太阳能便携式多功能电源设计与实现

姜杏辉 邵雅婷 张晓俊

摘 要：设计了一款太阳能便携式多功能电源系统，由太阳能电池、锂离子电池、充放电控制系统等组成。其中电池板供电电压经过Buck型变换器降压后给锂离子电池充电。另外，该一体机提供多种输出方式，一个方式经过LM2676-5.0稳压电路，稳定地输出5V电压，手机、MP3、MP4、数码相机等下小功率设备通过USB口接入即可充电，非常方便。另一方式经过Boost变换器升压，输出16V、19V的电压，可为Pad、笔记本等大功率设备供电。该系统体积小、功能多，实现了真正意义上的便携。

关键词：Li离子电池 控制系统 Buck Boost

中图分类号：TP33 文献标识码：A 文章编号：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，光伏发电以其资源丰富、分布广泛、取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优异的特性在全世界范围得到快速发展，被认为是当今世界最具有发展前景的新能源技术，已经成为国际能源开发利用领域中的新宠[1]。进入21世纪以来，世界各国都十分重视太阳能利用技术的开发，而我国因得天独厚的地理位置而具有丰富的太阳能资源。我国年太阳能辐射量估计能达到 3340-8400MJ/m2。由此可见，充分开发利用太阳能资源是节省和替代常规能源的有效措施，是实现能源可持续发展的必由之路。根据有关部门预测，到2050年左右，太阳能将超过石油天然气等其他常规能源的使用规模而成为新能源的典型代表，进而在人类的生产生活和社会发展中扮演重要的角色。

家用太阳能光伏电源系统是太阳能电池在地面应用最早的领域之一，特别是牧区牧民的家庭中得到了应用。在中国农村电力建设中发挥出重要作用，成为解决边远无电地区人民通电问题的一项主要的技术手段[2]。

目前市面上主流的各种便携充电器都只是满足一种产品的充电，且只能通过电网进行充电。该文设计了一款新型便携式电源，既能够采用传统电网进行充电，也可以采用太阳能电池版进行充电，同时有5V（USB）、12V、16V、19V各种不同档位可以选择，解决了以上这两个问题，具有广阔的市场应用前景[3-4]。

1 多功能电源的总体结构设计

本系统由太阳能电池方阵、锂离子电池、充放电控制系统等组成。其中太阳能电池方阵是将许多单个的太阳能电池经过串联或并联组合，并进行封装后构成的太阳能电池组件，由半导体材料制成，将太阳能转换成直流形式的电能。

总体设计方案分为两个部分，内部锂离子电池充电部分及电池放电输出给外接设备部分。锂离子电池充电多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。本设计通过直流电源供电或者太阳能电池板将太阳能转换为电能供电，太阳能电池板在使用时由于太阳光变化较大，输出电压不稳定，因此电池板供电电压经过Buck型变换器降压后给锂离子电池充电。同时单片机内部AD对充电电流及电池电压进行数据的采集及转换，并由单片机作判断处理，单片机通过编程实现PWM波控制开关管从而实现输出电压电流的改变，并通过显示电路显示输出状态及大小。

锂离子电池有两个输出方式。一个方式经过LM2676-5.0稳压电路，稳定地输出5V电压，通过USB接口连接小功率设备，给其供电。另一方式经过Boost变换器升压，输出16V、19V的电压，大功率设备供电。通过SG3525控制PWM，调整Boost变换器的升压幅度，从而控制输出是16V或者19V的电压。同时Mega32单片机获取放电电流、电压、过流保护信息，通过PWM方式控制前端充电电路的通断保护设备。

2 多档位电源电路设计

2.1 锂离子电池充电控制电路

锂离子电池是新一代高能充电电池，具有电压高、循环性能好和无记忆效应等突出优点。影响电池循环使用寿命的主要因素是电池的充电方式与充电效率。因此在便携式电子产品向更高层次集成度发展的同时，如何为锂离子电池提供高效安全的充电方案越来越受到设计者的关注。针对锂离子电池的充电特性，本设计方案采用恒流-恒压的充电模式，既不会因过充而损坏芯片，也不会出现充电不足的情况[5]。图1是锂离子电池的充电控制电路，通过单片机C语言实现PWM控制，PWM调整场效应管的通断，实现电池的恒流充电、恒压充电。从而使输出电压U0可控制在12V左右，使锂离子电池安全稳定地充电。

2.2 锂离子电池放电控制电路

图2是锂离子电池放电，16V、19V输出控制电路图，锂电池放电电压由VOUT口输入，IRF2907是功率MOSFET，它的通断同样通过PWM控制。输出电压和输入电压的关系如式（1）所示：

（1）

通过调整功率开关管的导通时间或关断时间可以改变变换器的输出电压，实现电压的放大输出。其中SG3525芯片是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。其工作电压范围为8到35V，5.1V的微调基准电源。

开关降压电压稳压器LM2676-5.0处于正常状态时，输入电压从8V到40V时，最大工作电流3A，电路都能稳定地输出5V电压，转换效率最高达到94%，连接至USB接口，能够实现小功率设备的正常供电。电路中L3、D3、C5、C6构成BUCK降压电路，C12、C4可消除输入连线较长时其电感效应引起的自激振荡，减小纹波电压，LM2676-5.0的6号引脚通过获取输出电压VCC和内部基准电压进行比较，快速改变PWM占空比，使输出电压一直稳定在5V。

3 系统控制软件的设计实现

3.1 系统整体程序框架

本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程，并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调节PWM占空比，使输出趋于设定值。在锂离子电池充电过程中，通过检测电压电流大小而确定电池充电多少，从而改变充电方式或决定是否停止充电。在锂离子电池放电过程中，检测放电电流的大小和过流保护信息，决定前端充电电路的通断。同时单片机采集电压信息，通过LED灯的闪烁显示锂离子电池的充电信息。整个系统的工作过程为：电路启动初始化，电路功能选择，输出选择并确定输出。程序整体框架如图3所示。

3.2 充、放电子程序的设计

锂离子电池的充电过程分两阶段进行，第一阶段为恒流充电，当充电电压达到恒流电压阈值时转入第二阶段，即恒压充电方式，恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低，待充电电流降到0.1mA时，表明电池已充到额定容量的93%～95%，此时即可认为基本充满，如果继续充下去，充电电流会慢慢降低到零，电池完全充满。充电过程中，“充电”指示灯亮；充满时，“充饱”指示灯亮，“充电”指示灯灭。

移动电源通过内置锂离子电池给外接电池充电，或者作为普通的直流电源供外接设备直接使用，都有完善的过流保护功能，确保电子产品的安全使用。单片机通过采集锂离子电池的放电电流和过流保护信息，通过PWM控制前端鋰离子电池充电电路的通断及过流保护的切断。

4 结语

该文设计了一款太阳能便携多功能电源，只要外接太阳能电池板或者直流电源，便可实现对锂锂离子电池充电，充电时三个LED灯闪烁，充电完毕后全亮。手机、MP3、MP4、数码相机等下小功率设备通过USB口接入，即可充电，非常方便。同时，该移动电源另设有12V、16V、19V三个不同档位输出，可为Pad、笔记本等大功率设备供电。该太阳能移动电源移动解决了使用者外出时移动设备因电用完而不工作的困扰，同时它体积小、质量轻，几乎不占多少空间，便于携带。另外它白天充分利用了太阳能供电，夜晚通过锂离子电池实现电能的存储，同样能给设备供电，很有实用价值。

参考文献

[1] 周丽梅，薛钰芝，林纪宁，等.小型太阳能光伏发电系统的实现[J].大连铁道学院学报，2006，27（1）：94-96.

[2] 郑玉珍，李武华，何湘宁.便携式太阳能发电系统[J].浙江科技学院学报，2010，22（3）：187-190.

[3] 宿忠娥，石蕊.太阳能光伏发电系统与研究[J].电子制作，2011，75-76.

[4] 曹莹.家用太阳能光伏发电系统设计[J].机电工程，2011，28（1）：115-117.

[5] 徐静萍.恒流-恒压模式控制的锂电池充电器的设计[J].半导体技术，2011，36（4）：291-294.