太陽能無線充電器的設計

陳露　劉忠寶　袁琦杰　楊宗業(yè)

【摘 要】移動設備的傳統(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險性和局限性。而現(xiàn)如今正流行的無線充電技術雖不需要使用數(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，同時采用兩種較為成熟的技術：太陽能發(fā)電技術、無線充電技術。利用太陽能作為能源進行發(fā)電，同時采用電感耦合的方式傳輸電能。結果表明，太陽能無線充電器能夠降低充電風險，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，具有良好的社會價值和經(jīng)濟價值。

【關鍵詞】無線充電;太陽能發(fā)電;電感耦合

中圖分類號： TM910.6文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）31-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.006

0 引言

隨著手機等移動電子設備的廣泛使用，傳統(tǒng)的充電器已經(jīng)漸漸不能滿足人們的充電需求。本項目設計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。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，兩種技術發(fā)展成熟，太陽能無線充電技術也將會被廣泛應用。

1 系統(tǒng)的總體設計

本文設計的太陽能無線充電器主要采用兩種成熟技術：太陽能發(fā)電技術[1]以及無線充電技術[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的MPPT太陽能控制算法[3]的控制電路，使整個系統(tǒng)具備太陽能電池最大功率點自動追蹤功能，從而讓發(fā)電系統(tǒng)的工作效率得到了提高。其次，為實現(xiàn)對一些移動電子設備如手機等的安全充電，由于過高的電壓或者是過高的的電流都會對設備造成一定的傷害，本次設計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]的方法進行電能補償。最后用51單片機[6]為核心的控制電路，實時檢測并采集手機充電電壓，顯示在外接的液晶屏上。如果系統(tǒng)檢測到電壓異常，則會在界面上顯示應停止充電。

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，相對于折疊型太陽能板有更好的性能，于是本次設計采用平板型太陽能電池板。

為提高太陽能充電電路的效率，本次設計提出了一種改進的MPPT太陽能充電控制算法，即采用增量電導算法和BOOST變換器相結合進行輸出。利用增量電導法將太陽能發(fā)電系統(tǒng)通過BOOST變換器[8]連接到負載，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行無線電源傳輸，人們很容易因為疏忽或者錯誤操作，造成一些意外事故。因此，本設計的無線傳輸系統(tǒng)的核心采用專用無線功率發(fā)射芯片：將XKT-408芯片和T5336芯片相結合。

XKT408集成電路一般用于智能無線充電系統(tǒng)[9]，可進行電源管理。它具有制作精度高，電路穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。XKT-408電路利用電磁能量轉換原理負責進行電能傳輸，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，因此本設計的智能無線充電[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的端口輸出電壓進行控制補償。補償過后的電路所發(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，本設計綜合了芯片的結構設計和實際功能，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接收電壓進行監(jiān)測，防止過電壓損壞設備。

本項目的充電控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機控制PCF8591芯片，實時采集手機充電電壓，在電路外接一個1602液晶屏顯示充電電壓，便于用戶觀察數(shù)據(jù)。AT89C51單片機是主控芯片，PCF8591是信號轉換功能，在該電路中，它負責將模擬信號轉換成數(shù)字信號。

2.5 選擇5v降壓芯片

由上述分析，本設計采用51單片機進行電壓采集和顯示。51單片機需要系統(tǒng)向其提供電源。因此，采用LM2575芯片設計5v電壓電路。LM2575系列開關電源集成電路可實現(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，電路過熱時還可自動關斷電路。為配合外部電路，芯片還設有相應的控制引腳。

3 充電系統(tǒng)軟件設計

太陽能無線充電系統(tǒng)軟件主要是用來對太陽能無線充電進行控制的平臺，通過在軟件上的相應操作可控制太陽能無線充電器。該系統(tǒng)極具自身特色，迎合市場需求，利用大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡下的操作環(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 主界面的設計

在所需要操控的計算機上需要下載本軟件才能成功運行該軟件。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、電流在不同時間段的變化情況。

3.2 太陽能充電監(jiān)控

經(jīng)過對應的功能菜單指令用戶可點擊太陽能充電監(jiān)控進入系統(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)實際需求從系統(tǒng)中進行對太陽能充電監(jiān)控操作，從而可提高用戶的使用更加流暢，系統(tǒng)正常的運行。

在充電界面中有一個恒流定時信息，在恒流定時界面中國包括了充電電流信息，充電時間信息，按設定時間恒流充電選項等。

3.3 無線充電數(shù)據(jù)分析

用戶根據(jù)實際的需求，可以在系統(tǒng)內(nèi)點擊相關的功能按鍵，系統(tǒng)會自動跳轉到對應的界面，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)實際的需求，點擊對應的按鍵，進行相關的功能設置，詳情如下圖所示：

圖2

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

點擊參數(shù)選項，進入到參數(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，設定放電電流信息，設定放電時間信息，放電保護電壓信息等。

4 結論

太陽能無線充電器因其便捷性與兼容性將會逐漸被廣泛使用，尤其是在一些電能資源極度匱乏、條件不便的偏遠地區(qū)。太陽能電板與無線傳輸相結合的充電器將會在不久的將來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的充電設備，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基礎上提出了一種簡單的太陽能充電器的設計方案，能滿足日常充電需求，具有一定的社會價值和經(jīng)濟價值。

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