太陽能便攜式多功能電源設計與實現

姜杏輝 邵雅婷 張曉俊

摘 要：設計了一款太陽能便攜式多功能電源系統，由太陽能電池、鋰離子電池、充放電控制系統等組成。其中電池板供電電壓經過Buck型變換器降壓后給鋰離子電池充電。另外，該一體機提供多種輸出方式，一個方式經過LM2676-5.0穩壓電路，穩定地輸出5V電壓，手機、MP3、MP4、數碼相機等下小功率設備通過USB口接入即可充電，非常方便。另一方式經過Boost變換器升壓，輸出16V、19V的電壓，可為Pad、筆記本等大功率設備供電。該系統體積小、功能多，實現了真正意義上的便攜。

關鍵詞：Li離子電池 控制系統 Buck Boost

中圖分類號：TP33 文獻標識碼：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、清潔無污染等優異的特性在全世界范圍得到快速發展，被認為是當今世界最具有發展前景的新能源技術，已經成為國際能源開發利用領域中的新寵[1]。進入21世紀以來，世界各國都十分重視太陽能利用技術的開發，而我國因得天獨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能達到 3340-8400MJ/m2。由此可見，充分開發利用太陽能資源是節省和替代常規能源的有效措施，是實現能源可持續發展的必由之路。根據有關部門預測，到2050年左右，太陽能將超過石油天然氣等其他常規能源的使用規模而成為新能源的典型代表，進而在人類的生產生活和社會發展中扮演重要的角色。

家用太陽能光伏電源系統是太陽能電池在地面應用最早的領域之一，特別是牧區牧民的家庭中得到了應用。在中國農村電力建設中發揮出重要作用，成為解決邊遠無電地區人民通電問題的一項主要的技術手段[2]。

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

1 多功能電源的總體結構設計

本系統由太陽能電池方陣、鋰離子電池、充放電控制系統等組成。其中太陽能電池方陣是將許多單個的太陽能電池經過串聯或并聯組合，并進行封裝后構成的太陽能電池組件，由半導體材料制成，將太陽能轉換成直流形式的電能。

總體設計方案分為兩個部分，內部鋰離子電池充電部分及電池放電輸出給外接設備部分。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停止會使電池發燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。本設計通過直流電源供電或者太陽能電池板將太陽能轉換為電能供電，太陽能電池板在使用時由于太陽光變化較大，輸出電壓不穩定，因此電池板供電電壓經過Buck型變換器降壓后給鋰離子電池充電。同時單片機內部AD對充電電流及電池電壓進行數據的采集及轉換，并由單片機作判斷處理，單片機通過編程實現PWM波控制開關管從而實現輸出電壓電流的改變，并通過顯示電路顯示輸出狀態及大小。

鋰離子電池有兩個輸出方式。一個方式經過LM2676-5.0穩壓電路，穩定地輸出5V電壓，通過USB接口連接小功率設備，給其供電。另一方式經過Boost變換器升壓，輸出16V、19V的電壓，大功率設備供電。通過SG3525控制PWM，調整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Mega32單片機獲取放電電流、電壓、過流保護信息，通過PWM方式控制前端充電電路的通斷保護設備。

2 多檔位電源電路設計

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、循環性能好和無記憶效應等突出優點。影響電池循環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品向更高層次集成度發展的同時，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計者的關注。針對鋰離子電池的充電特性，本設計方案采用恒流-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C語言實現PWM控制，PWM調整場效應管的通斷，實現電池的恒流充電、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系如式（1）所示：

（1）

通過調整功率開關管的導通時間或關斷時間可以改變變換器的輸出電壓，實現電壓的放大輸出。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制器是按照接反饋電流來調節脈寬的。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行比較，從而調節占空比使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環和電流環雙環系統，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有提高，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的微調基準電源。

開關降壓電壓穩壓器LM2676-5.0處于正常狀態時，輸入電壓從8V到40V時，最大工作電流3A，電路都能穩定地輸出5V電壓，轉換效率最高達到94%，連接至USB接口，能夠實現小功率設備的正常供電。電路中L3、D3、C5、C6構成BUCK降壓電路，C12、C4可消除輸入連線較長時其電感效應引起的自激振蕩，減小紋波電壓，LM2676-5.0的6號引腳通過獲取輸出電壓VCC和內部基準電壓進行比較，快速改變PWM占空比，使輸出電壓一直穩定在5V。

3 系統控制軟件的設計實現

3.1 系統整體程序框架

本系統單片機主要完成的任務是控制數據的采集過程，并將采集到的數據經過分析處理后生成PWM脈寬調制信號控制開關管的導通與關斷，從而控制輸出大小。在輸出過程中通過單片機定時器定時檢測輸出電流或電壓，與設定值比較后調節PWM占空比，使輸出趨于設定值。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信息，決定前端充電電路的通斷。同時單片機采集電壓信息，通過LED燈的閃爍顯示鋰離子電池的充電信息。整個系統的工作過程為：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、放電子程序的設計

鋰離子電池的充電過程分兩階段進行，第一階段為恒流充電，當充電電壓達到恒流電壓閾值時轉入第二階段，即恒壓充電方式，恒壓充電電流會隨著時間的推移而逐漸降低，待充電電流降到0.1mA時，表明電池已充到額定容量的93%～95%，此時即可認為基本充滿，如果繼續充下去，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，“充飽”指示燈亮，“充電”指示燈滅。

移動電源通過內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備直接使用，都有完善的過流保護功能，確保電子產品的安全使用。單片機通過采集鋰離子電池的放電電流和過流保護信息，通過PWM控制前端鋰離子電池充電電路的通斷及過流保護的切斷。

4 結語

該文設計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，便可實現對鋰鋰離子電池充電，充電時三個LED燈閃爍，充電完畢后全亮。手機、MP3、MP4、數碼相機等下小功率設備通過USB口接入，即可充電，非常方便。同時，該移動電源另設有12V、16V、19V三個不同檔位輸出，可為Pad、筆記本等大功率設備供電。該太陽能移動電源移動解決了使用者外出時移動設備因電用完而不工作的困擾，同時它體積小、質量輕，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現電能的存儲，同樣能給設備供電，很有實用價值。

參考文獻

[1] 周麗梅，薛鈺芝，林紀寧，等.小型太陽能光伏發電系統的實現[J].大連鐵道學院學報，2006，27（1）：94-96.

[2] 鄭玉珍，李武華，何湘寧.便攜式太陽能發電系統[J].浙江科技學院學報，2010，22（3）：187-190.

[3] 宿忠娥，石蕊.太陽能光伏發電系統與研究[J].電子制作，2011，75-76.

[4] 曹瑩.家用太陽能光伏發電系統設計[J].機電工程，2011，28（1）：115-117.

[5] 徐靜萍.恒流-恒壓模式控制的鋰電池充電器的設計[J].半導體技術，2011，36（4）：291-294.