行的必备品。
⏹关键词
太阳能;电池管理;变换器
⏹Abstract
Atpresenttheuseofsolarenergyismainlyembodiedintwoaspects:
thesunlighttransformationandphotoelectric,thispaper,byusingsolarphotoelectriccharacteristics,designawaythatthereisnopower,itcanalsochargerforvariousmobileanywhereatanytime.
Thedesignofthispaperisthroughthesolarphotovoltaicpanelsboardofphotovoltaicconversiongenerateelectricity,andboostercircuitwhichcanpickupsmallsignaltocompensateoutputvoltageforthepanel,afterthebatterymanagementcircuittopreventthebatteryoverchargeexcessivedischargefullyprotectthebatterytoachievehighefficiency,lowpowerconsumptionintelligentchargingeffect.ThedesigntakesBQ25505producedbyTIasboostedcircuit,withultra-lowpowerconsumption,highperformanceDC/DCboost.aslongasunderthevoltageofthegreaterthan300mV,coldstartcansustainedenergyharvestingandprogrammablemaximumpowerpointtrackingatlowinputvoltageto100mV.BatterymanagementcircuitcoreistousetheCN3083,thechipcanautomaticallyadjustthechargingcurrentaccordingtothecurrentoutputcapacityoftheinputvoltage,Usingconstantcurrent/constantvoltage/constanttemperaturemodetocharging,itcanautomaticallyintolowpowersleepmodewhenpoweroff.Itcansupplycontinuousandstablepowertousers,bringsgreatconveniencetoyourlife.Itcansavesenergy,andeasytouse,istheessentialsofhometravel.
⏹Keywords
Solar energy;Batterymanagement; Converter
1绪论
⏹1.1本课题研究背景
随着电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,减少不可再生资源的消耗和环境污染,缓解能源压力,而且太阳能居家旅行使用方便,经济实用,光能开发势必会成为经济发展的新动力。
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,使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体,是对环境无污染的可再生能源。
这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。
目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、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制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明,各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求,太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法,可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景[1]。
⏹1.2本课题研究目的与意义
使用手机的人都有过这样的经历,外出或旅游时电池突然没电了,特别是在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上,没电、电量不足,使手机变成了信息交流的盲区,造成不必要的麻烦和经济损失。
为了解决这样的问题,本课题研究了一种太阳能充电器,它可以很好的解决上述问题,给你的生活带来很大的方便。
既节约了能量,又使用方便,是居家旅行的必备品。
通过本课题的研究,除了对所学知识的进一步巩固外,还可以把理论与实践结合起来,把知识转变成生产力,创造使用价值,给人们的生活带来方便。
⏹1.3本课题研究的总体思路
本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能,经过DC/DC变换电路处理后能提取300mv的电压,由充电电路为负载供电。
锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式,而是采取开始恒流快速充电,待电池电压上升到设定值时,自动转入恒压充电的方式,并且这样有利于保存电池容量。
充电过程中采用LED灯,系统中设计有完备的过流过压保护,避免因电池过度充电而损坏,并且充电器采用模块式结构和USB接口,可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。
文中介绍设计的太阳能手机充电器,与普通的手机充电器相比,它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电池板外,充分利用升压电路的智能性,设有完备的电压电流检测保护电路,并通过LED显示电路的状态,当光线不够强时,能把超低电压提升生到可充电电压为手机充电,光线足够强时,提取最大电流为手机充电,同时可为充电电池充电。
把太阳能电池板放在一个有阳光的地方,即可以为手机提供一个方便的太阳能充电点。
这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力,从而获得通信的自由。
⏹1.4本课题研究的主要任务
结合系统设计的总体思路和任务要求,我设计了一种基于低功耗的太阳能手机充电器,设计的主要任务有:
1设计一个太阳能手机移动充电器
2体积小,携带方便
硬件设计:
升压模块设计,电池管理模块设计,太阳能手机充电器电路原理图设计。
设计要求:
1利用最大输出为5V的太阳能电池板为系统提供能量
2具有低功耗,高效率
3有状态指示灯
4能智能的为电池充电
⏹2太阳能电池的研究和分析
⏹2.1太阳能电池的原理
太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。
当太阳光照射时,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半导体吸收或透过。
被吸收的光,当然有一些变成热,另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞,于是产生电子——空穴对。
这样,光能就以产生电子——空穴对的形式转变为电能。
薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压,这一现象称为光伏效应。
太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。
对于半导体P-N结,光伏效应更明显。
因此,太阳能光伏电池都是由半导体构成的。
图2-1掺入硼原子的硅晶体结构图(P型)
图2-2掺入磷原子的硅晶体结构图(N型)
太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管,其基本特性也与二极管类似。
当用适当波长的太阳光照射到半导体上时,光能被半导体吸收后,在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。
半导体内在P型和N型交界面(图2-3)两边形成势垒电场,能将电子驱向N区,空穴驱向P区,从而使得N区有过剩的电子,P区有过剩的空穴,在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。
光生电场的一部分除抵消势垒电场外,还使P型层带正电,N型层带负电,在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。
若分别在P型层和N型层焊上金属引线,接通负载,外电路则有电流通过。
如此形成的一个个电池元件,把它们串联、并联起来,就能输出一定的电压、电流和功率。
这样,太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。
图2-1所示为P型区结构图,图2-2所示为N型区结构图。
图2-3半导体P型与N型交界
另外,在受光面上,覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射,提高太阳能电池对于入射光的吸收率[6]。
⏹2.2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,因为在光的照射下产生正向偏压,所以在P-N结为理想状态的情况下,可根据图2-4表示的等效电路来考虑。
图2-4理想状态的太阳能电池等效电路图
图2-5实际光伏电池等效电路
在这种等效电路中,加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式,可由下式给出。
太阳能
(2.1)
当I=0时,可以得到太阳能电池的开路电压
(2.2)
其中I为电池单元输出电流;IL为PN结电流(A);IO为二极管的反向饱和电流(A);V为外加电压(V);q是单位电荷(1.6×10-19K库仑);K是玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K);T是绝对温度(T=t+273K);n为二极管指数。
但是在实际的光伏电池中,由于电池表面和背面的电极和接触,以及材料本身具有一定的电阻率,流经负载的电流经过它们时,必然引起损耗,在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。
同时,由于电池边沿的漏电,在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等,使一部分本该通过负载的电流短路,这种作用可用一个并联电阻RSH来等效表示。
此时的等效电路可根据图2-5来描述,其伏安特性可由(2.3)式给出。
(2.3)
此式叫做光伏电池的超越方程式。
⏹2.3太阳能电池板的输出特性及影响因素
光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性,其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。
而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系,所以本文不对其进行讨论。
本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。
光伏电池的几个重要技术:
①短路电流ISC:
在给定日照强度和温度下的最大输出电流。
②开路电压VCC:
在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
③最大功率点电流(IM):
在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。
④最大功率点电压(VSC):
在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。
⑤最大输出功率(PM):
在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率
⑥填充因子
(2.4)
⑦光伏电池的转换效率:
输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比,其值取决于工作点。
通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率η,
以上各个参数可以在图2-6中表示如下
图2-6太阳能电池的I-V特性关系曲线
图2-6中,在I-V曲线上总可以找到一个工作点,此点处的输出功率最大,此点就是最大功率点(MPPT),即图中M点。
M点所对应的电流IM为最佳工作电流,VM为最佳工作电压,PM为最大输出功率,由图和公式还可以看出,光伏电池不工作于最大功率点时,其效率都低于按此定义的效率值,甚至会低到零。
原则上讲,可对输出功率求导使其为0,即可得到该电池的最佳工作点IM,VM,从而求出最大输出功率:
PM=IM×VM。
但是要求出其解析解,几乎不可能。
因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响,其特性方程由公式(2.3)可知一个超越指数方程,无法用线性方程表示,具有非线性。
图2-6可表示太阳能电池的P-V曲线。
从图2-6可见,IM和VM的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积,在曲线范围内这个面积越大,表明电池的输出特性越优越。
如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形,那么IM和VM乘积就等于ISC和VCC的乘积。
对实际光电池,引人填充因子FF(Fillfactor)概念来表征光电池的这一特性,FF定义为式(2-4)。
它表示最大输出功率的值所占的以VCC和ISC为边长的矩形面积的百分比,填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。
它的值越大,表明输出特性曲线越“方”,电池的转换效率也越高。
⏹2.3.1太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响
图2-7、图2-8分别是太阳能电池阵列在温度为25℃时,不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。
从图2-7可知,太阳能电池阵列的输出短路电流(ISC)和最大功率点电流(IM)随日照强度的上升而显著增大,也就是说式(2.3)中ISC强烈地控制着I的大小。
虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大,但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说,变化显著,如图2-8中虚线与各实线的交点所示。
图2-7不同日照下的I-V关系曲线图图2-8不同日照下的P-V曲线图
⏹2.3.2温度对光伏电池输出特性的影响
图2-9,图2-10分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m2,和在变化温度(T)的情况下,表现出典型的I-V和P-V特性。
可以看出,温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大,但对它的输出开路电压影响较大。
因而对最大输出功率影响明显,见图2-10中各实线的波峰的幅值变化。
图2-9不同温度下的I-V特性曲线图2-10不同温度下的P-V特性曲线
综上,太阳能电池板的输出特性具有以下特点:
①太阳能电池的输出特性近似为矩形,即低压段近似为恒流源,接近开路电压时近似为恒压源;
②开路电压近似同温度成反比,短路电流近似同日照强度强成正比;太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化;
③输出功率在某一点达到最大值,该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP,MaximumPowerPoint),且随着外界环境的变化而变化[8]。
⏹2.4本系统所采用的光伏电池
太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础,是该充电器的核心部分,其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能,如今的便携式数码设备种类较多,所需电压电流不等,对于输入功率较大的设备,必须采用面积较大的电池板,而这又给携带带来不便。
因此该设计采用模块式组合,根据不同充电负载的需要,将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。
本文以手机等常用小功率用电设备为例,说明其太阳能充电器的设计过程。
所选用的太阳能电池板技术参数指标如下:
尺寸125mm×63mm×3mm,峰值电压5V,峰值电流120mA,标称功率0.96W。
考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等,应采用2块相同参数电池板进行并联。
电池板的理想输出电压最大值为5V,电流最大可达240mA,总标称功率为2W左右,但是根据现实的阳光照射情况,实际输出并没有这么大,随阳光照射的情况变化而变化。
⏹3太阳能充电器硬件设计
⏹3.1系统总体设计方案
图3.1系统总体设计方案
⏹3.2升压电路设计
⏹3.2.1BQ25505芯片介绍
BQ25505是支持电池管理和针对能量采集器应用中主电池的自主电源复用器的超低功耗升压充电器。
特性:
•超低功耗,具有高效直流/直流升压充电器
–冷启动电压:
VIN≥330mV
–能够在VIN低至100mV时持续能量采集
–325nA的超低静态电流
–输入电压稳压防止高阻抗输入源故障
–电池电流<5nA的运输节电模式
•储能
–可将能量存储在可再充电锂离子电池、薄膜电池、超大电容器或传统电容器中
•电池充电和保护
–内部设定欠压电平
–用户可编程过压电平
•电池正常输出标志
–可编程阀值和滞后
–功率损耗待定的随附报警功能的微控制器
–可被用来启用/禁用系统负载
•可编程最大功率点跟踪(MPPT)
–实现从多种能量采集器中最优能量提取的集成MPPT
•针对主(非可再充电)和副(可再充电)储能元件
复用的栅极驱动器
–基于VBAT_OK的自主开关
–先开后合防止系统电源轨减弱
应用范围:
•能量采集
•太阳能充电器
•热电发电机(TEG)能量采集
•无线传感器网络(WSN)
•工业监控
•环境监测
•桥梁和结构健康监测(SHM)
•智能楼宇控制
•便携式和可佩戴式健康器件
•娱乐系统遥控
说明
bq25505是全新智能化集成能量采集超低功耗管理解决方案新系列中的第一个,这些解决方案十分适合满足超低功耗应用的特殊需求。
本产品专门设计用于高效获取和管理从诸如光伏(太阳能)或热电发生器(TEG)等多种不同直流源产生的微瓦(μW)至毫瓦(mW)级的电能。
bq25505是一款高效升压充电器,此充电器针对诸如具有严格的电源和工作要求的无线传感器网络(WSN)等产品和系统。
bq25505的设计始于只需要微瓦电力即可开始工作的直流到直流升压转换器/充电器。
一旦启动,升压充电器能够有效地从诸如TEG或单节或双节太阳能电池板的低压输出采集器中提取能量。
升压充电器能够在VIN低至330mV时启动,并且一旦启动,能够在VIN低至100mV时继续采集能量。
bq25505执行一个可编程最大功率点跟踪(MPPT)采样网络来优化进入器件的功率传输。
VIN_DC开环路电压的采样由外部电阻器设定,并且采样电压由一个外部电容器保存。
例如,太阳能电池运行在它们开环路电压最大功率点(MPP)的80%,电阻分压器可被设定为VIN_DC电压的80%,并且此网络将控制VIN_DC在采样的基准电压附近运行。
或者,可通过一个微控制器(MCU)来提供一个外部基准电压来产生一个更加复杂的MPPT算法。
bq25505的设计具有灵活性以支持多种储能元件。
能量采集器提取能量的能量源往往是不固定的,或者随时间变化的。
通常情况下,系统将需要某些类型的储能元件,例如一个可再充电电池、超大电容器或传统电容器。
储能元件将在系统需要时使特定的恒定功率可用。
储能元件也使得系统能够处理任何无法直接来自输入源的峰值电流。
为了防止对储能元件造成损害,参照内部设定欠压(UV)和用户可编程过压(OV)电平来监视最大和最小电压。
为了帮助用户进一步严格管理他们的能耗预算,当储能电池或电容器上的电压已经下降到低于一个预先设定的临界电平以下时,bq25505切换电池正常标志来向一个连接的微控制器发出一个信号。
这样应该使负载电流减少,以防止系统进入一个欠压状态。
OV和电池正常阀值被单独设定。
除了升压充电前端,bq25505为系统提供一个自主电源复用器栅极驱动。
为了将一个单电源轨提供给系统负载,此栅极驱动器能够实现两个储能元件自主复用。
这个复用器基于VBAT_OK阀值,用户可通过电阻器来设定此阀值。
这使得用户能够在系统由能量采集器储能元件供电时设定电平,例如,由可再充电电池或超大电容器或一个主要非可再充电电池(例如,两节AA电池)供电时。
这个混合系统架构类型可根据采集器上可用能量来延长一个典型电池供电类系统的运行时间。
如果由于延长的“黑暗时间”而导致没有足够的能量来运行系统,主电池在8μs内被自主切换到主系统电源轨以提供不间断运行。
bq25505的全部功能被封装在一个小尺寸20引线3.5mmx3.5mm四方扁平无引线(QFN)封装(如图3-1)。
典型应用原理图(如图3-2)。
高级功能示意图(如图3-3)
图3-1bq25505封装
图3-2典型应用原理图
图3-3高级功能示意图
⏹3.2.2升压模块设计
BQ25505基于超低静态电流,高效的同步升压充电器。
升压充电器规定在一个高阻抗驱直流电源,例如太阳能电池板,TEG电压模块。
因此,它调节输入电压(VIN-DC)。
为了防止输入源奔溃,升压充电器监控其输出电压,当VSTOR到达电阻编程的阈值电平时停止开关。
升压充电器基于最大效率的开关式架构,即使在轻负载条件下,它也使用脉冲频率调制维护效率。
升压充电器完成电池保护功能,以便任何充电电池或电容可以用作能量存储元件。
要求各引脚参数为:
VBAT_OV=5V,VBAT_OK=4.2V,
VBAT_OK_HYST=3.7V,MPPT(VOC)=50%,L1=
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