前言
太陽能電池的發(fā)展始于上世紀五十年代，最初應用于宇宙開發(fā)，航空航天等領域，經過近五十年的發(fā)展，無論從發(fā)展速度、技術成熟性，還是從應用領域來看，太陽能電池都是新能源中的佼佼者。太陽能電池具有許多優(yōu)點，比如：安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、無須消耗燃料、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結合等，這些優(yōu)點都是其他發(fā)電方式所不及的。但是，太陽能電池并不是一個理想的電源，其輸出特性受光照強度和光線頻譜等影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅動用電裝置，而需要將太陽能電池先存儲在電池中，然后通過電池為用電裝置供電。
目前，人們常以蓄電池作為太陽能電池的儲電裝置，但是，蓄電池的維護較復雜，需專門的電池間，有腐蝕性氣體排出，必須現場初充電50-90小時，需專人維護，而且，不及時恢復性充電會損害電池，蓄電池對溫度也很敏感，壽命較短。
鋰電池作為二次電池之一，具有能量密度高、工作電壓高、自放電小，可快速充放電、壽命長、允許溫度范圍寬、體積小、輸出功率大、無記憶效應和無環(huán)境污染等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池。雖然鋰電池也存在缺點，但同其優(yōu)點相比，那些缺點不應成為主要問題，特別是用于一些高科技，高附加值的產品中。目前，鋰電池在市場中成長快速、利潤高、已成為許多先進國家競相發(fā)展的研究項目，其未來需求及發(fā)展前景是相當好的。
鑒于上述原因，可以用鋰電池代替蓄電池作為太陽能電池的儲電裝置。隨即帶來的鋰電充電問題便成了鋰電應用中的重要課題。市場上現有的鋰電池充電器，要么通用性不夠強，要么精度達不到要求，而且，隨著太陽能產業(yè)的快速發(fā)展，不可再生資源的逐漸減少，現有的交流電供電式充電器必有被取代之勢。
為了實現在太陽能供電下對鋰電池充放電的高精度控制，提升鋰電池工作性能，延長鋰電池壽命，本文設計了一款基于AVR單片機的追光智能鋰電池充電系統(tǒng)，實現了智能追光，并確保鋰電池不會過充、過熱而損壞，大大提高安全性能，延長鋰電池的使用壽命。該系統(tǒng)還通過與上位機通信，將鋰電池的狀態(tài)實時顯示在上位機界面上，便于實現對鋰電池的智能化管理。系統(tǒng)也具有電路穩(wěn)定性強、可靠性高、控制精度高、操作簡便、易于軟件升級等特點。
追光、鋰電池充電基本原理
追光原理
單軸跟蹤追光
單軸跟蹤追光的優(yōu)點是結構簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想。
圖1是單軸跟蹤追光的一個實例。
圖1 單軸跟蹤
雙軸跟蹤追光
雙軸跟蹤追光可以通過跟蹤太陽高度和赤緯角的變化，獲得最多的太陽能，但是其結構復雜，成本相對較高。
雙軸跟蹤追光的原理圖如圖2所示。
圖2 雙軸跟蹤
光電跟蹤追光
光電檢測就是檢測太陽高度角和方位角的變化，可以使用3個光敏電阻將光信號轉換為電信號，組建橋式電路，分別通過如圖3電路接通單片機的A/D通道，微處理器根據得到的電壓數據,控制電機動作。
圖3光電跟蹤
視日運動軌跡跟蹤追光
由于太陽的高度角和方位角決定了太陽的位置，故可以根據當地的經緯度確定太陽的位置，然后調節(jié)太陽能將電池板與地面的角度，實現追光。
太陽位置計算幾何數學模型如圖4所示。
圖4視日運動軌跡跟蹤
光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤配合追光
光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結合的設計方法能夠加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，能夠實現各種天氣下對太陽的跟蹤。
鋰電池充電原理
（1）鋰電池充電要求
鋰電池的充電要求有：
① 終止充電電壓的允差為額定值的±1%,過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。
② 充電速率常用為0.5C—1C。采用0.5C充電速率時，因充電過程中的電化學反應會產生熱量，所以有一定的能量損失。
③ 鋰離子電池充電的溫度范圍為0℃—60℃，如果電流過大，會使溫度過高。不僅會損壞電池，而且可能引起爆炸。
④ 鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V，嚴重過放電可能造成鋰離子電池失效。對過放電的電池充電可以通過預處理進行補救，當鋰離子電池電壓大于2.5V，則按正常方式充電；若鋰離子電池低于2.5V，則用小電流充電，充到2.5V后再按正常方式充電。
鋰電池在使用過程中，為保證使用安全，延長鋰電池壽命，還需添加鋰電池保護板，鋰電池保護板詳細資料請參見附錄一。
（2）恒流充電
采用恒流充電式，可使電池具有較高的充電效率，該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進行充電，如圖5所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯的電池組進行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質，產生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質脫落，影響鋰電池的壽命。
圖5 恒流充電
（3）恒壓充電
在恒壓充電法中，電池兩端電壓決定了充電電流，充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電電流隨著電壓波動而變化，因此充電電流的最大值應設置在充電電壓最高時，以免使電池過充電。實際上，恒壓充電曲線如圖6所示，從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對鋰電池的壽命會造成很大影響。另外，在此種充電方式中，充電末期電池溫度會升高，很有可能造成電池的熱失控，損害電池的性能，因此不推薦采用恒壓充電方式。
圖6恒壓充電
（4）恒流恒壓充電
在上述兩種充電方式的基礎上，充電通過恒定電流開始。在恒流充電周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當電壓達到設定的端電壓時，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在恒流充電期間，電池可以以較高電流強度進行充電，這期間電池被充電到大約85%的容量，電壓以較高的斜率增長，在充電過程中斜率逐漸降低。在恒壓周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10容量時，充電周期完成，又稱為二階段式充電法。恒流恒壓充電曲線如圖7所示。
圖7 恒流恒壓充電
三、系統(tǒng)設計及方案論證
1、總體設計
系統(tǒng)框圖如圖8所示。
圖8系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)設計主要有追光控制、電壓轉換、光耦開關控制、充電控制、照明燈控制和上位機界面控制六個部分組成，以追光及充電作為本系統(tǒng)的核心。追光控制采用光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤配合的方法。充電部分采用可用太陽能電池供電的CN3063充電管理芯片，并結合溫度檢測，光耦等控制，實現了智能充電的功能，并能有效的保護鋰電池，活化鋰電池，提升鋰電池的性能?；谔柲茈姵匕遢敵鲭妷旱淖兓紤]選擇了升/降壓電路，以獲得最佳的充電調節(jié)。在照明燈狀態(tài)控制部分，使用光敏電阻來檢測外界光線強弱，以控制照明燈的亮滅，并使用PWM（脈寬調制）調節(jié)照明燈的亮度。上位機控制臺用于觀察太陽能電池輸出電壓，鋰電池端電壓，鋰電池溫度，并提供了人工控制功能，智能化的同時實現了人工管理。
2、詳細設計
（1）鋰電池及太陽能電池選擇
①鋰電池選擇
基于安全、輕薄和容量的考慮，我們采用的是4000mAh的聚合物鋰電池、鋁塑包裝，有別于液態(tài)鋰電池的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，不會爆炸，只會鼓脹；重量輕，比鋼殼液鋰輕40％，比鋁殼液鋰輕20％；容量大，內阻小，比常規(guī)電池內阻要小，使得有效放電容量要比其它電池高；形狀可定制，采用膠態(tài)電解質，具有更平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺；工作電壓高；能量密度高；循環(huán)壽命長；無記憶效應，自放電小，無污染。
適用范圍：通訊設備（移動電話、網絡電話、對講機、藍牙耳機），移動辦公設備（筆記本計算機、PDA、便攜式傳真機、打印機），影像設備（數碼相機、攝像機、移動DVD、移動電視、MP3、MP4），其它（手電筒、礦燈、玩具、航模）。
②太陽能電池選擇
選擇太陽能電池時，要綜合考慮其材質，工藝，重量，光電轉換效率，功率等。本系統(tǒng)采用的太陽能電池板參數如表1所示。
表1所選太陽能電池參數
規(guī)格
110*134mm
開路電壓
9V
短路電流
170mA
功率
1.5W
工藝
單晶硅層壓工藝
考慮到太陽能電池實際輸出功率和系統(tǒng)本身功耗，我們將4塊參數如上表1所示的太陽能電池板并聯使用，并聯方式如圖9所示。
（2）電壓轉換部分
①降壓電路
方案一：采用LM7805芯片，將太陽能輸出電壓轉換為5V，此芯片價格便宜，但缺點是功耗大，效率低，不利于太陽能供電的充電系統(tǒng)。
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