毕业设计（论文）-太阳能风扇伞控制系统设计.doc

重庆科技学院毕业设计（论文） 题 目 太阳能风扇伞控制系统设计 学 院 机械与动力工程学院 专业班级 机电普2010-3 学生姓名 学号 2010441192 指导教师 职称 副教授 评阅教师 职称 副教授 2014年5月19日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日重庆科技学院本科生毕业设计 摘要摘要目前地球正处在全球变暖的情况下，夏天室外的平均气温可达44，电能带动的风扇和空调便成为人们最主要的降温手段。太阳能是一种干净、绿色、可再生能源，拥有利用经济、储量大、清洁环保等优点。本设计的目的就是要将柔性太阳能电池与带风扇的伞结合在一起，通过安装在伞面上的柔性太阳能电池将太阳能转换成电能，带动伞中的小风扇工作，并且可以将电能存储在锂蓄电池中，经过电压变换后给手机等电子产品充电，也可在太阳光照不足时给风扇供能，还加入了USB接口充放电功能，以便室内使用。本文主要是涉及了对太阳能风扇伞的整体设计，包括电路控制系统的设计、手柄结构的设计和太阳能风扇伞的安装调试，通过这些的设计，最后太阳能风扇伞达到了预期的目的，同时携带也跟普通太阳伞一样方便。本文在外出遮阳伞的基础上，融入太阳能和风扇相结合的创新点，体现了本设计的实用和绿色节能。关键词：太阳能 薄膜电池 风扇伞 USB接口充电器37重庆科技学院本科生毕业设计 AbstractAbstractThe earth is in under the condition of global warming, summer the average temperature can reach 44 , outdoor fan driven by electricity and cooling air conditioning has become peoples main means. Solar energy is a clean, green and renewable energy, has used economic, the reserves big, clean environmental protection, etc. The purpose of this design is to take flexible solar cells and the fan umbrella together, by installing on the umbrella of the flexible solar cells convert solar energy into electricity, drive the umbrella of the small fan, and electricity can be stored in a lithium-ion battery, after voltage transform to recharge cell phones and other electronic products, can also be used when the sun is insufficient to be powered fan, also joined the USB interface to charge and discharge function, for indoor use. This article is mainly involved in the overall design of the solar energy fan umbrella, including the design of the circuit design, the handle of the control system structure and the solar energy fan umbrella installation and debugging, through the design, the solar energy fan umbrella has reached the expected purpose, at the same time carry as convenient as the ordinary solar umbrella. In this paper, based on the umbrella to go outside, into the combination of solar energy and fans innovative, illustrate the design of practical and green energy.Keywords: The solar energy; Thin-film batteries; The fan umbrella; USB charger;重庆科技学院本科生毕业设计 目录目录摘要IAbstractII1 绪论11.1研究目的11.2国内外研究现状21.3太阳能电池工作原理41.4柔性太阳能电池介绍42 太阳能风扇伞的结构设计62.1太阳能风扇伞总体结构设计62.2 伞架结构分析62.3 风扇结构分析73 太阳能系统设计及元件选型83.1太阳能转换系统设计83.2 太阳能电池的选择83.3 蓄电池的选择93.4 电机的介绍104 太阳能充放电控制系统设计114.1 恒流充电模块114.2 升压放电模块154.3 PCB的绘制175 手柄设计215.1手柄相关尺寸的确定215.2手柄材料及精度的确定225.3手柄设计图255.4手柄三维设计276 太阳能风扇伞的安装调试306.1 太阳能电池的测试安装306.2 锂电池的测试安装306.3 整体的安装调试317 结束语32参考文献33致谢34附件1 太阳能充放电系统原理图附件2 太阳能充放电系统PCB图附件3 手柄座二维图附件4 手柄盖二维图附件5 前防水塞二维图附件6 后防水塞二维图附件7 手柄装配图重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论1 绪论1.1研究目的地球目前是处在全球变暖的情况下，温室效应变得明显。全球夏天越来越炎热，某些地区室外平均气温可达44，人们根本没办法出门。而人们白天也需要生活和工作，这样就不得不出门，就算是打着伞出门，室外热浪滚滚，也会满身是汗，浑身不舒服，在这样的环境下出门便成了一个非常艰苦的事。人们随着社会的发展，生活水平也在不断的提高，急需要一个可以有效降温的出行工具。市面上为了解决这个问题的方法是外出使用扇子、太阳伞和带小型风扇的帽、伞等，然而这些产品的降温效果并不明显或不实用。从古至今扇子都是我们夏天降温的普遍工具，没有电的时候一样可以使用，价格也非常便宜。虽然扇子成本很低，但需要人们自己运动产生风，而且也避免不了阳光的直射，随着环境的恶化、人们生活水平的提高，它已远达不到人们对降温的要求。市场调研显示，通常一把太阳伞的价格在30400元不等，虽然在太阳伞下可以避免阳光的直射，但周围的高温热气仍给人酷暑难耐的感觉，难以舒适出门，所以太阳伞的性价比不高。带风扇的帽子在生活中的出现，虽能达到一定的降温效果，但降温区域有限，效果不是特别明显。况且避免不了太阳的直射，会晒黑皮肤，这是女士特不希望的；况且戴在头上也不自在，最麻烦的是需要经常更换电池，使用过程持续产生的消费成本只升不降，既不利于能源的利用，更破坏环境。这些问题使带风扇的帽子并没能在生活中得到更广泛的使用。带风扇的伞结合了太阳伞和风扇帽的优点，既能有效遮挡阳光的直射，又能达到一定的降温作用，但同时也带来了跟风扇帽一样的缺点更换电池。风扇伞供能的电池电量有限，并且风扇耗电快，需要频繁的更换电池，所以使用过程中会产生新的费用，而且风扇伞本身的价格并不低，这样后期的使用将会继续增加成本。有关专家的报告:对于有害物质的测定, 一颗纽扣电池可污染60000L水,等同于一个人一辈子所用的水量；烂在地里的一节一号电池,就能污染一平方米土地，并且是永久性的。每节废旧电池相当于一颗“炸弹”,有人是这样描述废电池的威力的。所以风扇伞使用产生的废电池会破坏环境，造成环境污染。从成本和环保两方面来看，多数人不会选择风扇伞，它在市面上也就得不到很好的推广应用。通过对上面的分析可以看出，人们出行降温的工具越来越有技术含量，随着环境的恶化、人们生活水平的提高以及环保的要求，人们越来越需要一个环保、方便、低成本的避暑出行工具。本次课题研究的太阳能风扇伞将利用太阳能带动风扇并与太阳伞结合，使人们在高温天气仍能凉爽出行，获得明显的降温效果，并且在伞的结构与重量上保持基本不变，价格趋于大众化。太阳能风扇伞以太阳为能源驱动风扇，可以为送风降温提供环保的持续动力。一次性解决了带风扇太阳伞的动力和使用成本过高两个问题，使用过程一般不产生新的费用，还避免了经常性的电池更换麻烦，为人们在炎热夏天出行提供了新的选择。在出行时太阳能电池也不一定只给风扇供能，我们可以将太阳能电池的电能储存在蓄电池里，这样就可以在需要电能的时候使用。只要选择合适的蓄电池，通过太阳能电池控制系统，就能给其他电器供电。随着社会的进步，高科技产品越来越多，随身携带的电子产品的种类也在增多，手机等电子产品的屏幕越来越大、应用软件越来越多，电池也就越来越不禁用。如果到户外徒步旅行，手机等电子产品要是没电了那真是叫天天不应叫地地不灵。太阳能风扇伞可以利用蓄电池将电能储存起来，通过USB接口给手机等电子产品充电，解决户外充电的问题，做到功能多样化，使太阳能风扇伞拥有更高的性价比。太阳能风扇伞在结构上采用与原来太阳伞相似的轻便折叠结构；在功能上比一般便携式降温工具降温效果更好；在技术方面利用了太阳能，既做到了节能环保，又兼有一般伞的遮阳功能。蓄电池还能通过USB接口给手机等电子产品充电，并且在伞的结构与重量上保持基本不变，保持了伞的统一性。在能源危机的情况下，太阳能风扇伞利用可再生环保的能源，减少环境污染，方便户外给手机等电子产品充电，给人们增添一份舒适，可谓顺应时代与环境的要求，开创了伞类的科技创新，让我们的生活工具越来越环保高效，使科技创新更贴近我们的生活。1.2国内外研究现状日常生活中几乎没看到有带风扇的伞在使用，网络上可查到个别厂家生产了电池供电的风扇伞，价格约200元左右。网上查询显示太阳能风扇伞的专利申请是有的，但都还处于专利技术保护阶段，无法获得详细技术资料。关于太阳能电池技术，国内外都已经达到很高的水平了，我国更是一个光伏产业大国，所以在国内太阳能电池的应用也是比较成熟的。国内出现的用电池带动风扇的伞，其伞架有所改变。主要是支架下移，使支架与伞顶留出空间，将风扇叶片安装在其中。方便了伞的收缩，风扇叶片可以折叠，线路通过空心的支杆连接，将电源安装在手柄处，并设置了开关。风扇伞的特点就是利用电池提供的能量带动风扇的转动，给使用者带来风。此产品优点在于既能遮阳也能使用风扇，风扇叶片方便伞的收放为铰链连接，整体结构做到了紧凑、可靠。由于环保和使用成本的问题，风扇伞需要进一步的研究和改进。在专利网上可以看到，很早以前就有人申请了一种太阳能带动风扇的伞的专利，但目前在国内还没有发现这一专利的应用。从专利介绍可以看出这种伞跟前面所介绍的电池带动风扇的伞在结构上基本相同，而在太阳能转换控制和数据参数方面没有任何介绍，可以理解为此专利处在纯理论阶段，或还在专利保护期，还需要进一步的研究。在国外，一名在沃达丰工作的华裔Dr Tong，童博士（Kenneth Tong）发明了一种伞，可以用太阳能给手机充电，能进行一定程度弯折的柔性太阳能电池是这个发明的核心。把它贴在伞面顶上，它将不仅仅能为人们遮阳，还能为人们提供电能。伞面上的12块柔性太阳能电池板会把获得的电能储存至伞柄内的蓄电池中，将手机电量充满只需3个小时。我们可以根据风扇伞的结构和童博士的创意来研制出太阳能风扇1。太阳能电池是将光能转换成电能并对光有响应的一种器件。单晶硅、硒铟铜、多晶硅、砷化镓、非晶硅等材料能产生光伏效应，这些材料的发电原理基本相同，现以晶体为例说明光电转换的过程。N型晶体硅通过P型晶体硅掺杂磷得到，然后形成PN结。当阳光照射太阳能电池表面时，硅材料会吸收一部分光子，电子会因为光子的能量传递给了硅原子而发生越迁，这样 PN结两侧就会集聚自由电子而产生电位差，当接通外部电路时，在该电压的作用下会有电流流过外部电路，便会有一定的输出功率产生。这个过程的实质就是一个光电转换的过程。现在太阳能电池的种类越来越多，效率也越来越高，厚度反而变薄了，能够更好的应用在各种产品上。一家位于江宁开发区的南京焜耀光电技术有限公司研制出了一种能够弯曲的太阳能电池片，这些轻薄的太阳能电池片只要在阳光下照射6个小时便可以为两台智能手机充电。过去常见的太阳能电池常为比较重、还容易破碎的晶硅电池，而这种柔性太阳能电池片采用的是非晶硅材料，柔性比晶硅材料更高，可以随意弯曲，在相同发电量下，此电池的重量只有晶硅材料的五分之一。经过试验证明，将它放在地上踩也不会踩坏，就算对着它用枪击穿一个孔，也只是损坏了那一小块地方，不影响整块电池片的使用。焜耀公司的产品和其他一些可以弯曲的非晶硅薄膜太阳能产品相比更薄、更柔软，产品包含半导体发电膜、不锈钢衬底、封装膜等一共10层，厚度却还不足1毫米，很多材料是纳米级的。这个技术可以应用到许多地方，比如贴在伞面上，夏天伞面吸收太阳能给伞内的小风扇供能；还可以做成户外服，户外包，边走路边充电；在当今建筑领域里，可以贴在各种形状的屋顶以及路灯上，这种电池片都不会影响原有的造型。通过对国内外太阳能薄膜电池发展现状、电池风扇伞结构的分析研究，我们完全有信心利用现目前的技术试制一把太阳能风扇伞。它将利用太阳能提供能量带动风扇旋转，达到人们在夏日降温出行的要求，还能储存电能，在必要时给手机等电子产品充电。1.3太阳能电池工作原理太阳表面温度高达6000，内部不断发生核聚变反应，并且向宇宙空间以辐射的方式发射出巨大能量。人类可以通过光热转换、光电转换及光化转换三个途径利用太阳能2。光热转换原理就是借助集热器将太阳能收集起来，可用于太阳能热水器将水加热，或者设计太阳能暖房让人在寒带地区的冬季抵抗低温。太阳能暖房系统主要由太阳能收集器、热储存装置、室内暖风扇系统及辅助能源系统组成。收集器内的流体储存着太阳辐射热，然后通过流体向房间供暖。光电转换是一个将太阳能换成电能的过程，目前有两种途径：一是通过热发电，太阳能通过聚热器变成热能，再用涡轮机将热能转成电能。二是光直接发电，利用太阳能电池产生的光电效应，可以直接将太阳能转变成电能。光化转换首先是将太阳能转换成化学能，再将化学能转换成电能。植物的叶绿素能够把光能转化成化学能，用以自身的生长和繁衍。如果能寻找到生物光化转换的奥秘，就可以用人造叶绿素实现光电转化了。太阳能电池是由半导体的太阳芯片(solar cell) 制作而成，当阳光照射到半导体的PN结时，获得了光能的电子便会释放电子，在半导体内便会产生电子-空穴对，在势垒电场的作用下会使电子驱向N型区、空穴驱向P型区，这样N型区就会有多余的电子，P型区就会有多余的空穴。于是，与势垒电场方向相反的光生电场就会在PN结的附近形成。简单来说，光电转化原理就是利用太阳能电池吸收320-1100nm波长的太阳光，将光能转化成电能输出的一种发电方式。太阳电池产生的电是直流电，因此可以直接给电机和蓄电池供电3。1.4柔性太阳能电池介绍如图1.1，柔性太阳能电池属于太阳能薄膜电池的一种，具有技术先进、成本低廉、性能优良、用途广泛等优点。它可以在太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能伞、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船以及太阳能飞机上得到应用。柔性太阳能电池以后的一个重要应用领域是光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic），它可以贴在窗户玻璃上、屋顶或外墙面 4。柔性超薄太阳能电池板是未来光伏行业的发展方向，以后必将淘汰传统的晶硅玻璃或滴胶板，同样尺寸的太阳能电池板重量只有传统太阳能板的1/5，厚度只有传统太阳能板的1/3。柔性超薄太阳能电池板的诞生，使太阳能电池可以附着在任何物体表面或者做成任意形状。这是一次光伏产业的技术革命，打破了传统太阳能电池板的局限性。在光伏行业最为暗淡的2011年里，传统太阳能电池板的价格从年初时候的15元/W降到了如今不足10元/W的价格，许多做传统太阳能电池板的厂家必将改革，只有技术革新，才能存活。只有将太阳能贴近生活各个方面才能让光伏行业向前健康发展！柔性太阳能电池使用的是薄膜非晶硅技术，在薄膜上点缀非晶硅，这样整体上就要比传统的多晶硅和单晶硅电池都要轻巧和薄很多，最重要的是可以弯曲，如图1.2所示。这样，方便携带的太阳能电池得到实现，所以在移动电源领域里，柔性太阳能电池将大受欢迎。传统的太阳能电池受到重量、厚度、便携性以及抗弯折程度等因素的制约，无法运用于人们日常生活，只能用于大型项目。柔性太阳能电池的出现，将改变光伏行业的现状，实现太阳能电池成为千家万户的随身物品的愿望！太阳能电池将迎来超薄、超轻柔的新时代5。图1.1 薄膜太阳能电池 图1.2 弯曲的薄膜太阳能电池重庆科技学院本科生毕业设计 2 太阳能风扇伞的结构设计2 太阳能风扇伞的结构设计2.1太阳能风扇伞总体结构设计为了使伞保持普通太阳伞所具有的结构简单、轻便和收缩的特性，在普通伞的基础上进行了创新改制。太阳能风扇伞主要由柔性太阳能电池、太阳伞、小风扇、USB接口、锂蓄电池和控制转换电路等组成。如图2.1，为使太阳能风扇伞轻便美观，可将柔性太阳能电池封装在外伞面，所有线路藏于伞的中杆内；小风扇安装在内伞面与伞骨架之间的中杆上；控制转换电路、开关及锂蓄电池安装在经过相关设计的伞柄中；为安全起见，在伞中杆的卡口处设计安装一个安全开关。使用时，将伞完全撑开，伞架上的卡头就会卡在卡口处，将安全开关打开。当伞面受到阳光直射时，太阳能电池就会将光能转换为电能，通过稳压电路给锂蓄电池充电，在室内没有太阳光时，还可以利用USB接口通过家用电源给锂电池充电。当打开手柄上的开关后，锂电池便可以通过升压电路使风扇工作。手柄做应急电源时，只要将电子产品的USB接头插在手柄的USB接口上就可以为其充电了6。 图2.1 整体结构示意图2.2 伞架结构分析图2.2为普通平常伞架结构示意图。由于一般的伞面与伞架之间的空隙很小，不便安装风扇，所以只能改变伞架运动副之间连杆的长度，以使伞面与伞架的空间足够大。 图2.2 平常伞架结构 图 2.3 改后的伞架结构如图2.3所示，修改后的伞骨架与伞面间的空间变大，足够安装小风扇，这样改装后的伞架也不会影响到伞的收缩，跟普通伞一样。2.3 风扇结构分析通过观察普通风扇伞我们发现，伞中风扇的电机转轴是与伞的中棒相连的，也就是风扇电机的转轴被固定在中棒上，不能转动。当电机通电时，电机的定子和转子就会相对转动，而现在转子（转轴）被固定，所以此时定子（与电机外壳相连）就会相对于转轴转动，风扇叶片与外壳相连，这样外壳就会带动叶片旋转而产生风。通过对风扇结构的研究，从图2.4可以知道，风扇的叶片与电机的外壳是铰链连接，在风扇没有工作时，叶片就会因重力自然垂下，大大减小风扇在伞中所占用的空间，方便伞的收拢。当风扇开始工作时，叶片跟随电机外壳旋转，使得叶片受到一个离心力而张开。 图2.4 风扇连接示意图重庆科技学院本科生毕业设计 3 太阳能系统设计及元件选型3 太阳能系统设计及元件选型3.1太阳能转换系统设计根据太阳能风扇伞的整体设计要求，太阳能系统的设计框图如图3.11所示，太阳光照射到太阳能电池上后产生电能输出，由于太阳能产生的电流不稳定，所以需要通过恒流充电电路才能稳定、连续的给蓄电池充电，蓄电池的电压是3.7V不能达到负载所需要的电压，所以蓄电池需要通过升压放电电路才能给风扇电机提供电能。为了使太阳能风扇伞的供能更人性化，我们增设了USB接口以便进行电能输入和输出。太阳能系统能量转化关系如图3.2所示7。恒流充电电路风扇电机或USB输出柔性太阳能电池或USB输入蓄电池升压放电电路图3.1 太阳能供电系统结构框图升压放电电路光电转化太阳能电池4片电压：4x1.5V=6V电流：随光照变化蓄电池电压：3.7V电流：1A风扇电机电压：5V电流：1AUSB输入电压：5V电流：0.7AUSB输出电压：5V电流：0.7A太阳光家用电源电源适配器恒流充电电路图3.2 太阳能系统能量转化框图3.2 太阳能电池的选择通过网络查寻，发现柔性太阳能电池的工作电压在1.5V，由于1.5V的电压太小，不能够带动风扇的电机工作，所以我们需要4块这样的柔性太阳能电池板串联起来成为一个电池组给负载供电，这样太阳能电池组的输入电压可达到6V。组件为三结非晶硅薄膜、柔性不锈钢衬底的太阳能电池；经过聚合物层压得到，无玻璃材料，所以不容易破裂；具有防潮、重量轻、抗撞击、耐用、便于携带和使用等优点。太阳能电池板的净尺寸为18cm4cm0.05cm(即0.5毫米)，出厂标称正午太阳光直射板面时，它的电流在500MA-700MA，电压为2V。此太阳能电池携带很方便,在弱光下充电效果好，是携带充电设备的好材料。表3.1 太阳能电池的基本信息品牌功率使用环境温度性能WARMSPACE1W4080防腐、防潮工作电压工作电流开路电压短路电流1.5V660mA2.0V800mA长宽厚重量186mm78mm0.5mm18g 2g其他封装材料耐用、高透光率ETFE薄膜胶粘剂耐用、高透光率快速固化EVA薄膜电池类型三结柔性非晶硅薄膜太阳电池注：以上性能参数是在标准测试条件下（光强1000W/，光谱AM 1.5，电池温度25）测得。3.3 蓄电池的选择在选择太阳能电池成为风扇伞的电源时，我们就要考虑电能的储存的问题，因为单纯的太阳能电池组产生的电流不稳定，不能够稳定、连续的给负载供电，并且在不使用时浪费了产生的电能。所以我们需要一个蓄电池来储存电能，并且连续稳定的给负载供能，做到使用的时候能用，不使用的时候储能。根据伞的手柄小、负载的耗电量大、伞的使用年限长的特征，我们选择的蓄电池必须要体积小、容量大、寿命长，为了满足这些要求我们选择18650蓄电池。（1）电池参数名称：UitraFIre 18650 材料:锂电池（Li-ion） 品牌:神火 型号:18650 规格: 18*65(mm) 容量:4800MAH 重量：50g 寿命：1000次以上 标准电压: 3.7V推荐电流：1A 最大电流：2A 工作温度：-20-50图3.3 锂电池（2）电池特点18650蓄电池不像手机电池那样具有记忆性，可以随充随用，安全系数高，不会爆炸，不会燃烧；是无毒、无污染的环保电池，通过RoHS商标认证，各种安全性能达标，循环充电次数在1000次以上；耐高温性能良好，温度在65时的放电效率达100%。为防止电池工作时短路，18650锂电池的正负极是在两端的，所以将它发生短路的可能降到了极致。电池可以加装保护电路，避免电池过充或者过放，这样能够延长电池的使用寿命。（3）充电说明 电池充满电的容量是4800MAH，在阳光充足的情况下，太阳能电池组8小时能够使电池充满。通过升压电路后的输出电压为5V，充满电的电池经试验测得可以给1200MAH的手机电池充电4次，给伞的风扇供电2小时，储存电量一般能够满足人们的日常需要。3.4 电机的介绍由于考虑了整个太阳能风扇伞的整体结构，风扇的电机就是采用的双轴电机，这样就能如图2.4安装。根据太阳能电池组提供的电压，电机的标称电压为5.2V，工作电压为5-9V，额定电流为500mA，额定转速为1360转/分。空载电机在不同的电压下测得的转速不一样，如表3.2所示： 表3.2 不同电压下的转速空载电压转速电流4.5V1000r/min0.47A6V1400r/min0.5A7.5V1800r/min0.7A重庆科技学院本科生毕业设计 4 太阳能充放电控制系统设计4 太阳能充放电控制系统设计4.1 恒流充电模块由于太阳能电池4片串联起来后的太阳能电池组电压是6V，并且太阳能电池产生的电流并不稳定，是会根据太阳光的强弱而发生变化的，所以太阳能电池组不能给3.7V的18650蓄电池直接充电。故我们可以通过CN3082芯片给锂电池充电，CN3082是可以对多种蓄电池充电进行控制的芯片，不仅可以对单节锂电池、磷酸铁锂电池或两节到四节镍氢电池充电，还能够根据输入电源的电流输出能力自动调整电流大小。如图4.1所示，本芯片只需很少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范的要求，适用于便携式产品的制作。热调制电路可以在器件较大功耗或者较高环境温度时将芯片控制在安全温度范围内。芯片内部带有高精度（精度达1%）的电压比较器，可以设置精确的恒流充电终止电压。芯片内部含有能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流的8位模拟-数字转换电路，用户不用考虑充电的最坏情况，可最大限度的利用输入电源电流的输出能力，非常适合利用太阳能电池板等电流输出能力有限的电压源供电的电池充电应用。CN3082可以通过一个外部电阻设置充电电流的大小。根据表4.1得出，当输入电压掉电时，芯片将自动切换到低功耗睡眠模式，此时电池消耗的电流大小不足3uA。芯片其它功能包括电池低电压时涓流充电、输入电压过低锁存、电池温度监控、自动再充电以及状态指示等 8。图4.1 稳压充电电路图表4.1 CN3082的管脚功能表序号名称功能描述1TEMP电池温度检测输入端：将TEMP管脚接到电池的NTC传感器的输出端。如果TEMP管脚的电压小于输入电压的45%或者大于输入电压的80%超过0.15秒，意味着电池温度过低或过高，则充电将被暂停，表示进入电池故障状态。如果TEMP在输入电压的45%和80%之间超过0.15秒，则电池故障状态将被清除，充电将继续。2ISET恒流充电电流设置端：从ISET管脚连接一个外部电阻到地端可以对充电电流进行设置。在预充电状态和维持充电状态，此管脚的电压被调制在0.44V；在恒流充电状态，此管脚的电压被调制在2.2V。恒流充电电流由下式决定：ICH=1950VRISET(A)在预充电状态，充电电流为恒流充电电流的20%。3GND电源地4VIN输入电压正输入端：此管脚的电压为内部电路的工作电源。当VIN与BAT管脚的电压差小于40mv时，CN3082将进入低功耗的睡眠模式，此时BAT管脚的电流小于3uA。5BAT电池连接端：将电池的正端连接到此管脚，BAT管脚向电池提供充电电流。在睡眠模式，BAT管脚的电流小于3uA。6IMIN维持电流设置端：在恒流充电状态，当电池电压达到所设置的恒流充电终止电压时，恒流充电状态结束，CN3082进入维持充电状态，并以维持电流对电池充电，而且只要有输入电压，CN3082就会一直以维持电流向电池充电。维持电流由下式决定：IIMIN(0.44RISET0.44RIMINVINRIMIN)886如果上式为负值，则意味着维持电流为0安培。所以维持电流可设置的范围在0安培到恒流充电电流的20%之间。7漏极开路输出的充电状态指示端：当CN3082处于预充电状态和恒流充电状态时，管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行；否则管脚处于高阻态。8FB电池电压反馈输入端：电池电压通过此管脚反馈到CN3082。当FB管脚电压小于1.54V时，CN3082处于预充电状态；当FB管脚电压大于1.54V时且小于2.445V时，CN3082处于恒流充电状态；当FB管脚电压上升到2.445V时，CN3082结束恒流充电状态，进入维持充电状态。所以此时电池端对应的电压为：VBAT2.445(1R3R4)（1）RISET的取值如果电池电压反馈输入端管脚FB的电压小于2.445V，且大于1.54V，则CN3082是在恒流充电状态下。在恒流充电阶段，计算充电电流的公式为：ICH=1950V/RISET （4.1）式中，ICH为充电电流，单位为安培；RISET为管脚ISET到地之间的电阻，单位为欧姆。根据设计的充电电流ICH = 500mA，可按下面的公式计算：RISET=1950V/0.5A=3.9k （4.2）为了保证芯片良好的温度特性和稳定性，电阻RISET选用精度为1%的金属膜电阻比较好。（2）RIMIN的取值如果电池电压反馈输入端管脚FB的电压值大于2.445V时，那么CN3082正处于维持充电的阶段，计算充电电流的公式为：IIMIN(0.44RISET0.44RIMINVINRIMIN)886 （4.3）式中，IIMIN为维持充电阶段的充电电流，单位为安培；RISET为管脚ISET到地之间的电阻，单位为欧姆；RIMIN为管脚ISET到管脚IMIN之间的电阻，单位为欧姆。如果式子4.3为负值，就意味着维持充电电流为0安培，所以维持充电电流设置的范围是在0安培至恒流充电电流的20%之间。在实际设计应用中，可以将维持充电电流的值设置为0安培。所以可以让RIMIN = 3.9k。（3）R3、R4的取值如图4.1所示，电池端的电压是R3和R4组成的电阻分压网络反馈到FB端的，CN3082根据管脚FB的电压值决定充电状态。当管脚FB的电压上升到2.445V时，芯片结束恒流充电状态，转到维持充电状态，此时电池端对应的恒流充电终止电压的计算为：VBAT2.445(1R3R4) （4.4）由于锂电池的电压是3.7V，所以VBAT = 3.7V ，可计算出R3R4：R3R4 = 0.5既可以设定R3 = 165，R4 = 330（4）R1、R2的取值CN3082确认电池的温度是否超出正常范围的方法是将管脚TEMP的电压同芯片内部的两个阈值VLOW和VHIGH相比较。在CN3082芯片内部，VLOW的值被固定在45%VIN，VHIGH得值被固定在80%VIN。VLOW = 45%VIN = 45%6V = 2.5VVHIGH = 80%VIN = 80%6V = 4.8V我们所选的18650锂电池温度范围为-2050，电池使用的热敏电阻（NTC）是负温度系数，RTL为其温度在-20时的阻值，RTH为其温度在50时的阻值，所以RTLRTH，那么，温度为-20时，第一管脚TEMP端的电压值为： （4.5）在温度50时，第一管脚TEMP端的电压为： （4.6）然后，由 VTEMPLVHIGHk2VIN(k2=0.8) VTEMPHVLOWk1VIN(k1=0.45) （4.7）则可解得： （4.8） （4.9）从上面式子的推导可以得出，设定温度的范围与电源电压VIN的值是无关，只与RTH、RTL、 R1和R2有关；通过查阅相关的电池手册或通过实验测试得到18650锂电池的RTH = 22m、RTL = 41m，分别代入式子4.8和4.9，可以解得R1 = 46m、R2 = 53m。在实际设计应用中，如果只关注某一端的过热保护或其他温度特性，那么R2可不用，只用R1便可。（5）输入电容的取值电源输入端需要一个用来滤波旁路输入电容，在实际应用中，一般10uF的电容就可以满足要求，输入电容对电容的类型没有要求。4.2 升压放电模块由于我们所选择的锂电池的电压是3.7V，而风扇及USB所需的电压是5V，所以我们选择芯片MCC628和其他元件组成一个升压电路。MCC6288系列产品是一种高效率、工作频率高、低纹波的PFM升压DC-DC变换器。MCC6288系列产品外围仅需要四个元器件,就可以完成将低输入电池的电压升压到所需的工作电压，非常适用于14节便携式普通电池的应用。电路采用了低功耗、高性能的参考电压电路结构，同时为了保证输出电压的高输出精度及低温度漂移，在生产中引入了修正技术13。图4.2 升压放电电路图如图4.2所示，电感、肖特基二极管很大程度的会影响电路的转换效率，电感和电容会影响电流的输出纹波。选择合适的电感、电容、肖特基二极管可以得到高转换效率、低噪声、低纹波。可以定义: （4.10）（1）电感的选择电感值可以从下面几个方面来考虑：首先是需要保证BOOSTDC-DC在连续电流模式下能够正常工作时所需要的最小电感值Lmin: （4.11）该公式为连续电流模式下，需要忽略诸如寄生电阻、二极管的导通压降等其他情况下推导出的，而实际值要大些。若电感的值小于Lmin，电感会产生磁饱和现象，导致DC-DC电路效率的很大下降，甚至不能正常输出稳定的电压。其次，要考虑通过电感的电流纹波，也需在连续电流模式下忽略寄生参数。 （4.12） （4.13） 当L过小时，会使电感上的电流纹波过大，造成通过芯片中的功率管、电感和肖特基二极管的最大电流过大。由于不是理想的功率管，所以在电流特别大时会加大功率管上的功率损耗，导致整个DC-DC电路的转换效率降低。第三，一般情况下，忽略效率问题，小电感比大电感带动负载的能力强。但是在相同负载条件下，大电感的最大电流值和电流纹波小，所以大电感可以在更低的输入电压下启动电路（以上的结论均是在相同的寄生电阻条件下推导出的）。QX2303为了能够减小外部的电感尺寸，工作频率高达300KHz，只需要4.7uH以上的电感，QX2303就可以保证正常的工作，但是如果输出端需要输出大电流（例如：输出电流在50mA以上），使用较大电感可以提高工作效率。同时，在负载较大时，电感上的串联电阻会很大的影响转换效率，假定电感上的电阻为rL，负载电阻为Rload，那么电感上的功率损耗大致如下式计算： （4.14）例如当输入电压为1.5V，输出电压为3.0V，负载为20（电流为150mA）时，rL=0.5，效率损失为10%。综上考虑，建议使用47uH、小于0.5的电感。若需要提高大负载时的效率，需要使用更小寄生电阻值、更大电感值的电感。（2）输出电容的选择忽略电容等效串联电阻（ESR）的影响，输出电压的纹波为： （4.15）所以为了减小输出的纹波，需要比较大的输出电容值。但是输出电容过大，就会使得系统的反应时间过慢,成本也会加大。所以建议使用22uF电容，如果需要更小的纹波，则需要更大的电容。如果负载较小（10mA左右），可以使用较小电容。当考虑电容的ESR时，输出纹波就会增加： （4.16） 当大负载的时候，由于ESR的纹波将成为最主要的影响因素，可能会远远高出100mV。并且ESR会加大效率损耗，使转换效率降低。所以建议使用低ESR的钽电容，或多个电容并联使用，使得Cout = 100uH 。（3）二极管的选择用于整流的二极管很大的影响DC-DC的效率，虽然普通的二极管也能使DC-DC电路正常工作，但是效率会降低510%，所以建议使用电压低、反应时间快的正向导通的肖特基二极管，比如1N5819、1N5817、1N5822等型号。（4）输入电容如果电源稳定，即使不用输入滤波电容，DC-DC电路也能输出低纹波、低噪声的电流和电压。若电源离DC-DC电路较远时，应该在DC-DC的输入端加大于10uF的滤波电容，用来降低输出的噪声。4.3 PCB的绘制（1）控制电路原理图基于前面两个电路模块的设计，我们可以将两个电路模块组合起来，如图4.3所示，用PROTEL软件绘制一个完整的太阳能充放电控制系统的电路原理图，需自己绘制USB、mini USB、CN3082、MCC6288等电气符号和封装。图4.3 控制电路原理图表4.2 元件列表编号元件名所属元件库数值元件封装名称D4CN3082自制CN3082D3MCC6288自制MCC6288C1CAPMiscellaneous Devices10uFRAD0.2LEDLEDMiscella