前言

太陽能電池的發(fā)展始于上世紀(jì)五十年代，最初應(yīng)用于宇宙開發(fā)，航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，無論從發(fā)展速度、技術(shù)成熟性，還是從應(yīng)用領(lǐng)域來看，太陽能電池都是新能源中的佼佼者。太陽能電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、無須消耗燃料、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是其他發(fā)電方式所不及的。但是，太陽能電池并不是一個(gè)理想的電源，其輸出特性受光照強(qiáng)度和光線頻譜等影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅(qū)動(dòng)用電裝置，而需要將太陽能電池先存儲(chǔ)在電池中，然后通過電池為用電裝置供電。

目前，人們常以蓄電池作為太陽能電池的儲(chǔ)電裝置，但是，蓄電池的維護(hù)較復(fù)雜，需專門的電池間，有腐蝕性氣體排出，必須現(xiàn)場(chǎng)初充電50-90小時(shí)，需專人維護(hù)，而且，不及時(shí)恢復(fù)性充電會(huì)損害電池，蓄電池對(duì)溫度也很敏感，壽命較短。

鋰電池作為二次電池之一，具有能量密度高、工作電壓高、自放電小，可快速充放電、壽命長(zhǎng)、允許溫度范圍寬、體積小、輸出功率大、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池。雖然鋰電池也存在缺點(diǎn)，但同其優(yōu)點(diǎn)相比，那些缺點(diǎn)不應(yīng)成為主要問題，特別是用于一些高科技，高附加值的產(chǎn)品中。目前，鋰電池在市場(chǎng)中成長(zhǎng)快速、利潤(rùn)高、已成為許多先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的研究項(xiàng)目，其未來需求及發(fā)展前景是相當(dāng)好的。

鑒于上述原因，可以用鋰電池代替蓄電池作為太陽能電池的儲(chǔ)電裝置。隨即帶來的鋰電充電問題便成了鋰電應(yīng)用中的重要課題。市場(chǎng)上現(xiàn)有的鋰電池充電器，要么通用性不夠強(qiáng)，要么精度達(dá)不到要求，而且，隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，不可再生資源的逐漸減少，現(xiàn)有的交流電供電式充電器必有被取代之勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)在太陽能供電下對(duì)鋰電池充放電的高精度控制，提升鋰電池工作性能，延長(zhǎng)鋰電池壽命，本文設(shè)計(jì)了一款基于AVR單片機(jī)的追光智能鋰電池充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能追光，并確保鋰電池不會(huì)過充、過熱而損壞，大大提高安全性能，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。該系統(tǒng)還通過與上位機(jī)通信，將鋰電池的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的智能化管理。系統(tǒng)也具有電路穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、控制精度高、操作簡(jiǎn)便、易于軟件升級(jí)等特點(diǎn)。

追光、鋰電池充電基本原理

追光原理

單軸跟蹤追光

單軸跟蹤追光的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想。

圖1是單軸跟蹤追光的一個(gè)實(shí)例。

圖1 單軸跟蹤

雙軸跟蹤追光

雙軸跟蹤追光可以通過跟蹤太陽高度和赤緯角的變化，獲得最多的太陽能，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。

雙軸跟蹤追光的原理圖如圖2所示。

圖2 雙軸跟蹤

光電跟蹤追光

光電檢測(cè)就是檢測(cè)太陽高度角和方位角的變化，可以使用3個(gè)光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，組建橋式電路，分別通過如圖3電路接通單片機(jī)的A/D通道，微處理器根據(jù)得到的電壓數(shù)據(jù),控制電機(jī)動(dòng)作。

圖3光電跟蹤

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤追光

由于太陽的高度角和方位角決定了太陽的位置，故可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度確定太陽的位置，然后調(diào)節(jié)太陽能將電池板與地面的角度，實(shí)現(xiàn)追光。

太陽位置計(jì)算幾何數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤

光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤配合追光

光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法能夠加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種天氣下對(duì)太陽的跟蹤。

鋰電池充電原理

（1）鋰電池充電要求

鋰電池的充電要求有：

①　終止充電電壓的允差為額定值的±1%,過壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。

②　充電速率常用為0.5C—1C。采用0.5C充電速率時(shí)，因充電過程中的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，所以有一定的能量損失。

③　鋰離子電池充電的溫度范圍為0℃—60℃，如果電流過大，會(huì)使溫度過高。不僅會(huì)損壞電池，而且可能引起爆炸。

④　鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V，嚴(yán)重過放電可能造成鋰離子電池失效。對(duì)過放電的電池充電可以通過預(yù)處理進(jìn)行補(bǔ)救，當(dāng)鋰離子電池電壓大于2.5V，則按正常方式充電；若鋰離子電池低于2.5V，則用小電流充電，充到2.5V后再按正常方式充電。

鋰電池在使用過程中，為保證使用安全，延長(zhǎng)鋰電池壽命，還需添加鋰電池保護(hù)板，鋰電池保護(hù)板詳細(xì)資料請(qǐng)參見附錄一。

（2）恒流充電

采用恒流充電式，可使電池具有較高的充電效率，該方法在整個(gè)充電過程中采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，如圖5所示。這種方法操作簡(jiǎn)單，易于做到，特別適合對(duì)由多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。

圖5 恒流充電

（3）恒壓充電

在恒壓充電法中，電池兩端電壓決定了充電電流，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電電流隨著電壓波動(dòng)而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時(shí)，以免使電池過充電。實(shí)際上，恒壓充電曲線如圖6所示，從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對(duì)鋰電池的壽命會(huì)造成很大影響。另外，在此種充電方式中，充電末期電池溫度會(huì)升高，很有可能造成電池的熱失控，損害電池的性能，因此不推薦采用恒壓充電方式。

圖6恒壓充電

（4）恒流恒壓充電

在上述兩種充電方式的基礎(chǔ)上，充電通過恒定電流開始。在恒流充電周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的端電壓時(shí)，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在恒流充電期間，電池可以以較高電流強(qiáng)度進(jìn)行充電，這期間電池被充電到大約85%的容量，電壓以較高的斜率增長(zhǎng)，在充電過程中斜率逐漸降低。在恒壓周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10容量時(shí)，充電周期完成，又稱為二階段式充電法。恒流恒壓充電曲線如圖7所示。

圖7 恒流恒壓充電

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證

1、總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有追光控制、電壓轉(zhuǎn)換、光耦開關(guān)控制、充電控制、照明燈控制和上位機(jī)界面控制六個(gè)部分組成，以追光及充電作為本系統(tǒng)的核心。追光控制采用光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤配合的方法。充電部分采用可用太陽能電池供電的CN3063充電管理芯片，并結(jié)合溫度檢測(cè)，光耦等控制，實(shí)現(xiàn)了智能充電的功能，并能有效的保護(hù)鋰電池，活化鋰電池，提升鋰電池的性能?；谔柲茈姵匕遢敵鲭妷旱淖兓紤]選擇了升/降壓電路，以獲得最佳的充電調(diào)節(jié)。在照明燈狀態(tài)控制部分，使用光敏電阻來檢測(cè)外界光線強(qiáng)弱，以控制照明燈的亮滅，并使用PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)節(jié)照明燈的亮度。上位機(jī)控制臺(tái)用于觀察太陽能電池輸出電壓，鋰電池端電壓，鋰電池溫度，并提供了人工控制功能，智能化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人工管理。

2、詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）鋰電池及太陽能電池選擇

①鋰電池選擇

基于安全、輕薄和容量的考慮，我們采用的是4000mAh的聚合物鋰電池、鋁塑包裝，有別于液態(tài)鋰電池的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，不會(huì)爆炸，只會(huì)鼓脹；重量輕，比鋼殼液鋰輕40％，比鋁殼液鋰輕20％；容量大，內(nèi)阻小，比常規(guī)電池內(nèi)阻要小，使得有效放電容量要比其它電池高；形狀可定制，采用膠態(tài)電解質(zhì)，具有更平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺(tái)；工作電壓高；能量密度高；循環(huán)壽命長(zhǎng)；無記憶效應(yīng)，自放電小，無污染。

適用范圍：通訊設(shè)備（移動(dòng)電話、網(wǎng)絡(luò)電話、對(duì)講機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)），移動(dòng)辦公設(shè)備（筆記本計(jì)算機(jī)、PDA、便攜式傳真機(jī)、打印機(jī)），影像設(shè)備（數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、移動(dòng)DVD、移動(dòng)電視、MP3、MP4），其它（手電筒、礦燈、玩具、航模）。

②太陽能電池選擇

選擇太陽能電池時(shí)，要綜合考慮其材質(zhì)，工藝，重量，光電轉(zhuǎn)換效率，功率等。本系統(tǒng)采用的太陽能電池板參數(shù)如表1所示。

表1所選太陽能電池參數(shù)

規(guī)格

110*134mm

開路電壓

9V

短路電流

170mA

功率

1.5W

工藝

單晶硅層壓工藝

考慮到太陽能電池實(shí)際輸出功率和系統(tǒng)本身功耗，我們將4塊參數(shù)如上表1所示的太陽能電池板并聯(lián)使用，并聯(lián)方式如圖9所示。

（2）電壓轉(zhuǎn)換部分

①降壓電路

方案一：采用LM7805芯片，將太陽能輸出電壓轉(zhuǎn)換為5V，此芯片價(jià)格便宜，但缺點(diǎn)是功耗大，效率低，不利于太陽能供電的充電系統(tǒng)。