太陽(yáng)能無(wú)線充電器的設(shè)計(jì)

陳露　劉忠寶　袁琦杰　楊宗業(yè)

【摘 要】移動(dòng)設(shè)備的傳統(tǒng)充電方式大多采用的數(shù)據(jù)線，通過(guò)插頭與電源直接相連。這種充電方式增加了充電的風(fēng)險(xiǎn)性和局限性。而現(xiàn)如今正流行的無(wú)線充電技術(shù)雖不需要使用數(shù)據(jù)線，但仍然需要電能的提供。為解決以上種種問(wèn)題，現(xiàn)提出一種新型的太陽(yáng)能無(wú)線充電器，同時(shí)采用兩種較為成熟的技術(shù)：太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、無(wú)線充電技術(shù)。利用太陽(yáng)能作為能源進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)采用電感耦合的方式傳輸電能。結(jié)果表明，太陽(yáng)能無(wú)線充電器能夠降低充電風(fēng)險(xiǎn)，有效提高充電效率。與傳統(tǒng)充電方式相比，太陽(yáng)能無(wú)線充電器具有安全可靠、兼容性更高的特點(diǎn)，具有良好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線充電;太陽(yáng)能發(fā)電;電感耦合

中圖分類(lèi)號(hào)： TM910.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）31-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.006

0 引言

隨著手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的廣泛使用，傳統(tǒng)的充電器已經(jīng)漸漸不能滿足人們的充電需求。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能無(wú)線充電器相比傳統(tǒng)的充電器具有范圍廣、充電快、兼容性高等優(yōu)點(diǎn)。采用的是現(xiàn)如今正流行的無(wú)線充電和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，兩種技術(shù)發(fā)展成熟，太陽(yáng)能無(wú)線充電技術(shù)也將會(huì)被廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能無(wú)線充電器主要采用兩種成熟技術(shù)：太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)[1]以及無(wú)線充電技術(shù)[2]。首先，在現(xiàn)有的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中新增一種基于改進(jìn)的MPPT太陽(yáng)能控制算法[3]的控制電路，使整個(gè)系統(tǒng)具備太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)自動(dòng)追蹤功能，從而讓發(fā)電系統(tǒng)的工作效率得到了提高。其次，為實(shí)現(xiàn)對(duì)一些移動(dòng)電子設(shè)備如手機(jī)等的安全充電，由于過(guò)高的電壓或者是過(guò)高的的電流都會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的傷害，本次設(shè)計(jì)在無(wú)線充電電路的接收端增加了整流穩(wěn)壓電路[4]。為減小無(wú)線傳輸過(guò)程中的電能損耗，采用串聯(lián)電容[5]的方法進(jìn)行電能補(bǔ)償。最后用51單片機(jī)[6]為核心的控制電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集手機(jī)充電電壓，顯示在外接的液晶屏上。如果系統(tǒng)檢測(cè)到電壓異常，則會(huì)在界面上顯示應(yīng)停止充電。

2 硬件組成部分

2.1 太陽(yáng)能充電電路

目前，太陽(yáng)能電池板有折疊型與平板型。而平板型太陽(yáng)能電池板[7]具有整體性好、吸熱體面積大、故障少等特點(diǎn)，相對(duì)于折疊型太陽(yáng)能板有更好的性能，于是本次設(shè)計(jì)采用平板型太陽(yáng)能電池板。

為提高太陽(yáng)能充電電路的效率，本次設(shè)計(jì)提出了一種改進(jìn)的MPPT太陽(yáng)能充電控制算法，即采用增量電導(dǎo)算法和BOOST變換器相結(jié)合進(jìn)行輸出。利用增量電導(dǎo)法將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)BOOST變換器[8]連接到負(fù)載，能夠有效跟蹤電路的輸出功率。

2.2 無(wú)線電源傳輸芯片的選擇

無(wú)線電源發(fā)射芯片傳統(tǒng)上可采用專用無(wú)線功率發(fā)射芯片或一些常見(jiàn)的分立元件。如果采用分立元件進(jìn)行無(wú)線電源傳輸，人們很容易因?yàn)槭韬龌蛘咤e(cuò)誤操作，造成一些意外事故。因此，本設(shè)計(jì)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)的核心采用專用無(wú)線功率發(fā)射芯片：將XKT-408芯片和T5336芯片相結(jié)合。

XKT408集成電路一般用于智能無(wú)線充電系統(tǒng)[9]，可進(jìn)行電源管理。它具有制作精度高，電路穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)。XKT-408電路利用電磁能量轉(zhuǎn)換原理負(fù)責(zé)進(jìn)行電能傳輸，考慮到太陽(yáng)能無(wú)線充電電路中的無(wú)線能量傳輸過(guò)程需要智能電源管理，且在安全穩(wěn)定性上也有一定的要求，因此本設(shè)計(jì)的智能無(wú)線充電[10]的電源管理系統(tǒng)將采用XKT-408集成電路。T5336系列的集成電路用于無(wú)線電能傳輸電路，電能傳輸過(guò)程中的損耗可用過(guò)T5336的端口輸出電壓進(jìn)行控制補(bǔ)償。補(bǔ)償過(guò)后的電路所發(fā)射出的電磁波波形和電壓都具有良好的性能。T5336集成電路與XTK-408兩種系列電路相結(jié)合可控制線圈電路的電壓和頻率，是一種性能優(yōu)良的充電控制電路。

2.3 無(wú)線電源接收芯片的選擇

在射頻功率接收芯片的選擇上，本設(shè)計(jì)綜合了芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際功能，最終選擇了精度高、穩(wěn)定性好的T3168芯片。由T3168芯片接收無(wú)線電源傳輸電路所發(fā)出的電磁波和電壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能的傳輸。

2.4 控制芯片的選擇

太陽(yáng)能無(wú)線充電器在充電過(guò)程中還需要對(duì)接收電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止過(guò)電壓損壞設(shè)備。

本項(xiàng)目的充電控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)控制PCF8591芯片，實(shí)時(shí)采集手機(jī)充電電壓，在電路外接一個(gè)1602液晶屏顯示充電電壓，便于用戶觀察數(shù)據(jù)。AT89C51單片機(jī)是主控芯片，PCF8591是信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，在該電路中，它負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

2.5 選擇5v降壓芯片

由上述分析，本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)進(jìn)行電壓采集和顯示。51單片機(jī)需要系統(tǒng)向其提供電源。因此，采用LM2575芯片設(shè)計(jì)5v電壓電路。LM2575系列開(kāi)關(guān)電源集成電路可實(shí)現(xiàn)一種高穩(wěn)定性、高效率的穩(wěn)壓電路。它內(nèi)部電路可以限制過(guò)高電流，電路過(guò)熱時(shí)還可自動(dòng)關(guān)斷電路。為配合外部電路，芯片還設(shè)有相應(yīng)的控制引腳。

3 充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能無(wú)線充電系統(tǒng)軟件主要是用來(lái)對(duì)太陽(yáng)能無(wú)線充電進(jìn)行控制的平臺(tái)，通過(guò)在軟件上的相應(yīng)操作可控制太陽(yáng)能無(wú)線充電器。該系統(tǒng)極具自身特色，迎合市場(chǎng)需求，利用大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)下的操作環(huán)境給生活工作等帶來(lái)極大的便捷。軟件簡(jiǎn)單易用，界面美觀。

3.1 主界面的設(shè)計(jì)

在所需要操控的計(jì)算機(jī)上需要下載本軟件才能成功運(yùn)行該軟件。下圖為充電軟件的主界面。

主界面顯示了一些信息，其中包括了電壓表信息，電流表信息，模塊狀態(tài)選項(xiàng)等，能夠提供充電過(guò)程中的電壓、電流等情況。

圖1

在主界面的右邊顯示了充放電電壓曲線信息，電流曲線信息和電池電壓溫度顯示信息。能夠使用戶更加容易直觀的看出電壓、電流在不同時(shí)間段的變化情況。

3.2 太陽(yáng)能充電監(jiān)控

經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的功能菜單指令用戶可點(diǎn)擊太陽(yáng)能充電監(jiān)控進(jìn)入系統(tǒng)操作界面，用戶根據(jù)系統(tǒng)顯示的功能可了解到太陽(yáng)能充電監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際需求從系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)太陽(yáng)能充電監(jiān)控操作，從而可提高用戶的使用更加流暢，系統(tǒng)正常的運(yùn)行。

在充電界面中有一個(gè)恒流定時(shí)信息，在恒流定時(shí)界面中國(guó)包括了充電電流信息，充電時(shí)間信息，按設(shè)定時(shí)間恒流充電選項(xiàng)等。

3.3 無(wú)線充電數(shù)據(jù)分析

用戶根據(jù)實(shí)際的需求，可以在系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)擊相關(guān)的功能按鍵，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的界面，如圖，用戶可以清楚的，在界面內(nèi)查看到系統(tǒng)顯示的無(wú)線充電數(shù)據(jù)分析信息，并且根據(jù)實(shí)際的需求，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鍵，進(jìn)行相關(guān)的功能設(shè)置，詳情如下圖所示：

圖2

在監(jiān)控界面中則包含了一些有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的信息，其中包括了放電方式信息，狀態(tài)選項(xiàng)，參數(shù)選項(xiàng)，設(shè)置選項(xiàng)，電壓信息，電流信息等。

點(diǎn)擊參數(shù)選項(xiàng)，進(jìn)入到參數(shù)界面中，該界面中顯示了一些放電參數(shù)的信息，其中包括了放電方式信息，設(shè)定放電電流信息，設(shè)定放電時(shí)間信息，放電保護(hù)電壓信息等。

4 結(jié)論

太陽(yáng)能無(wú)線充電器因其便捷性與兼容性將會(huì)逐漸被廣泛使用，尤其是在一些電能資源極度匱乏、條件不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)。太陽(yáng)能電板與無(wú)線傳輸相結(jié)合的充電器將會(huì)在不久的將來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的充電設(shè)備，做到更加環(huán)保清潔，充電兼容性也得到提高。本文在兩種成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)方案，能滿足日常充電需求，具有一定的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]上官小英，常海青，梅華強(qiáng).太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)和展望[J].能源與節(jié)能，2019（03）：60-63.

[2]付文鐸，吳培峰，韓新風(fēng)，李勇.手機(jī)無(wú)線充電技術(shù)原理及應(yīng)用展望[J].機(jī)電信息，2019（23）：74-76.

[3]嚴(yán)國(guó)康.太陽(yáng)能光伏電池工程用仿真模型及其MPPT控制算法研究[D].重慶大學(xué)，2015.

[4]付文莉.直流穩(wěn)壓電源整流電路工作原理淺述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（13）：147-148.

[5]錢(qián)凱，郭高鵬，張韓旦，李永騰，高飛翎.串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓技術(shù)調(diào)壓特性的分析和研究[J].電氣技術(shù)，2019，20（07）：13-17.

[6]劉彥甲.基于AT89C51單片機(jī)電池性能檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2019，36（04）：206-207.

[7]張智強(qiáng)，汪石農(nóng).太陽(yáng)能電池?cái)?shù)學(xué)模型的仿真與研究[J].電子世界，2019（16）：75-76

[8]張玉勃，劉行，胡雪峰，姚志壘.一種改進(jìn)型準(zhǔn)Z源耦合電感型Boost變換器[J].電力電子技術(shù)，2019，53（07）：81-84.

[9]葉先萬(wàn)，蔣碧波，李躍偉.一種智能無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018，26（06）：239-243.

[10]張煜.一種智能高效的無(wú)線充電系統(tǒng)[D].東華大學(xué)，2017.