CN103607022A

CN103607022A - 带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源

Info

Publication number: CN103607022A
Application number: CN201310640573.6A
Authority: CN
Inventors: 王金林; 张文博; 王莉; 姜海; 周陆; 杨啸宇; 谷云龙; 石慧
Original assignee: TIANJIN ZHONGHUAN CHUANGXIN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TIANJIN ZHONGHUAN CHUANGXIN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明涉及带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源，太阳能充电电源电路包括CPU、最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路和电量显示电路；中央处理器CPU分别与最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路和电量显示电路连接；最大功率跟踪单元采用太阳能最大功率跟踪控制算法，根据不同的光照情况，通过采样分析和智能计算，使太阳能电池始终处于最大功率输出状态，最大限度的利用太阳能；太阳能以化学能的方式储存在充电电源的内部电池，内部电池容量达12800mAh，用户通过输出接口电路得到USB口输出的+5V/2.1A充电电流，可同时供两个移动设备充电使用。

Description

带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源

技术领域

本发明涉及绿色清洁能源，特别涉及一种带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源，利用太阳能作为能量来源，通过最大功率跟踪技术把太阳能电池产生的电能以化学能的方式储存在充电电源内置电池内，输出电路把储存的化学能转换为+5V/2.1A的电源输出，供用户给各种移动设备充电使用。

背景技术

随着移动设备的日益增多，尤其是智能大屏幕移动设备的广泛使用，这些设备的电池续航能力越来越被人们所关注，于是充电电源便走进了生活当中。目前市面上充电电源的种类也是层出不穷，但是大部分都是以交流市电作为充电电源的能量来源。太阳能作为清洁无污染能源，可谓是“取之不尽、用之不竭”，不受地域限制，全球任何地方都能够方便的取得，本发明就是利用太阳能来给充电电源蓄电，通过输出电压转换电路提供给用户需要的+5V/2.1A的电源输出。由于太阳能电池的输出功率特性是非线性的，这就需要通过最大功率跟踪技术来获得太阳能电池的最大功率。

发明内容

本发明的目的就是为克服现有技术的不足，提供一种带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源的设计方案，本发明主要集中解决以下几个方面的技术问题。首先，实现在不同的光照情况，充电电源取得太阳能电池的最大输出功率；其次，尽量减小待机功耗，让充电电源的续航更加持久；再次，有效地管理电池，防止过充和过放；最后，通过电量指示灯显示充电电源剩余电量情况。

本发明是通过这样的技术方案实现的：带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源，其特征在于，充电电源电路包括CPU、最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路和电量显示电路；中央处理器CPU分别与最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路和电量显示电路连接；

所述最大功率跟踪电路由锂电池充电管理芯片CN3065及其外围电路构成；

通过最大功率跟踪电路实现以下两个功能：一是追踪太阳能电池的最大输出功率；二是通过变换输出一个稳定的电压值，提供给充电电源内部电池蓄电；

CPU通过接受锂电池充电管理芯片CN3065输入信号，经过CPU程序控制来开关器件(MOSFET)的脉冲信号(频率为80kHz)，由CPU程序中算法模块进行太阳能最大功率跟踪控制运算，给出最终输出的脉冲信号；

所述电池管理电路由S-8261ABMMD-G3MT2G锂电保护芯片、RC振荡电路和开关管FS8205A构成；当充电电源对外放电的时候，由S-8261ABMMD-G3MT2G锂电保护芯片监控电池电压，电压低于门限电压的时候，关断放电MOS管，终止放电，保护电池不深度放电，从而延长电池使用寿命；

所述升压电路硬件由集成电路芯片SX1302、22uH电感、MOSFET及其驱动电路、二极管和反馈阻容器件构成。

通过调整输出脉冲宽度达到稳定输出5V电压的目的，设计输出电流达到2.1A；

所述CPU为8位单片机HT46F47E；

所述电量显示电路由发光二极管、限流电阻和IO口构成；电量显示电路中的IO口与CPU连接；

CPU程序包括前级输入端的太阳能最大功率跟踪程序和后级的省电模式输出程序；

太阳能电池的输出电压(U)和电流(I)随光照强度的变化呈现出非线性，而太阳能电池的输出功率P=U*I,在同样的光照情况下，输出电压较大的时候，输出电流就很小；输出电流较大的时候，输出电压就很小；

这两个模式下都不能够得到太阳能电池的输出最大功率(Pmax)，因此，需要CPU程序来控制太阳能电池的实际工作电压和电流，通过CPU的AD采样和计算，利用内部的硬件乘法器不断的做乘法运算，P(t)=U*I(t),通过调整输出占空比，使得微分dP(t)/dt=0，也就找到了最大功率点，并且维持这一占空比因数，使太阳能电池输出最大功率。

所述CPU程序中的算法模块进行太阳能最大功率跟踪控制运算过程，包括如下步骤：

P(t)=U*I(t)；

f(t)=P(t)；

设占空比为D，

若df(t)/dt>0；

则加大占空比D；

若df(t)/dt<0；

则减小占空比D；

若df(t)/dt=0；

则找到最大功率点，维持该占空比Dmax输出。

本发明的有益效果是：本发明利用HT46F47E智能芯片作为电路的CPU，对输入、输出电路进行优化控制：输入方面，利用芯片内部乘法器实现电压和电流的乘积运算，配合比较器的使用能快速找出太阳能电池的最大功率，通过脉冲信号的控制，让电池获得最大的充电能量，节省了充电时间；输出方面，优化设计控制算法，尽量减小电路的实际损耗，延长充电电源的使用时长，优化设计的充电电路输出电流能力强，可达到2.1A，供给两个移动设备同时充电使用，加入了过流保护功能，在电路出现短路或者其它异常情况时，迅速保护电路。电量指示灯准确的显示了充电电源的蓄电情况，方便用户查看实际电量，使用更加合理。

附图说明

图1、本发明的总体结构框图；

图2、最大功率跟踪电路原理图；

图3、电池管理电路原理图；

图4、升压电路原理图；

图5、CPU和电量显示电路原理图；

图6、太阳能电池的输出特性曲线图A；

图7、太阳能电池的输出特性曲线图B；

图8、最大功率跟踪软件流程图；

图9、省电模式输出的程序流程图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

如图1至图9所示，本发明的硬件包括最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路、电量显示电路，各个部分都由CPU(Central Processing Unit)统一管理。

中央处理器CPU分别与最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路和电量显示电路连接；

最大功率跟踪电路由锂电池充电管理芯片CN3065及其外围电路构成；

电池管理电路由S-8261ABMMD-G3MT2G锂电保护芯片、RC振荡电路和开关管FS8205A构成；当充电电源对外放电的时候，，由S-8261ABMMD-G3MT2G锂电保护芯片监控电池电压，电压低于门限电压的时候，关断放电MOS管，终止放电，保护电池不深度放电，从而延长电池使用寿命。

升压电路硬件由集成电路芯片SX1302、22uH电感、MOSFET及其驱动电路、二极管和反馈阻容器件构成。

CPU为8位单片机HT46F47E；

电量显示电路由发光二极管、限流电阻和IO口构成；电量显示电路中的IO口与CPU连接；

CPU程序包括前级输入端的太阳能最大功率跟踪程序模块和后级的省电模式输出程序模块；

本实施例中：最大功率跟踪电路实现以下两个功能：一是追踪太阳能电池的最大输出功率；二是通过变换输出一个稳定的电压值，提供给充电电源内部电池蓄电。芯片CN3065和CPU共同决定开关器件的脉冲信号，有CPU算法决定最终输出的脉冲系列，本发明设计采用软件和硬件相结合的方式，具体的硬件电路原理图如下图2所示；

电池管理电路硬件设计是比较重要的一个环节，在充电电源利用太阳能充电的时候，电池管理电路根据内部电池的不同状态，工作于不同的充电模式下。在电池电压太低的情况下，先涓流充电；等到电池恢复正常时，再大电流充电；待电池快要充满的情况下，进入小电流补电模式充电，防止过充。电池管理电路采用S-8261ABMMD-G3MT2G控制芯片，实现以上功能，有效的保护电池。充电电源对外放电的时候，芯片监控电池电压，电压低于门限电压的时候，关断放电MOS管，终止放电，保护电池不深度放电，从而延长电池使用寿命。电池管理电路硬件原理图如图3所示：

升压电路硬件设计，由于充电电源的蓄电电池电压为4.2V(充满时)，而一般的移动设备所使用的电压等级都是5V，所以，需要加入升压电路单元把电池电压抬升到5V输出，满足用户充电需求。升压电路采用硕芯科技有限公司生产的集成电路芯片SX1302，该芯片通过调整输出脉冲宽度达到稳定输出5V电压的目的，设计输出电流达到2.1A，升压电路硬件原理图如图4所示；

配置和电量显示电路硬件设计，图5是CPU的外围配置电路和电量显示原理图，LED1~LED4和相应的电阻组成电量显示单元，CPU型号选用HT46F47E，HT46F47E是由台湾盛群半导体有限公司生产的8位单片机，采用内部晶振，运行稳定可靠，抗干扰能力强。

本发明的软件设计主要包括前级输入端的太阳能最大功率跟踪和后级的省电模式输出，此外还有过流保护以及电量显示。

最大功率跟踪软件设计，本发明采用太阳能电池作为能量输入，由于太阳能电池的输出特性是非线性的，并且在不同的光照条件下，太阳能电池的输出随着光照强度的变化呈现出非线性特性，输出特性和季节的变化以及一天中的不同时间段都有关系。夏季的光照强度比其它季节大，时间也是最长的；一天中的中午光照强度比其它时间段大；随着季节的变化，每天光照的时间长短也不相同，这些都会影响太阳能电池的输出。

图6、图7为太阳能电池的输出特性曲线图，表示光照强度和输出电压、电流的对应关系。

从图6、图7看出，太阳能电池的输出电压(U)和电流(I)随光照强度的变化呈现出非线性，而太阳能电池的输出功率P=U*I,从曲线图上看出，在同样的光照情况下，输出电压较大的时候，输出电流就很小；输出电流较大的时候，输出电压就很小。这两个模式下都不能够得到太阳能电池的输出最大功率(Pmax)，因此，需要软件来控制太阳能电池的实际工作电压和电流，使太阳能电池输出最大功率。

由于本发明使用的是集成电路模块方案进行的升压控制，升压电路存在工作损耗，损耗主要来自于控制芯片本身。如果电路一直有+5V的电压输出，则芯片损耗就一直存在，虽然这个损耗是毫安级别，但是日积月累，也会耗掉充电电源的一部分电能，本发明采用软件控制升压电路，每隔一段时间使能一次升压芯片，输出+5V电压，同时检测是否有负载，如果检测到有负载，则继续使能升压芯片，输出+5V电压；若没有检测到负载的存在，则停止输出+5V电压，升压芯片不工作，直到下一个时间间隔到来，才再次使能升压芯片。如此循环。省电模式输出程序运行的流程图如下图9所示：

过流保护和电量显示软件设计，过流保护主要就是通过采样电阻取得回路电流值，当这个电流值超过预设的阀值的时候，产生一个中断信号，关闭电池输出，保护电路器件不被损坏。

电量显示部分的软件设计，通过电池电压的检测，对照电池电压和容量的比例关系，在某个电压范围内，电量属于哪个等级，然后通过I/O口输出控制电量指示灯，例如：3.8V对应的是2个指示灯亮；4.1V～4.2V对应的是四个指示灯亮。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims

1.带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源，其特征在于，充电电源电路包括CPU、最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路和电量显示电路；中央处理器CPU分别与最大功率跟踪电路、电池管理电路、升压电路和电量显示电路连接；

CPU通过接受锂电池充电管理芯片CN3065输入信号，经过CPU程序控制来开关器件(MOSFET)的脉冲信号，频率为80kHz，由CPU程序中算法模块进行太阳能最大功率跟踪控制运算，给出最终输出的脉冲信号；

所述升压电路硬件由集成电路芯片SX1302、22uH电感、MOSFET及其驱动电路、二极管和反馈阻容器件构成；

所述CPU为8位单片机HT46F47E；

2.如权利要求1所述的带有最大功率跟踪功能的太阳能充电电源，其特征在于，CPU程序中的算法模块进行太阳能最大功率跟踪控制运算过程，包括如下步骤：

P(t)=U*I(t)；

f(t)=P(t);

设占空比为D，

若df(t)/dt>0;

则加大占空比D；

若df(t)/dt<0;

则减小占空比D；

若df(t)/dt=0；

则找到最大功率点，维持该占空比Dmax输出。