帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源的制作方法
【專利摘要】本發明涉及帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源，太陽能充電電源電路包括CPU、最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路和電量顯示電路；中央處理器CPU分別與最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路和電量顯示電路連接；最大功率跟蹤單元采用太陽能最大功率跟蹤控制算法，根據不同的光照情況，通過采樣分析和智能計算，使太陽能電池始終處于最大功率輸出狀態，最大限度的利用太陽能；太陽能以化學能的方式儲存在充電電源的內部電池，內部電池容量達12800mAh，用戶通過輸出接口電路得到USB口輸出的+5V/2.1A充電電流，可同時供兩個移動設備充電使用。
【專利說明】帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源
【技術領域】
[0001]本發明涉及綠色清潔能源，特別涉及一種帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源，利用太陽能作為能量來源，通過最大功率跟蹤技術把太陽能電池產生的電能以化學能的方式儲存在充電電源內置電池內，輸出電路把儲存的化學能轉換為+5V/2.1A的電源輸出，供用戶給各種移動設備充電使用。
【背景技術】
[0002]隨著移動設備的日益增多，尤其是智能大屏幕移動設備的廣泛使用，這些設備的電池續航能力越來越被人們所關注，于是充電電源便走進了生活當中。目前市面上充電電源的種類也是層出不窮，但是大部分都是以交流市電作為充電電源的能量來源。太陽能作為清潔無污染能源，可謂是“取之不盡、用之不竭”，不受地域限制，全球任何地方都能夠方便的取得，本發明就是利用太陽能來給充電電源蓄電，通過輸出電壓轉換電路提供給用戶需要的+5V/2.1A的電源輸出。由于太陽能電池的輸出功率特性是非線性的，這就需要通過最大功率跟蹤技術來獲得太陽能電池的最大功率。

【發明內容】

[0003]本發明的目的就是為克服現有技術的不足，提供一種帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源的設計方案，本發明主要集中解決以下幾個方面的技術問題。首先，實現在不同的光照情況，充電電源取得太陽能電池的最大輸出功率；其次，盡量減小待機功耗，讓充電電源的續航更加持久；再次，有效地管理電池，防止過充和過放；最后，通過電量指示燈顯示充電電源剩余電量情況。
[0004]本發明是通過這樣`的技術方案實現的:帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源，其特征在于，充電電源電路包括CPU、最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路和電量顯示電路；中央處理器CPU分別與最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路和電量顯示電路連接；
所述最大功率跟蹤電路由鋰電池充電管理芯片CN3065及其外圍電路構成；
通過最大功率跟蹤電路實現以下兩個功能:一是追蹤太陽能電池的最大輸出功率；二是通過變換輸出一個穩定的電壓值，提供給充電電源內部電池蓄電；
CPU通過接受鋰電池充電管理芯片CN3065輸入信號，經過CPU程序控制來開關器件(MOSFET)的脈沖信號(頻率為80kHz)，由CPU程序中算法模塊進行太陽能最大功率跟蹤控制運算，給出最終輸出的脈沖信號；
所述電池管理電路由S-8261ABMMD-G3MT2G鋰電保護芯片、RC振蕩電路和開關管FS8205A構成；當充電電源對外放電的時候，由S-8261ABMMD-G3MT2G鋰電保護芯片監控電池電壓，電壓低于門限電壓的時候，關斷放電MOS管，終止放電，保護電池不深度放電，從而延長電池使用壽命；
所述升壓電路硬件由集成電路芯片SX1302、22uH電感、MOSFET及其驅動電路、二極管和反饋阻容器件構成。
[0005]通過調整輸出脈沖寬度達到穩定輸出5V電壓的目的，設計輸出電流達到2.1A ；所述CPU為8位單片機HT46F47E ；
所述電量顯示電路由發光二極管、限流電阻和IO 口構成；電量顯示電路中的IO 口與CPU連接；
CPU程序包括前級輸入端的太陽能最大功率跟蹤程序和后級的省電模式輸出程序；
太陽能電池的輸出電壓⑶和電流⑴隨光照強度的變化呈現出非線性，而太陽能電池的輸出功率P=U*I,在同樣的光照情況下,輸出電壓較大的時候,輸出電流就很小；輸出電流較大的時候，輸出電壓就很小；
這兩個模式下都不能夠得到太陽能電池的輸出最大功率(Pmax)，因此，需要CPU程序來控制太陽能電池的實際工作電壓和電流，通過CPU的AD采樣和計算，利用內部的硬件乘法器不斷的做乘法運算，P(t)=U*I(t),通過調整輸出占空比，使得微分dP(t)/dt=0，也就找到了最大功率點，并且維持這一占空比因數，使太陽能電池輸出最大功率。
[0006]所述CPU程序中的算法模塊進行太陽能最大功率跟蹤控制運算過程，包括如下步驟:
P(t)=U*I(t)；f (t)=P(t)；
設占空比為D，
若 df(t)/dt>0 ；
則加大占空比D ；
若 df(t)/dt〈0 ；
則減小占空比D ;
若 df(t)/dt=0 ；
則找到最大功率點，維持該占空比Dmax輸出。
[0007]本發明的有益效果是:本發明利用HT46F47E智能芯片作為電路的CPU，對輸入、輸出電路進行優化控制:輸入方面，利用芯片內部乘法器實現電壓和電流的乘積運算，配合比較器的使用能快速找出太陽能電池的最大功率，通過脈沖信號的控制，讓電池獲得最大的充電能量，節省了充電時間；輸出方面，優化設計控制算法，盡量減小電路的實際損耗，延長充電電源的使用時長，優化設計的充電電路輸出電流能力強，可達到2.1A，供給兩個移動設備同時充電使用，加入了過流保護功能，在電路出現短路或者其它異常情況時，迅速保護電路。電量指示燈準確的顯示了充電電源的蓄電情況，方便用戶查看實際電量，使用更加合理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1、本發明的總體結構框圖；
圖2、最大功率跟蹤電路原理圖；
圖3、電池管理電路原理圖；
圖4、升壓電路原理圖；
圖5、CPU和電量顯示電路原理圖；圖6、太陽能電池的輸出特性曲線圖A ；
圖7、太陽能電池的輸出特性曲線圖B ；
圖8、最大功率跟蹤軟件流程圖；
圖9、省電模式輸出的程序流程圖。
【具體實施方式】
[0009]為了更清楚的理解本發明，結合附圖和實施例詳細描述本發明:
如圖1至圖9所示，本發明的硬件包括最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路、電量顯示電路,各個部分都由CPU (Central Processing Unit)統一管理。
[0010]中央處理器CPU分別與最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路和電量顯示電路連接；
最大功率跟蹤電路由鋰電池充電管理芯片CN3065及其外圍電路構成；
通過最大功率跟蹤電路實現以下兩個功能:一是追蹤太陽能電池的最大輸出功率；二是通過變換輸出一個穩定的電壓值，提供給充電電源內部電池蓄電；
CPU通過接受鋰電池充電管理芯片CN3065輸入信號，經過CPU程序控制來開關器件(MOSFET)的脈沖信號(頻率為80kHz)，由CPU程序中算法模塊進行太陽能最大功率跟蹤控制運算，給出最終輸出的脈沖信號； 電池管理電路由S-8261ABMMD-G3MT2G鋰電保護芯片、RC振蕩電路和開關管FS8205A構成；當充電電源對外放電的時候，，由S-8261ABMMD-G3MT2G鋰電保護芯片監控電池電壓，電壓低于門限電壓的時候，關斷放電MOS管，終止放電，保護電池不深度放電,從而延長電池使用壽命。
[0011]升壓電路硬件由集成電路芯片SX1302、22uH電感、MOSFET及其驅動電路、二極管和反饋阻容器件構成。
[0012]通過調整輸出脈沖寬度達到穩定輸出5V電壓的目的，設計輸出電流達到2.1A ；CPU為8位單片機HT46F47E ；
電量顯示電路由發光二極管、限流電阻和IO 口構成；電量顯示電路中的IO 口與CPU連
接;
CPU程序包括前級輸入端的太陽能最大功率跟蹤程序模塊和后級的省電模式輸出程序模塊；
太陽能電池的輸出電壓(U)和電流(I)隨光照強度的變化呈現出非線性，而太陽能電池的輸出功率P=U*I,在同樣的光照情況下,輸出電壓較大的時候,輸出電流就很小；輸出電流較大的時候，輸出電壓就很小；
這兩個模式下都不能夠得到太陽能電池的輸出最大功率(Pmax)，因此，需要CPU程序來控制太陽能電池的實際工作電壓和電流，通過CPU的AD采樣和計算，利用內部的硬件乘法器不斷的做乘法運算，P(t)=U*I(t),通過調整輸出占空比，使得微分dP(t)/dt=0，也就找到了最大功率點，并且維持這一占空比因數，使太陽能電池輸出最大功率。
[0013]本實施例中:最大功率跟蹤電路實現以下兩個功能:一是追蹤太陽能電池的最大輸出功率；二是通過變換輸出一個穩定的電壓值，提供給充電電源內部電池蓄電。芯片CN3065和CPU共同決定開關器件的脈沖信號，有CPU算法決定最終輸出的脈沖系列，本發明設計采用軟件和硬件相結合的方式，具體的硬件電路原理圖如下圖2所示；
電池管理電路硬件設計是比較重要的一個環節，在充電電源利用太陽能充電的時候，電池管理電路根據內部電池的不同狀態，工作于不同的充電模式下。在電池電壓太低的情況下，先涓流充電；等到電池恢復正常時，再大電流充電；待電池快要充滿的情況下，進入小電流補電模式充電，防止過充。電池管理電路采用S-8261ABMMD-G3MT2G控制芯片，實現以上功能，有效的保護電池。充電電源對外放電的時候，芯片監控電池電壓，電壓低于門限電壓的時候，關斷放電MOS管，終止放電，保護電池不深度放電，從而延長電池使用壽命。電池管理電路硬件原理圖如圖3所示:
升壓電路硬件設計，由于充電電源的蓄電電池電壓為4.2V(充滿時)，而一般的移動設備所使用的電壓等級都是5V，所以，需要加入升壓電路單元把電池電壓抬升到5V輸出，滿足用戶充電需求。升壓電路采用碩芯科技有限公司生產的集成電路芯片SX1302，該芯片通過調整輸出脈沖寬度達到穩定輸出5V電壓的目的，設計輸出電流達到2.1A，升壓電路硬件原理圖如圖4所示；
配置和電量顯示電路硬件設計，圖5是CPU的外圍配置電路和電量顯示原理圖，LED1?LED4和相應的電阻組成電量顯示單元，CPU型號選用HT46F47E，HT46F47E是由臺灣盛群半導體有限公司生產的8位單片機，采用內部晶振，運行穩定可靠，抗干擾能力強。
[0014]本發明的軟件設計主要包括前級輸入端的太陽能最大功率跟蹤和后級的省電模式輸出，此外還有過流保護以及電量顯示。
[0015]最大功率跟蹤軟件設計，本發明采用太陽能電池作為能量輸入，由于太陽能電池的輸出特性是非線性的，并且在不同的光照條件下，太陽能電池的輸出隨著光照強度的變化呈現出非線性特性，輸出特性和季節的變化以及一天中的不同時間段都有關系。夏季的光照強度比其它季節大，時間也是最長的；一天中的中午光照強度比其它時間段大；隨著季節的變化，每天光照的時間長短也不相同，這些都會影響太陽能電池的輸出。
[0016]圖6、圖7為太陽能電池的輸出特性曲線圖，表示光照強度和輸出電壓、電流的對應關系。
[0017]從圖6、圖7看出，太陽能電池的輸出電壓⑶和電流⑴隨光照強度的變化呈現出非線性，而太陽能電池的輸出功率P=U*I，從曲線圖上看出，在同樣的光照情況下，輸出電壓較大的時候，輸出電流就很小；輸出電流較大的時候，輸出電壓就很小。這兩個模式下都不能夠得到太陽能電池的輸出最大功率(Prnax)，因此，需要軟件來控制太陽能電池的實際工作電壓和電流，使太陽能電池輸出最大功率。
由于本發明使用的是集成電路模塊方案進行的升壓控制，升壓電路存在工作損耗，損耗主要來自于控制芯片本身。如果電路一直有+5V的電壓輸出，則芯片損耗就一直存在,雖然這個損耗是毫安級別，但是日積月累，也會耗掉充電電源的一部分電能，本發明采用軟件控制升壓電路，每隔一段時間使能一次升壓芯片，輸出+5V電壓，同時檢測是否有負載，如果檢測到有負載，則繼續使能升壓芯片，輸出+5V電壓；若沒有檢測到負載的存在，則停止輸出+5V電壓，升壓芯片不工作，直到下一個時間間隔到來，才再次使能升壓芯片。如此循環。省電模式輸出程序運行的流程圖如下圖9所示:
過流保護和電量顯示軟件設計，過流保護主要就是通過采樣電阻取得回路電流值，當這個電流值超過預設的閥值的時候，產生一個中斷信號，關閉電池輸出，保護電路器件不被損壞。
[0018]電量顯示部分的軟件設計，通過電池電壓的檢測，對照電池電壓和容量的比例關系，在某個電壓范圍內，電量屬于哪個等級，然后通過I/o 口輸出控制電量指示燈，例如:
3.8V對應的是2個指示燈亮；4.1V?4.2V對應的是四個指示燈亮。
[0019]根據上述說明，結合本領域技術可實現本發明的方案。
【權利要求】
1.帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源，其特征在于，充電電源電路包括CPU、最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路和電量顯示電路；中央處理器CPU分別與最大功率跟蹤電路、電池管理電路、升壓電路和電量顯示電路連接；所述最大功率跟蹤電路由鋰電池充電管理芯片CN3065及其外圍電路構成；通過最大功率跟蹤電路實現以下兩個功能:一是追蹤太陽能電池的最大輸出功率；二是通過變換輸出一個穩定的電壓值，提供給充電電源內部電池蓄電；CPU通過接受鋰電池充電管理芯片CN3065輸入信號，經過CPU程序控制來開關器件(MOSFET)的脈沖信號，頻率為80kHz，由CPU程序中算法模塊進行太陽能最大功率跟蹤控制運算，給出最終輸出的脈沖信號；所述電池管理電路由S-8261ABMMD-G3MT2G鋰電保護芯片、RC振蕩電路和開關管FS8205A構成；當充電電源對外放電的時候，由S-8261ABMMD-G3MT2G鋰電保護芯片監控電池電壓，電壓低于門限電壓的時候，關斷放電MOS管，終止放電，保護電池不深度放電，從而延長電池使用壽命；所述升壓電路硬件由集成電路芯片SX1302、22uH電感、MOSFET及其驅動電路、二極管和反饋阻容器件構成；通過調整輸出脈沖寬度達到穩定輸出5V電壓的目的，設計輸出電流達到2.1A ；所述CPU為8位單片機HT46F47E ；所述電量顯示電路由發光二極管、限流電阻和IO 口構成；電量顯示電路中的IO 口與CPU連接；`CPU程序包括前級輸入端的太陽能最大功率跟蹤程序和后級的省電模式輸出程序；太陽能電池的輸出電壓(U)和電流(I)隨光照強度的變化呈現出非線性，而太陽能電池的輸出功率P=U*I,在同樣的光照情況下,輸出電壓較大的時候,輸出電流就很小；輸出電流較大的時候，輸出電壓就很小；這兩個模式下都不能夠得到太陽能電池的輸出最大功率(Pmax)，因此，需要CPU程序來控制太陽能電池的實際工作電壓和電流，通過CPU的AD采樣和計算，利用內部的硬件乘法器不斷的做乘法運算，P(t)=U*I(t),通過調整輸出占空比，使得微分dP(t)/dt=0，也就找到了最大功率點，并且維持這一占空比因數，使太陽能電池輸出最大功率。
2.如權利要求1所述的帶有最大功率跟蹤功能的太陽能充電電源，其特征在于，CPU程序中的算法模塊進行太陽能最大功率跟蹤控制運算過程，包括如下步驟:P(t)=U*I(t)；f (t)=P(t);設占空比為D，若 df(t)/dt>0;則加大占空比D ；若 df(t)/dt〈0;則減小占空比D ;若 df(t)/dt=0 ；則找到最大功率點，維持該占空比Dmax輸出。
【文檔編號】G05F1/67GK103607022SQ201310640573
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】王金林, 張文博, 王莉, 姜海, 周陸, 楊嘯宇, 谷云龍, 石慧 申請人:天津中環創新科技有限公司