智能追光锂电充电系统设计

前言

太阳能电池的发展始于上世纪五十年代，最初应用于宇宙开发，航空航天等领域，经过近五十年的发展，无论从发展速度、技术成熟性，还是从应用领域来看，太阳能电池都是新能源中的佼佼者。太阳能电池具有许多优点，比如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无须消耗燃料、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其他发电方式所不及的。但是，太阳能电池并不是一个理想的电源，其输出特性受光照强度和光线频谱等影响，输出电流很不稳定，所以太阳能电池不能直接驱动用电装置，而需要将太阳能电池先存储在电池中，然后通过电池为用电装置供电。

目前，人们常以蓄电池作为太阳能电池的储电装置，但是，蓄电池的维护较复杂，需专门的电池间，有腐蚀性气体排出，必须现场初充电50-90小时，需专人维护，而且，不及时恢复性充电会损害电池，蓄电池对温度也很敏感，寿命较短。

锂电池作为二次电池之一，具有能量密度高、工作电压高、自放电小，可快速充放电、寿命长、允许温度范围宽、体积小、输出功率大、无记忆效应和无环境污染等优点，综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池。虽然锂电池也存在缺点，但同其优点相比，那些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。目前，锂电池在市场中成长快速、利润高、已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当好的。

鉴于上述原因，可以用锂电池代替蓄电池作为太阳能电池的储电装置。随即带来的锂电充电问题便成了锂电应用中的重要课题。市场上现有的锂电池充电器，要么通用性不够强，要么精度达不到要求，而且，随着太阳能产业的快速发展，不可再生资源的逐渐减少，现有的交流电供电式充电器必有被取代之势。

为了实现在太阳能供电下对锂电池充放电的高精度控制，提升锂电池工作性能，延长锂电池寿命，本文设计了一款基于AVR单片机的追光智能锂电池充电系统，实现了智能追光，并确保锂电池不会过充、过热而损坏，大大提高安全性能，延长锂电池的使用寿命。该系统还通过与上位机通信，将锂电池的状态实时显示在上位机界面上，便于实现对锂电池的智能化管理。系统也具有电路稳定性强、可靠性高、控制精度高、操作简便、易于软件升级等特点。

追光、锂电池充电基本原理

追光原理

单轴跟踪追光

单轴跟踪追光的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。

图1是单轴跟踪追光的一个实例。

图1 单轴跟踪

双轴跟踪追光

双轴跟踪追光可以通过跟踪太阳高度和赤纬角的变化，获得最多的太阳能，但是其结构复杂，成本相对较高。

双轴跟踪追光的原理图如图2所示。

图2 双轴跟踪

光电跟踪追光

光电检测就是检测太阳高度角和方位角的变化，可以使用3个光敏电阻将光信号转换为电信号，组建桥式电路，分别通过如图3电路接通单片机的A/D通道，微处理器根据得到的电压数据,控制电机动作。

图3光电跟踪

视日运动轨迹跟踪追光

由于太阳的高度角和方位角决定了太阳的位置，故可以根据当地的经纬度确定太阳的位置，然后调节太阳能将电池板与地面的角度，实现追光。

太阳位置计算几何数学模型如图4所示。

图4视日运动轨迹跟踪

光电跟踪与视日运动轨迹跟踪配合追光

光电跟踪和视日运动轨迹跟踪相结合的设计方法能够加强系统的稳定性，提高系统的跟踪精度，能够实现各种天气下对太阳的跟踪。

锂电池充电原理

（1）锂电池充电要求

锂电池的充电要求有：

①　终止充电电压的允差为额定值的±1%,过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。

②　充电速率常用为0.5C—1C。采用0.5C充电速率时，因充电过程中的电化学反应会产生热量，所以有一定的能量损失。

③　锂离子电池充电的温度范围为0℃—60℃，如果电流过大，会使温度过高。不仅会损坏电池，而且可能引起爆炸。

④　锂离子电池的终止放电电压为2.5V，严重过放电可能造成锂离子电池失效。对过放电的电池充电可以通过预处理进行补救，当锂离子电池电压大于2.5V，则按正常方式充电；若锂离子电池低于2.5V，则用小电流充电，充到2.5V后再按正常方式充电。

锂电池在使用过程中，为保证使用安全，延长锂电池寿命，还需添加锂电池保护板，锂电池保护板详细资料请参见附录一。

（2）恒流充电

采用恒流充电式，可使电池具有较高的充电效率，该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图5所示。这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。但由于锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。

图5 恒流充电

（3）恒压充电

在恒压充电法中，电池两端电压决定了充电电流，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。充电电流随着电压波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免使电池过充电。实际上，恒压充电曲线如图6所示，从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影响。另外，在此种充电方式中，充电末期电池温度会升高，很有可能造成电池的热失控，损害电池的性能，因此不推荐采用恒压充电方式。

图6恒压充电

（4）恒流恒压充电

在上述两种充电方式的基础上，充电通过恒定电流开始。在恒流充电周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。在恒流充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85%的容量，电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐渐降低。在恒压周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10容量时，充电周期完成，又称为二阶段式充电法。恒流恒压充电曲线如图7所示。

图7 恒流恒压充电

三、系统设计及方案论证

1、总体设计

系统框图如图8所示。

图8系统框图

本系统设计主要有追光控制、电压转换、光耦开关控制、充电控制、照明灯控制和上位机界面控制六个部分组成，以追光及充电作为本系统的核心。追光控制采用光电跟踪与视日运动轨迹跟踪配合的方法。充电部分采用可用太阳能电池供电的CN3063充电管理芯片，并结合温度检测，光耦等控制，实现了智能充电的功能，并能有效的保护锂电池，活化锂电池，提升锂电池的性能。基于太阳能电池板输出电压的变化，考虑选择了升/降压电路，以获得最佳的充电调节。在照明灯状态控制部分，使用光敏电阻来检测外界光线强弱，以控制照明灯的亮灭，并使用PWM（脉宽调制）调节照明灯的亮度。上位机控制台用于观察太阳能电池输出电压，锂电池端电压，锂电池温度，并提供了人工控制功能，智能化的同时实现了人工管理。

2、详细设计

（1）锂电池及太阳能电池选择

①锂电池选择

基于安全、轻薄和容量的考虑，我们采用的是4000mAh的聚合物锂电池、铝塑包装，有别于液态锂电池的金属外壳，一旦发生安全隐患，不会爆炸，只会鼓胀；重量轻，比钢壳液锂轻40％，比铝壳液锂轻20％；容量大，内阻小，比常规电池内阻要小，使得有效放电容量要比其它电池高；形状可定制，采用胶态电解质，具有更平稳的放电特性和更高的放电平台；工作电压高；能量密度高；循环寿命长；无记忆效应，自放电小，无污染。

适用范围：通讯设备（移动电话、网络电话、对讲机、蓝牙耳机），移动办公设备（笔记本计算机、PDA、便携式传真机、打印机），影像设备（数码相机、摄像机、移动DVD、移动电视、MP3、MP4），其它（手电筒、矿灯、玩具、航模）。

②太阳能电池选择

选择太阳能电池时，要综合考虑其材质，工艺，重量，光电转换效率，功率等。本系统采用的太阳能电池板参数如表1所示。

表1所选太阳能电池参数

规格

110*134mm

开路电压

9V

短路电流

170mA

功率

1.5W

工艺

单晶硅层压工艺

考虑到太阳能电池实际输出功率和系统本身功耗，我们将4块参数如上表1所示的太阳能电池板并联使用，并联方式如图9所示。

（2）电压转换部分

①降压电路

方案一：采用LM7805芯片，将太阳能输出电压转换为5V，此芯片价格便宜，但缺点是功耗大，效率低，不利于太阳能供电的充电系统。