太阳能手机充电器毕业设计.doc
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本科毕业设计（论文）
手机充电器的设计与仿真
学
2015年6月
本科毕业设计（论文）
手机充电器的设计与仿真
学院：
电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：
答辩日期：
2015年6月
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程学院系级教学单位：
电气工程系
摘要
摘要
太阳能作为一种可再生、清洁能源，对于化石能源的替代和环境问题的改善有很大帮助。
目前，太阳能电池在便携式电子设备中的应用已经取得了很大的进步。
现在手机已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，但是手机电池的储能是有限的，在远离市电的环境下，电池的耗尽为通信带来极大的不便。
而且，近些年来手机充电器的安全问题已逐步受到人们的关注。
本文在对太阳能手机充电器进行了理论研究与计算机仿真的基础上，设计了两种在没有电源的情况下也能给手机充电的太阳能手机充电器，即基于集成芯片的太阳能手机充电器与基于MPPT的太阳能手机充电器。
在硬件电路与软件程序方面进行了详细的设计，使其能够实现其作为充电器应具备的基本功能。
还应用MATLAB仿真软件对电路进行了仿真研究。
并且对两种太阳能手机充电器设计方案进行了比对，阐述了各自的优缺点。
关键词：
手机充电器；太阳能；MATLAB；芯片；单片机
I
燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
Solarenergyasarenewableandcleanenergy,totheimprovementofthereplacefossilenergyandtheenvironmentareofgreathelp.Atpresent,thesolarcellapplicationinportableelectronicdeviceshasmadegreatprogress.NowmobilephonehasbecomeanindispensablepartofPeople'sDailylife,butmobilephonebatteryenergystorageislimited,infarawayfromthegridenvironment,batteryrunoutforcommunicationinconvenient.Moreover,thesecurityproblemsofmobilephonechargershasgraduallybytheattentionofpeopleinrecentyears.
Ofsolarmobilechargerinthispaper,onthebasisoftheoryresearchandcomputersimulation,designthetwosolarmobilechargerwitchcanalsobeusedtorechargethephonewithoutpower,solarmobilechargerbasedonintegratedchipandsolarmobilechargerbasedontheMPPT.Intheaspectofhardwarecircuitandsoftwareprogramindetaildesign,soitcanrealizeitasachargershouldpossessthebasicfunction.What’smore,thispaperusedtheMATLABsimulationsoftwareofcircuitsimulation.Andthetwokindsofsolarmobilechargerdesignhascarriedonthecomparison,thispaperexpoundstherespectiveadvantagesanddisadvantages.
Keywords Mobilephonecharger;Solarenergy;MATLAB;Chips;Singlechipmicrocomputer
IV
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.1.1太阳能研究的背景及意义 1
1.1.2手机充电器研究的背景及意义 2
1.2市场产品概况及国内外研究现状 2
1.2.1市场产品概况 2
1.2.2太阳能国内研究状况 3
1.2.3太阳能国外研究状况 3
1.3课题研究的主要内容 3
1.4本章小结 4
第2章太阳能电池与蓄电池的论述 5
2.1太阳能电池的研究 5
2.1.1太阳能电池的工作原理 5
2.1.2太阳能电池的等效电路 5
2.1.3太阳能电池的输出特性 7
2.1.4太阳能电池仿真模型的建立 8
2.1.5太阳能电池最大功率的实现 10
2.2蓄电池及其充电控制 14
2.2.1蓄电池介绍 15
2.2.2蓄电池充电方法 15
2.2.3蓄电池充电仿真 16
2.3本章小结 18
第3章基于芯片的太阳能手机充电器硬件设计 19
3.1系统结构与参数设计 19
3.2CN3063芯片介绍 19
3.3MCC6288芯片介绍 22
3.4本章小结 24
第4章基于MPPT的太阳能手机充电器硬件设计 25
4.1系统总体设计 25
4.1.1系统总体设计要求 25
4.1.2系统的参数设计 25
4.1.3系统整体结构设计 26
4.2具体硬件电路的设计 27
4.2.1基于MPPT的蓄电池充电控制电路设计 27
4.2.2蓄电池放电电路 29
4.2.3控制系统电路设计 32
4.2.4软件设计 40
4.3本章小结 44
结论 45
参考文献 46
致谢 47
附录1开题报告 48
附录2中期报告 52
III
第1章绪论
第1章绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1太阳能研究的背景及意义
随着人们对化石能源的开采，能源日益紧缺，再加上化石能源对环境的污染越来越严重，环保的压力不断增大，寻找廉价的新型的清洁能源，成为了世界各国的发展方向。
对于地球来说，接收到的太阳能远远大于所利用的能量，这就造成了能源和资源的浪费。
而且，太阳能属于清洁能源，不会产生化石燃料燃烧所产生的温室气体，更不会对环境造成污染。
因此，为了提高国际竞争力，各国对于太阳能资源的利用和开发更是刻不容缓。
太阳能产业的发展不仅是单纯的经济问题，更是能源替代和环保的问题。
太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，转换过程中不释放包括二氧化碳在内的温室气体，是对环境没有任何污染的可再生能源。
这对改善生态环境、缓解温室效应具有非常重大的意义。
目前，太阳能电池的应用已从军事、航天领域进入到工业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。
而且随着太阳能电池技术的改进以及新型光—电转换装置的发明，以及各国对环境的保护要求和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍是利用太阳辐射能切实可行的方法，为人类将来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。
太阳能电池技术最重要的研究内容，就是如何在给定光电转换材料和电池的条件下，完成高效可靠的充电。
随着太阳能电池板价格方面越来越便宜和科学家在光伏技术方面研究的不断深入，人类对于太阳能的利用将会越来越多。
但是，太阳能光伏发电技术在家庭小产品方面的应用实例还是相对较少的，如目前使用太阳能充电的手机充电器还没有被广大消费者普遍接受。
因此，太阳能作为一种容易获取、对环境无污染的绿色能源若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境问题有着巨大的意义。
1.1.2手机充电器研究的背景及意义
自马丁库伯在1973年发明了手机，经过几十年的发展它已经成为了人们生活中不可或缺的通讯工具。
目前，中国已拥有13亿的手机用户，如果手机无法正常使用，将会给我们的工作、生活带来许多的不便，甚至造成巨大的损失。
手机充电器作为手机的一个必不可分的组件，它的性能好坏，会直接影响到手机的正常使用，所以手机充电器的作用至关重要。
然而现在市场上有些充电器的产品质量并不能满足要求，而且还存在着安全隐患。
充电器的质量、安全等一系列问题不仅直接影响着手机的正常使用，还使手机电池的寿命大大减少。
尤其是安全问题特别重要，有关手机在充电过程中发生爆炸的事故很多，这很大程度上和手机充电器的质量有关。
所以手机充电器的质量不能保证的话，一旦出现意外，就会产生难以想象的危害。
而智能充电器能够对充电过程进行控制，不仅可以在充电过程中对电池进行保护，还可以防止过电压并控制充电温度[1]。
还存在的一个问题是，手机电池的储能是有限的，外出远离市电的人们经常会遇到手机没电又无法及时补充电能的情况，这时，太阳能手机充电器的优点就显现出来。
首先，它特别适合应急的场合，只要有阳光的地方就可以进行充电；其次，它体现了节能、环保的理念，是一款绿色的产品。
综上所述，太阳能手机充电器具有非常广阔的发展前景和巨大的现实意义。
1.2市场产品概况及国内外研究现状
1.2.1市场产品概况
如今，市场上手机充电器的类型主要有旅行手机充电器、座式充手机电器、车载手机充电器、无线手机充电器、太阳能手机充电器等。
目前，市场上销售最多的是旅行手机充电器，严格地从充电电路进行分析，只有非常少的一部分充电器属于真正意义上的智能控制手机充电器。
现在一些较好的手机充电器有如下特点：
多电压可选、限流保护、体积小、重量轻、快速充电、自动关断等。
而且随着节能环保概念的提出，对手机充电器节能环保与可靠性也提出了更高的要求，因此，太阳能手机充电器必然成为以后手机充电器的一种发展趋势。
1.2.2太阳能国内研究状况
中国从1958年开始了太阳能电池的研究，在1971年成功应用在东方红二号卫星上，于1973年开始应用在地面上。
可以说我国的光伏发电起步较晚，但是发展速度较快。
中国的光伏发电产业在20世纪80年代以前一直处于起步阶段，但是随着我国的经济发展，政府对光伏发电产业的关注与投入也越来越大。
自2002年起，我国太阳能电池制造业高速发展，但是，在太阳能电池的应用方面，跟发达国家相比，我国太阳能光伏电池的市场需求相对较小，发展相对缓慢，工艺技术方面也比较落后，在国外的市场仍面临着严峻的考验。
在太阳能电池的研究方面，国内很多高校和研究机构也都长期致力于太阳能光伏发电技术的研究，并积累了许多经验也取得了一些的研究成果。
虽然与国外相比，我国的技术水平和投入力度还有很多不足，在太阳能光伏发电的应用层面上还有很大的发展空间，但是，随着我国经济的进一步发展，以后一定可以利用丰富的太阳能资源解决资源短缺的问题。
1.2.3太阳能国外研究状况
太阳能光伏产业从20世纪80年代以来一直持续发展，太阳能光伏发电技术应用于全世界，特别是在非洲、澳洲、南美洲、亚洲等国家普遍受到重视。
为了鼓励开发和利用光伏能源，各国政府出台了各种鼓励政策以推动太阳能光伏发电产业的发展，尤其以美国、德国等一些西方发达国家为主。
德国率先推出“1000太阳能屋顶计划”，美国也在1997年提出“百万屋顶计划”，并制定相关的财政补贴政策，此后，意大利、法国、西班牙荷兰等国家也纷纷出台政策以鼓励、促进太阳能光电产业的发展[2]。
使得其应用范围遍及到几乎所有的用电领域。
太阳能电池的光电转换效率也随着技术的进步不断地提高，晶体硅的光电转换效率达到15%，单晶硅的光电转换效率为23.3%，砷化镓光电池的光电转换效率是25%，特别是新型的薄膜太阳能电池由于用硅量只有硅片电池的1/100，加工工艺简化，可以大大缩短能量返还的时间，提高能量的再生比。
1.3课题研究的主要内容
本文在对太阳能手机充电器进行了理论研究与计算机仿真的基础上，设计了两种太阳能手机充电器，即基于集成芯片的太阳能手机充电器与基于MPPT的太阳能手机充电器。
对两种太阳能手机充电器设计方案进行了比对，阐述了各自的优缺点。
并且在硬件电路与软件程序方面进行了详细的设计，使其能够实现其作为充电器应具备的基本功能。
还应用MATLAB仿真软件对电路进行了仿真研究。
1.4本章小结
本章主要从太阳能与手机充电器研究的背景和意义、太阳能产业国内外研究的现状以及手机充电器的市场分析几个方面介绍了本文所设计的太阳能手机充电器的研究意义与价值，并且说明了本文设计的主要内容。
3
第2章太阳能电池与蓄电池论述
第2章太阳能电池与蓄电池的论述
2.1太阳能电池的研究
2.1.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池是以半导体PN结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器件。
太阳能电池的组成材料是半导体，其中硅应用的最为广泛。
其工作原理是：
当太阳光照射在半导体表面时，半导体吸收光能，并且产生许多光电子-空穴对，在半导体内的电场的作用下，光生电子和空穴被分离，半导体两端出现异种电荷的积累，即产生光生电压。
如果在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有光生电流流过，从而获得了功率的输出[3]。
这样，太阳能通过太阳能电池就转换为了可以使用的电能。
当把很多光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，就构成了光伏电池组件，经过封装就成为了常见的太阳能电池板，可以在太阳光的作用下输出功率满足特定场合的需求的电能。
2.1.2太阳能电池的等效电路
光伏电池受光的照射便产生电流。
这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。
目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，其等效电路由光生电流源及一系列电阻组成，如图2-1所示。
图2-1太阳能电池等效电路图
5
用公式表示太阳能电池发电状态的电流方程式为：
（2-1）
（2-2）
式中Iph——光生电流，（A）；
Io——二极管反向饱和电流，（A）；
q——电子电荷（1.6×10-9C）；
K——玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）；
T——绝对温度，（K）；
A——PN结的曲线常数；
当光照条件与温度一定时，根据公式（2-2）得到太阳能电池的I-V特性曲线与P-V特性曲线，如图2-2所示[4]。
图2-2（a）太阳能电池的I-V特性曲线
图2-2（b）太阳能电池的P-V特性曲线
V
由图2-2可以得到太阳能电池的几个重要的参数：
短路电流（Isc）：
在给定光照强度和温度下的最大输出电流；
开路电压（Voc）：
在给定光照强度和温度下的最大输出电压；
最大功率点电流（Im）：
在给定光照强度和温度下相对于最大功率点的电流；
最大功率点电压（Vm）：
在给定光照强度和温度下相对于最大功率点的电压；
最大功率点功率（Pm）：
在给定光照强度和温度下输出的最大功率。
2.1.3太阳能电池的输出特性
太阳能电池的输出特性受多种外界因素的影响，尤其是光照强度和温度。
太阳能电池输出电压、输出电流与输出功率随光照强度的变化曲线如图2-3所示，太阳能电池输出电压、输出电流与输出功率随温度的变化曲线如图2-4所示。
图2-3（a）太阳能电池在25℃下不同光照强度下的I-V特性曲线
图2-3（b）太阳能电池在25℃下不同光照强度下的P-V特性曲线
由图2-3可以看出，短路电流随着光照强度的增加而大幅增加，开路电压随光照强度的增加略有增加，所以，输出功率是随着光照强度的增加而增加的。
图2-4（a）太阳能电池在S=1000W/㎡时不同温度下的I-V特性曲线
图2-4（b）太阳能电池在S=1000W/㎡时不同温度下的P-V特性曲线
由图2-4可以看出，短路电流随温度的升高而略有增加，开路电压随温度的升高而大幅减少，所以，输出功率是随着温度的升高而降低的。
2.1.4太阳能电池仿真模型的建立
把式（2-2）进行近似，即忽略（U+IRs）/Rsh，并且设定Iph=Isc。
设在开路状态下：
I=0，V=Voc；在最大功率点处：
V=Vm，I=Im。
由上述条件可以把式（2-2）化简为：
（2-3）
在最大功率点处有：
7
（2-4）
在常温条件下：
exp[Vm/（C2Voc）]≥1，可忽略“-1”项，得出C1为：
（2-5）
在开路状态下，把式（2-5）带入式（2-3）得：
（2-6）
由于exp（1/C2）≥1，可忽略“-1”项，得到C2：
（2-7）
按照标准，取Sref=1000W/m2，Tref=25℃为参考光照强度与温度。
设T为任意光照强度S及任意温度Tair下的太阳能电池的温度，则有：
（2-8）
对于I-V特性曲线上任意一点（V'，I'）有：
（2-9）
（2-10）
（2-11）
（2-12）
（2-13）
式中α——参考光照强度下的电流温度系数，取0.0012Isc（A/℃）；
β——参考光照强度下的电压温度系数，取0.005Voc（V/℃）。
根据上文中的数学模型，建立的太阳能电池的simulink模型如图2-5所示。
9
图2-5simulink太阳能电池模型
2.1.5太阳能电池最大功率的实现
太阳能电池是一种非线性电源，其最大功率点是随着光照强度和温度的变化而变化的。
最大功率点跟踪（MPPT）就是要使系统工作点跟踪最大功率的变化，使光电转换效率达到最大。
为了实现最大功率点跟踪，需要在太阳能电池与负载之间接入DC/DC变换器，通过对DC/DC变化器的PWM驱动。
图2-6太阳能电池最大功率跟踪原理图
（1）最大功率跟踪控制算法
现在有多种MPPT控制的算法，电导增量法因其控制准确，响应速度快而得到了广泛的应用。
因为太阳能电池的P-V曲线在最大功率点处的斜率是零，于是得到：
（2-14）
即：
（2-15）
式（2-15）就是实现MPPT的条件，也就是说，当输出电导的变化量与输出电导的负值相同时，太阳能电池工作于最大工作点处。
电导增量法的流程图如图2-7所示，simulink仿真模块如图2-8所示。
图2-7电导增量法计算流程图
图2-8电导增量法的simulink仿真模块
（2）升压变换器
DC/DC变换器采用BOOST电路，太阳能电池的输出电压Upv就是BOOST电路的电源，设BOOST电路的输出电压为Uo。
BOOST电路如图2-9所示，当开关管导通时，二极管VD关断，电源Upv向大电感L储存能量，同时大电容向负载RL供电，此时Uo=Upv；当开关管关断时，电感的电流不能突变，二极管导通，电感与电容一起向负载供电，同时向电容充电，此时Uo=Upv-UL。
由上述工作原理，整理可得BOOST电路输入电压Upv与输出电压Uo之间的关系为：
（2-16）
输入电流IL与输出电流Io之间的关系为：
（2-17）
则等效电阻Req为:
（2-18）
由式（2-18）可知，调节BOOST电路的开关的占空比D，就可以改变输入阻抗的大小，当BOOST电路的等效输入阻抗与太阳能电池的输出阻抗相匹配时，太阳能电池的输出功率达到最大[6]。
图2-9BOOST升压变化器电路图
（3）
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