基于光伏版的手机充电电源设计毕业论文

2020-02-18 11:02

摘要

光伏发电作为一种清洁的发电方式，在当今陷入能源危机的世界具有重大意义。本文研究了光伏发电和蓄电池充电的相关问题，从硬件和软件两方面设计了一款基于光伏板的手机充电电源。

由于光伏板只能在光照良好的晴天发电，因此需要蓄电池储存电能。本文将基于光伏板的手机充电电源分为两部分：光伏板作为电源的蓄电池充电电路和蓄电池作为电源的手机充电电路。

由于光伏板发电易受环境影响，因此本文采用最大功率点跟踪(MPPT)技术对蓄电池充电电路进行控制，以实现较好的充电效果。

本文主要工作如下：

(1)介绍了目前国内外光伏电池、DC-DC变换电路、MPPT技术、手机充电技术等方面的发展状况。

(2)设计了光伏手机充电器的硬件电路和软件流程，对光伏板、蓄电池和主要元件进行选型。

(3)在MATLAB上搭建仿真模型，验证系统效果。

关键词：光伏发电；最大功率点跟踪；Buck电路；单片机

Abstract

As a clean power generation mode, photovoltaic power generation is of great significance in today's world in energy crisis. This paper studies the related issues of photovoltaic power generation and battery charging, and designs a mobile phone charging power supply based on photovoltaic panel from both hardware and software aspects.

Because photovoltaic panels can only generate electricity on sunny days with good light, storage batteries are needed to store electricity. This paper divides the mobile phone charging power supply based on photovoltaic panel into two parts: the battery charging circuit with photovoltaic panel as power supply and the mobile phone charging circuit with battery as power supply.

Because photovoltaic power generation is vulnerable to environmental impact, this paper uses maximum power point tracking (MPPT) technology to control the battery charging circuit to achieve better charging effect.

The main work of this paper is as follows:

(1) The development of photovoltaic cells, DC-DC converter circuit, MPPT technology and mobile phone charging technology at home and abroad are introduced.

(2) Designed the hardware circuit and software flow of photovoltaic mobile phone charger, and selected the photovoltaic board, battery and main components.

(3) Build a simulation model on MATLAB to verify the effectiveness of the system.

Key Words：Photovoltaic Power Generation；Maximum Power Point Tracking； Buck Circuit；Microcomputer

第1章绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 光伏电池发展现状 2

1.2.2 MPPT算法发展现状 2

1.2.3 光伏系统DC-DC变换电路发展现状 4

1.2.4 手机充电器发展现状 4

1.3 课题研究内容及章节安排 5

第2章系统的设计和要求 6

第3章硬件设计 8

3.1 光伏板和蓄电池选型 8

3.1.1 光伏板选型 8

3.1.2 蓄电池选型 9

3.2 主电路设计 10

3.2.1 元件参数计算 10

3.2.1 元件选型 13

3.3 控制电路设计 15

3.3.1 元件选型 15

3.3.2 单片机最小系统设计 15

3.4 供电电路设计 16

3.5 采样电路设计 17

3.5.1 AD模块设计 18

3.5.2 运算放大器电路设计 19

3.5.3 电压采样电路设计 20

3.5.4 电流采样电路设计 21

3.6 Power Mosfet驱动电路设计 21

3.7 手机充电电路设计 24

3.7.1 蓄电池放电控制电路设计 24

3.7.2 手机充电模块设计 25

3.8 总硬件电路 25

第4章软件设计 26

4.1 软件开发平台介绍 26

4.2 总流程设计 27

4.3 充电方式选择 27

4.3.1 蓄电池剩余电量估计方法 28

4.3.2 18650电池电压与SOC的关系 28

4.3.3 充电方式选择流程 30

4.4 MPPT算法设计 30

第5章仿真和调试验证 34

5.1 仿真环境介绍 34

5.2 光伏电池仿真及结果 34

5.2.1 光伏电池等效模型 34

5.2.2 光伏电池的仿真 36

5.3 MPPT控制器仿真及结果 39

5.3.1 MPPT算法程序 39

5.3.2 变步长扰动观测法MPPT控制器仿真 40

5.3 光伏系统仿真及结果 43

第6章总结与展望 45

6.1 总结 45

6.2 展望 45

参考文献 46

致谢 47

第1章绪论

课题研究的背景、目的及意义

自18世纪的工业革命以来，煤、石油、天然气等传统化石能源的需求与日俱增。这些能源的大量消耗，为人类的进步提供了巨大的动力，帮助人类实现了工业化，同时也造成了巨大的环境污染。化石能源的使用中，会产生大量二氧化碳、二氧化硫、氮化物、悬浮颗粒物及多种芳香烃化合物，导致温室效应、酸雨、水土污染和大气污染等环境问题。不仅如此，化石能源需要地球漫长的自然积累，人类过量的使用令化石能源的储量不断下降，可以预见必然有枯竭的一天。种种因素促使人们不断寻找和开发替代能源。

风能、水能和太阳能等新能源由于其清洁和易获取的特点，正在被各国大力开发利用。其中太阳能是开发最早、应用最广、储量最大的能源之一。在生态环境不断恶化的今天，太阳能必将会是传统化石能源的替代品。

我国是一个以煤为主要能源的国家，能源利用率较低，二氧化碳和二氧化硫的排放量巨大，生态环境污染严重，急需解决能源使用不合理的问题。同时，我国又拥有国土面积广阔，太阳光资源丰富的优势。我国拥有相当大面积的土地为荒漠，适合安装光伏发电装置。可见在中国，太阳能的发展相当具有潜力。

目前，电能作为一种高效、清洁的二次能源，是当今最普遍的能源，被广泛应用于各种领域。不论使用化石能源还是可再生能源，其最终目的都是转化成电能。光伏发电，就是指利用光伏板阵列收集太阳能，将其转换为电能发出来的过程，是当今发展迅速且最有前景的新能源发电方式。

但是尽管光伏发电产业比较成熟，仍然具有发电效率低、易受环境因素(如光照强度、环境温度)影响等问题。对于光伏电池输出的不稳定，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的方法被广泛采用在大型和小型的光伏系统中。MPPT能实现在变化的环境中始终令光伏系统输出最大功率，提高发电效率。本文所设计的基于光伏板的手机充电器，就采用了MPPT来提高输出功率，以适应户外的充电环境。

国内外研究现状

光伏系统结构图如下。直流光伏系统一般由光伏电池阵列、DC-DC变换电路、控制器、蓄电池和负载几个部分组成。交流光伏系统在此基础上需要加入逆变器。光伏电池的作用是将太阳能转化为电能(直流)，通过DC-DC变换电路升压或降压后输送给负载。由于光伏电池的输出不稳定，需要采集其输出电压和电流，通过控制器调节DC-DC变换电路的占空比，实现最大功率点跟踪。同时，由于负载需要稳定的电压，不能直接令光伏电池通过DC-DC变换电路连接到负载上，而需要蓄电池储存能量，再令蓄电池给负载供电。

光伏系统结构图

图1.1 光伏系统结构图

1.2.1 光伏电池发展现状

光伏电池是利用半导体的光生伏特效应制造的电池。光生伏特效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。当光照射到半导体的PN节时上时，光子转化为电子，PN节的两边出现光生电动势，实现了将光能转换为电能。

当今被生产、使用光伏电池中，绝大多数使用块状单晶硅、多晶硅制造，其相对薄膜电池有着更高的成本和更高的效率。多晶硅光伏电池选用合适电阻率的多晶硅块料，打碎后通过酸性溶液腐蚀，用水冲洗后干燥，经过一系列工艺后切片，制成矩形电池板。多晶硅光伏电池的光电转换效率大约为12%-13%左右，略低于单晶硅的15%。

除了块状和薄膜状硅电池板外，还有非晶硅光伏电池、多元化合物光伏电池、聚合物薄膜电池、柔性光伏电池等等。非晶硅电池采用辉光放电法等技术，降低了硅的用量，但其不到10%的光电转换效率限制了它的发展。多元化合物光伏电池采用硅系以外的元素制成化合物，如砷化镓、硫化镉等，它们拥有较高的光电转换效率，但这些化合物多含有剧毒且难以获取，导致它们不会被大量应用。聚合物薄膜电池抛弃了无机材料，采用了有机材料制成，材料容易获取，但是具有寿命短的缺点，其光电转换效率也不尽人意。柔性光伏电池近年来发展迅速，因为其克服了硅电池板必须制成块状固体的限制，能够制成极其轻薄的电池板。目前柔性光伏电池已经有光电转换效率达到25%以上的产品，发展前景较好。

1.2.2 MPPT算法发展现状

由前述可知，光伏电池拥有复杂的非线性模型。在实际环境下，温度、光照强度等因素时时刻刻在变化着，光伏电池的输出也时刻在变化。为了最大限度地利用太阳能，应使光伏系统始终输出最大功率。因此，需要利用MPPT(最大功率点跟踪)技术，对光伏系统的MPP(最大功率点)进行追踪，以要尽可能快的速度修正输出功率的偏离。

目前，国内外对MPPT的算法有多种策略。一种典型的近似处理方法是：把不同日照下光伏电池的MPP出现的轨迹近似处理为P-V特性曲线上的一根电压垂直线。这种方法称为恒定电压法。研究光伏电池的V-I特性曲线，可以发现不同日照条件下，MPP在P-V曲线上的横坐标(电压)变化很小，可以选取一点为工作电压并始终保持在该电压下，即可近似保持在最大功率输出。

在独立光伏系统中，这种控制方法可以采用电压环为外环、电流环为内环的双闭环控制。这种控制方法简单、快速、稳定，但是精度较差且忽略了温度的影响，其控制目的是维持一个恒定的电压下的最大功率点，难以适应温度较大变化导致的最大功率点偏移，仅适合光照和温度变化幅度较小的地区。

将最大功率点随环境变化的偏移考虑在内，保证不论光照和温度条件如何，实现追踪该条件下的最大功率点，这样的MPPT控制策略称之为“TMPPT”(真实最大功率点跟踪)。这类策略有：电压反馈法、功率反馈法、直线近似法、电导增量法、扰动观测法等。下面简单叙述目前应用最广泛的扰动观测法和电导增量法：

(1)扰动观测法

扰动观测法又称Pamp;O算法，其原理是不断施加周期性扰动使光伏电池的负载变化，并检测变化的输出电压、输出电流，计算出的值并判断正负，即可得到当前功率点处于最大功率点的左还是右。扰动观测法的关键在于扰动步长的选择。偏大的扰动步长使追踪更快同时精度更低，波动性更大；相反偏小的扰动步长带来更慢的追踪速度和更高的精度及稳定性。并且当扰动步长较大时，输出功率会在最大功率点附近反复变动，造成功率损失。因此，选择扰动步长应同时考虑追踪速度和功率损失。

为了追求相对较高的追踪速度和相对较小的功率损失，扰动步长不再固定，这种方法称为“变步长扰动观测法”。选定一个正数，当的值大于时，选用较大的扰动步长，快速逼近最大功率点；当的值小于时，改为较小的扰动步长，以实现更精确的逼近和更小的功率损失。变步长扰动观测法是一种广泛使用的方法，具有测量简单、精度较高的特点。

(2)电导增量法

电导增量法是一种精度较高的MPPT方法，它使用瞬时电导(即I-V曲线斜率)判断此时是否为最佳运行点。

在最大功率点处有：；在电压低于时，有：；在电压高于时，有：。

因此电导增量法通过连续采集两次功率，计算dI、dU判断工作点的位置。这种方法也需要设置步长，但由于需要连续采样，实现上比扰动观测法更复杂。

1.2.3 光伏系统DC-DC变换电路发展现状

光伏系统如今以普遍采用MPPT搭配DC-DC变换电路的方式。常用于光伏系统的DC-DC变换电路有buck、boost、buck-boost、cuk和sepic这5种拓扑。对其考察方式是价格、效率、负载有无限制。

Buck拓扑和boost拓扑对变换器的负载有要求：buck在最大功率点的负载阻抗只能接近但小于，boost在最大功率点的负载阻抗只能接近但大于。buck-boost、cuk和sepic则可以在任意负载下达到最佳运行。

Buck和boost拓扑有着最高的效率，但是他们对光照、温度、负载有要求，比如boost变换器在低光照下，跟踪能力有影响。相反，buck-boost、cuk和sepic的操作不受光照、温度、负载的影响。但是buck-boost、cuk和sepic变换器的价格要高于Buck和boost。

1.2.4 手机充电器发展现状

手机充电器是随着手机锂离子电池容量的提高而逐渐发展的。其发展状况如下：

早期手机功能较少，使用1000mAH以下的锂离子电池，其标称电压为3.7V。手机充电器输出为5V500mA。使用线性充电或者简单的开关充电。

智能手机在中国出现于2007年以后，其电池容量达到2000-3000mAH，5V500mA充电器难以满足充电速度的需求。高通公司提出QC1.0方案，将充电器输出提高到5V2A。锂离子电池与充电器之间通过功率三极管和反向阻断二极管连接。充电控制器对三极管进行开关控制，并能监控电池温度。后由于三极管发热严重，将其改为电源管理集成电路(PMIC)。

由于智能手机电池容量日益增大，5V2A渐渐不能满足需求。由于Micro USB接口最大通过电流为2A，继续增大输出功率只能提高输出电流。QC2.0方案允许在协议匹配的情况下，保持2A电流的同时，将5V改为9V甚至12V。这使得充电功率理论上可达24W(实际上一般15W)。充电器以9V电压加到PMIC上，PMIC将其转化为合适的电池充电电压。此时除了QC2.0(以及类似的FCP、AFC协议)外，还存在PE 1.1这种通过电流波动进行充电的设计。另外，QC2.0充电器的充电并不是线性进行的，而是先快后慢的。

但是QC2.0具有一个严重的缺点，即随着电压的增高，充电效率却下降了。也就是说虽然冲的更快了，但是能量浪费更严重，发热更严重。QC3.0的出现就是为了解决这个问题。

2015年推出的QC3.0并不像前代一样只分9V、12V两档，而是可以以0.2V为步进，在3.6-20V间寻找最佳电压(电压下降则电流上升)，同时也兼容了QC2.0。这其中寻找最佳电压使用的是INOV算法，即使PMIC两端的电压降始终一样，即可保证效率最大。此外，电流也突破了2A，需要使用Type C接口，其最大通过电流为5A。

此时的充电方式已经相当先进了，PMIC的发热问题是下一步的突破口。厂商将PMIC直接去掉，可以降低充电电压，组成低压直充，其最高功率为25W。低压直冲的限制主要是5A的Type C接口电流限制 (3A以上就要额外增加E-mark芯片)。为了继续突破上限，新的充电方式——电荷泵IC出现了，转换效率高达98%，组成了高压直充方式。高压直充方式既提高了效率，又在同等功率下降低了电流。