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1、附件1浙江师范大学行知学院大学生研究性学习与创新性实验项目申报表项目名称太阳能充电器项目负责人王凯强项目类型研究性学习 创新性实验项目来源学生自主设计 指导教师命题预期成果形式实物作品分 院工学分院联系电话（手机长号）18758917919E-mail873698166指导教师姓 名施晓钟俞世钢职 称副教授副教授指导时数140140申请经费（元）1000实验室名称电工电子实验室计划实验时数700项目组成员(含项目负责人)姓 名学 号所在分院及专业班级主要任务安排王凯强10906236工学分院 通信工程102班电路设计与分析，资料收集与调试朱玉珍10616215工学分院 电子信息工程102班资料
2、收集与论文撰写缪逢忠10316144工学分院 电子信息工程102班电路设计与调试、分析申请理由：（包括项目的意义、自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的创新成果等）项目的意义：通过对该项目的操作可以很好的提高学生对实验仪器的操作能力，具有一定的实际意义。自身具备的知识条件：对实验室的仪器大体上有一定的了解，对实验仪器大体能够操作。学习和掌握了一定量的专业知识。特长：善于动手操作兴趣：喜爱电子方面的小制作项目内容及实施方案：太阳能是一种便捷、环保、可再生的新能源。太阳能电池将光能转换成电能， 其等效电路如图1 所示。图1 太阳能电池等效电路 太 阳 能 电 池 输 出 电 压 电 流 I-
3、V方 程 为(1)其中I为PN结的电流，I0为反向饱和电流，V为外加电压，q为电子电荷(1.610-19C)，K为玻尔兹曼常数(1.3810-23J/K)，T为绝对温度，A为二极管因子（取值范围15 ）。太阳能电池电压电流为非线性的，日照条件不变的情况下，太阳能电池输出存在一个最大功率点，即在该点输出电压和输出电流下，能够将太阳能最大程度地转化充电电能。目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个DC-DC变换器，通过改变DC-DC变换器中功率开关管的导通率，使太阳能电池工作在最大功率点（MPPT），实现最大功率点跟踪。本设计从充分利用太阳能的转换能量角度，选用SPV1040DC-DC
4、转换芯片，跟踪最大功率点，提高太阳能的转换效率；考虑到太阳能电池输出电压的变化范围以及锂电池的充电安全和充电器的自身工作状况，选用L6924D电源管理芯片，设计出以SPV1040和L6924D为主要芯片的太阳能锂电池充电器。1 芯片介绍1.1 SPV1040 的结构与工作原理 SPV1040是ST公司生产的太阳能充电器IC 2，内置采用扰动观察法（Perturb&Observe algorithm）的MPPT算法，可动态调整充电器的输入阻抗，确保充电器输入阻抗与太阳能电池完全匹配，最大限度地提高从充电器到电池的能量输送效率和系统的整体能效。温度、老化、灰尘等引起太阳能电池变化所造成的不匹配问题
5、，都可通过MPPT技术加以解决，从而提高系统的能量转换效率。SPV1040内置MPP模块实现最大功率点跟踪。SPV1040内部通过模拟模块产生输入参考电压Vin_ref和VBG，对超低输入电压、输出过流、结温过高和输入反极性输入进行管理。1.2 L6924D 的结构和工作原理 L6924D是集成功率开关的锂电池充电芯片 3，内部产生1.8V参考电压，通过电阻分压，将温度变化传递到输入端，实现对电池温度的监视；考虑到不同厂家锂电池输出电压的不同，可通过VOPRG端的设置，悬空时输出4.2V，接地时输出为4.1V；可通过SD端设置芯片的工作状态；通过VINSNS和VOSNS端监视输入电压、输出电压
6、；在L6924D内部集成两个晶体管，通过集电极与ST1、ST2可驱动LED或与主机连接，显示充电器状态。通过LED显示状态情况如表1所示 4-5。表1用LED显示的充电器状态充电状态描述ST1ST2正在充电预充电和快速充电亮灭充电完成充电电流低于IENDTH灭亮等待输入电压低于VBAT-50 mV灭灭温度过高/ 过低温度未在设置范围， 温度过高或过低亮亮电池取出不能检测到电池输出电压降低到VABS亮亮充电超时且TDETECT亮亮2 电路设计 根据蜂窝电话用锂离子电池总规范(GB/T 18287 -2000) ，充电过程经历预充电、恒流充电和恒压充电 6。恒压充电的电压为充电限制电压。对于锂离子
7、电池充电，需进行过充电保护、过电流保护短路保护。针对锂电池的太阳能充电器设计电路包括太阳能电池板升压电路和锂电池充电管理电路。太阳能电池板升压电路如图2 所示。锂电池充电管理电路如图3 所示。图2太阳能电池板升压电路图3锂电池充电管理电路2.1 参数选择2.1.1 限制电压设置 通过对VOPRG端的连接，设置输出电压。VOPRG悬空，输出为4.1V，VOPRG接地，输出电压为4.2V。2.1.2 恒流充电电流的设置 在IPRG端与GND之间加入电阻RPRG( 即图3 中R13),设置RPRG可改变恒流充电电流值ICHG，其大小由式（2）决定。RPRG=VBG(KPRGICHG)(2)其中KPR
8、G=9500，VBG=1.23V。2.1.3 预充电电流的设置和预充电结束电压 VPRE端悬空，预充电电压取默认值2.8V。VPRE通过电阻RPRE接地，改变电阻RPRE值，改变预充电结束电压值。RPRE值由式（3）决定。RV PRE =RPRG( VPRETHVPRETHdefault) (3)其中VPRETHdefault=2.8 V。默认预充电电流为恒流充电电流的10%，在IPRE和地或参考电压VREF间加入电阻，可设置预充电电流值。IPRE与地之间加入电阻， 预充电电流值较默认值高。接入阻RPRE由式（4）决定。RPRE= VBGIPRECHKPRG- VBGRPRG(4)IPRE与参
9、考电压VREF间加入电阻，预充电电流值较默认值低。接入电阻RPRE由式（5）决定。RPRE=VREF-VBGVBGRPRG-IPRECHKPRE(5)其中VREF=1.8V，KPRE=950,VBG=1.23V。2.1.4 充电结束电流的设置 恒压充电电流逐渐减少到IENDTH时可认为充电结束.IENDTH可通过在IEND端接入电阻REND，与GND 相连。REND的阻值由式（6）决定。IENDTH=VMIN( KENDREND) (6)其中VMIN为50 mV，KEND为常数1 050。2.2 测试结果 本设计太阳能电池板使用2片5V/250mA单晶超薄硅板，锂电池规格为3.7 V/1200
10、mAh、充电限制电压为4.2V的手机锂电池。考虑手机锂电池充电时间和充电方式，设置预充电电流IPRECH=80mA，预充电结束电压VPRETH=2.8V，恒流充电电流ICHG=480mA，结束电流为IENDTH=15mA，恒压充电电压为4.2 V。设太阳能电池的输出端即SPV1040的输入端电压为VIN, SPV1040的输出端电压为VOUT，充电电压为VBAT，锂电池初始充电电压为2.30V，测试结果如表2所示。可见充电273min后STI灯灭ST2亮，充电结束。本设计对容量为1200mAh的手机锂电池充电，阳光充足，充电时间为4 h ，基本满足对锂电池的充电要求。针对锂电池的太阳能充电器通
11、过SPV1040 内置MPPT算法，将太阳能电池板能量尽量转变为电能（转化效率达95%），经过对L6924D外围电路选择，设置充电参数，实现对锂电池的充电管理和对充电电池的保护。表2 SPV1040 输入输出电压测试输入电压Vin /V输出电压Vout /V充电电压VBAT/V时间T/min充电所处阶段3.393.012.300充电开始4.123.742.5315预充电4.203.872.8830恒流充电4.584.093.3560恒流充电5.625.223.6890恒流充电6.295.863.89120恒流充电5.394.954.17150恒流充电6.175.774.19180恒流充电6.0
12、45.644.20210恒压充电5.715.334.20150恒压充电5.925.554.21273充电结束项目进度安排：（选题、设计实验、实验研究、研制开发、数据处理、撰写总结报告、项目鉴定、成果推广等）项目实施时间项目实施内容2012年6月-2012年8月 收集资料优化设计2012年8月-2012年12月设计硬件电路并进行硬件调试2012年12月-2013年2月软件设计与调试，基本实现各功能模块2013年2月-2013年4月数据测量、方法论证及功能调试2013年 4月-2013年6月撰写论文，上交作品，总结研究经验预期成果：1.作品2.设计报告3.论文利用资源：（实验室、设备、资料等）学校实验室、实验材料室设备、相关工具、图书馆参考资料等。经费预算与用途：（试剂、药品、小型仪器、资料费、发表论文、申请专利等）用途经费（元）材料费700资料费200差旅费100指导教师意见：该项目对提高学生电子设计能力具有一定作用，建议立项。 签名：施晓钟 2012 年 5 月 24 日实验室意见（研究性学习项目可不填）： 签名： 年 月 日分院审核意见： 签章： 年 月 日学院评审专家组评审意见： 签章： 年 月 日
