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1、 2008届本科毕业论文（设计）论文题目：光伏地灯设计与研究学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业： 应用电子技术教育导师姓名： 摘 要针对目前太阳能地灯系统由于控制器对蓄电池保护不充分经常使蓄电池处于过放电而造成蓄电池寿命短和系统可靠性不高等问题，本论文设计了具有自适应功能的新型太阳能地灯控制器，从而使蓄电池不会发生过放电，延长了蓄电池的使用寿命，提高了太阳能地灯系统运行可靠性。本文首先分析研究了太阳能发电系统和蓄电池的结构和工作原理，并对蓄电池充、放电过程运行特性、影响蓄电池使用寿命各种因素和如何提高蓄电池的使用性能作了分析和研究。最后给出了具体的设计方案和实现过程，经实验测试和正常运行
2、后，达到了预期的效果，得出此方法可行具备一定的理论意义和现实价值。关键词：太阳能；蓄电池；太阳能控制器；负载 Design and Research of PV GroundlightsAbstractIn order to deal with the problem of battery shorter life and poor reliability of the solar powered groundlights,we developed a new type charge controller for solar powered groundlights. By this way,
3、over-discharge of battery will no longer take place, which helps to improve the reliability of solar powered groundlights and will prolong lifetime of battery.This paper has been analyzed the structures and operation principles of solar power generate systems and battery,and we study what effects li
4、fetime of battery and how to improve dynamic behaviour of battery.Finally,we provided a concrete control project and process easy to achieve .after testing it ,we made a conclusion and confirm that the method is practical and valuable.Keywords : Solar Eergy; Storage Battery; Solar Energy Cntroller;
5、Load1 引言太阳能作为可再生能源，很早就被人们开发和利用了。随着科学和技术的迅速发展，随着世界能源危机的日益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。1990 年以来，世界太阳能市场的年增长率为 16，而同期石油的年增长率只有 1.6，相差 10 倍之多。同时，以煤、石油和铀作为燃料油面临严重的环境污染；再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。因而，可再生、无污染的太阳能利用又在世界各国崛起。世界光伏产业迅猛发展，从上个世纪到本世
6、纪初，光伏发电以逐渐从解决特殊领域供电转向作为常规能源的一种重要补充，并以分散的形式进入了电力市场。根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。目前太阳能企业面临新机遇，由于光伏技术的逐渐成熟，成本不断下降，太阳能的无处不在，取之不尽。各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速，例如：太阳能热水器、太阳能路灯、太阳能热泵、太阳能交通信号灯、太阳能除湿空调系统等，这些产品显示出了巨大的市场潜力和生命力。太阳能是一种非常重要的可再生能源,而太阳能灯正是一种太阳能应用产品,随着我国城市亮化工程的日益兴起,这就给太阳能灯的普及和发展铺平了道路。同时，太
7、阳能灯具有市电照明灯不可比的优势：对比一 市电照明灯具安装复杂：在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。 太阳能照明灯安装简便：太阳能灯具安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。 对比二 市电照明灯具电费高昂：市电照明灯具工作中有固定高昂的电费，要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能照明灯具免电费：太阳能照明灯具是一次性投入，无任何维护成本，
8、三年可收回投资成本，长期受益。 对比三 市电照明灯具有安全隐患：市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。 太阳能照明自动控制,维护管理简便,无电缆被盗的烦恼没有安全隐患;太阳能灯具是超低压产品，运行安全可靠。 太阳能灯是由太阳电池将白天太阳的光能转变成电能,而加以存储。晚上,经LED发光元件又由电能转化为光的一种新产品。目前,太阳能电池板有多晶硅和单晶硅两种。国内已经可以大量生产。电能的存储则是由可充电电池或蓄电池担任。充电和放电的过程通过一定的设计电路来控制。凡是有阳光的场合,都可以使用太阳能灯。目前大多用在室外的太阳能普通灯
9、,如草坪灯、野餐台面灯、房门的照明灯及门牌灯、围墙的墙头灯和道路的照明灯等。另外,有一定观赏性的我们称为太阳能艺术灯,如水面灯、庭院景观灯、公园、广场的艺术造型灯等。太阳能地灯正是这些常用的简单的太阳能灯的一种。2 方案论证光伏地灯系统主要由太阳能电池板，太阳能控制器，蓄电池和负载四部分组成。白天，太阳能电池吸收太阳光，将光能转换成电能，并通过控制器的控制将获得的电能存储在蓄电池中；晚上，在控制器的控制下，接通负载，使蓄电池向负载放电，灯亮。本文提出以下方案，进行对比论证，选取比较合适的方案方案一：太阳能控制器采用单片机技术来实现，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯，控制稳定可靠，目前路灯控制常采
10、用这种控制方式，但其价格较高，在地灯中使用将会增加不必要的成本。方案二：太阳能控制器采用一般的具有充放电控制功能及蓄电池过充过放保护的芯片加上简单的外围元件即可实现，但稳定性不好，工作特性易受外界干扰。通过对上述两个方案进行比较，可以得出结论，第二个方案工作特性不够稳定，第一种可以满足要求，但是价格过于昂贵，对于地灯照明系统来说，综合考虑之下，选用第二种方案更可行。3 系统设计方框图 光伏地灯的电源系统如图1所示。光伏地灯系统主要由太阳能电池板，蓄电池，太阳能控制器，负载四部分组成。太阳能电池是整个供电系统的核心，白天，太阳能电池将吸收的太阳光转换成电能并存储在蓄电池中。太阳能电池方阵一般由多
11、块太阳能电池组件串联或并联而成。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将白天太阳能电池发的电存储起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串联或并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。防反充电路太阳能电池板充电控制放电控制蓄电池负载图1 系统设计方框图太阳能控制器由防过充、防过放保护电路以及充放电控制电路组成。白天，太阳能电池通过控制器的控制实现对蓄电池充电。晚上，蓄电池在控制器的控制下向负载放电，使LED灯发光。防过充保护和防过放保护的作用是防止损坏蓄电池。因为过充或过放对蓄电池的寿
12、命都会有大的损伤，大大减少蓄电池的使用寿命。4 系统设计本系统的设计主要包括太阳能电池方阵和蓄电池的原理及选用；控制器的工作原理。其中控制器包括过充保护电路、过放保护电路以及供电控制;负载的选用。4.1 太阳能电池方阵太阳电池在整个系统中的作用有两个，其一是把太阳光能转换成电能;即白天时，太阳电池给蓄电池充电。其二是太阳电池作为系统的光控元件，从太阳电池两端电压的大小，即可判断光亮程度，也就是从太阳电池电压的大小来判断天黑和天亮。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，太阳能电池单体的工作电压约为 0.5V，工作电流约为 2025mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联
13、并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 。4.1.1 硅太阳能电池原理常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。硅太阳能电池是一种P-N结型半导体器件。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是 P 型硅，表面扩散层是 N 区，在这两个区的连接处就是所谓的 PN 结。PN 结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。太阳电池是把太阳能辐射光能通过光生伏特效应转换成
14、电能的光电转换器。它的简单原理如下：原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层。孤立原子的电子只能在各个允许的壳层上运动。不同原子的内、外壳层都有一定的重叠，重叠壳层的电子可能发生转移，属于整个晶体所共有。这种晶体中共有化运动的结果使得孤立原子的单一能级分裂成能带。在半导体中，适当杂质的电子可以与元素半导体（由同一种原子组成的半导体）晶格中的电子组成共价键时多出或缺少一个价电子，而形成主要靠电子或主要靠空穴来导电的不同类型的半导体。例如，在非常纯的半导体硅中掺入杂质磷，会形成电子浓度较大的N型硅，而掺入杂质硼，会形成空穴浓度较大的P型硅
15、。且不同的杂质（或缺陷）都可能在禁带（不允许电子存在的能带间隙）中产生附加能级，价带（已被电子填满的能带）中的电子先跃迁到附加能级上，然后再跃迁到导带（未被电子填满的能带或空能带），比从价带直接跃迁到导带来得容易，稍稍受到外界能量激发，就会发生跃迁1。 P N(+) (-) 光子光生电动势 - + - + - + - + 空间电荷区 势垒电场（a）光照时 （b）光照时图2 P-N结光生伏特效应P-N结在光照射下会产生电动势，这种效应叫做光生伏特效应。硅太阳能电池就是根据这一效应制成的。如图2所示，当P-N结处于平衡状态时，在P-N结处有一个耗尽层（又叫空间电荷层），其中存在着势垒电场，该电场的
16、方向由N区指向P区。当阳光照射到P-N结区时，硅原子受光激发而产生电子-空穴对，在势垒电场的作用下，空穴流向P型区，电子流向N型区，因此N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，结果在P-N结附近形成与势垒电厂方向相反的光生电，因此在P区与N区之间产生光生伏特电动势UOC。当外电路开路时，光生伏特电势UOC 光照时的开路电压；当外电路短路时，太阳电池就会产生与入射光强成正比的短路电流。 4.1.2 太阳能电池的电气特性一个太阳能电池只能产生大约 0.5V 电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线
17、连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36 片（10cm10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生 17V 的电压，正好能为一个额定电压为 12V 的蓄电池进行有效充电。考虑到太阳能在多领域的应用，现在太阳能电池组件也有许多低电压、小容量的，来满足低电压场合的使用。组件的电气特性： 主要是指电流电压特性，也称为曲线，如图 3 所示。曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流 Imo 与电压 Vmo 在特定的太阳辐照度下的关系。图3 太阳能电池的I-V特性曲线其中Isc为短路电流，Im为最大工作电流，V为电压，Voc为开路电压，Vm为最大工作电压。太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进
18、行，测量条件被欧洲委员会定义为 101 号标准，其条件是：光谱辐照度 1000W/m2光谱 AM1.5电池温度 25在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为 Wp 。在一定的条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载消耗其它被光照的太阳能电池组件所产生的能量。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。这种效应能很严重地破坏太阳能电池。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热点效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管,以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。4.2 蓄电池
19、蓄电池也是整个太阳能路灯系统的关键部位，它是整个太阳能系统的储备能源设备，白天时太阳电池给蓄电池充电，晚上，系统和负载所用电全部由蓄电池来提供，其次，阴雨天的供电也要靠蓄电池来完成。4.2.1 蓄电池的功能在独立光伏系统中，由PV阵列产生的电能不总是在电能产生的同时加以使用。由于需求的能量不总是与它的产量相符，所以在多数独立PV系统中需要蓄电池。蓄电池的主要功能是：（1）能量存储能力及自主运行由于从光伏阵列得到的能量不总是与电子负载的需求相符，当PV阵列本身不能提供足够的功率时，蓄电池仍能使负载工作。如果电子负载需要在夜间或在多云或阴天时工作，就需要能量的存储。蓄电池存储能量的大小设计为在规定
20、的没有PV阵列输出的时间段，或自主运行期间满足平均每日电子负载的需求。一般来说，应能储备35天的系统用电量。（2 ）电压和电流稳定性在独立PV系统中，使用蓄电池的另外一个目的是：PV系统中提供的电压或电流出现大幅度变化时，蓄电池能稳定势能。当电子负载直接与PV阵列连接时，负载的阻抗限定了PV阵列的工作电压。在负载规定的条件下，该电压不是负载工作的最佳电压，或从PV阵列中不能充分使用最大功率电压附近。而蓄电池的使用，使得负载可工作在规定的电压及电流范围内，同时保证PV阵列工作在接近最大功率电压附近。作为在PV阵列和负载之间的一个缓冲器，蓄电池可输出稳定的电压和电流给负载功率需要正当，或随时间变化
21、的电子负载。（3）提供浪涌电流提供电子负载需要的浪涌电流。由于PV器件的输出有固有电流限制：被它的短路电流和太阳辐照度限制，PV阵列本身不能提供足够的电流以满足一些电子负载的浪涌需求。而蓄电池有释放大电流的能力，并可在短时间内向负载提供大电流。4.2.2 镍氢蓄电池的工作原理目前太阳能电源使用的蓄电池主要有两类，一类是酸性铅酸蓄电池，一类是碱性镍氢蓄电池2。镍氢电池与传统的铅酸蓄电池相比，具有能量大、自放电小、低温性能好，耐过充电和耐过放电能力强、寿命长等优点。因此，在本地灯系统中，蓄电池采用可充电镍氢电池。镍氢蓄电池的工作原理简述如下： 作为负极材料的储氢合金是由A和B两种金属材料形成的合金
22、，其中A金属（La、Ti、Zr等）可以吸进大量氢气，形成稳定的氢化物；而B金属（Ni、Cc、Fe、Mn等）不能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。也就是说，A金属控制着氢的吸藏量，而B金属控制着吸放氢气的可逆性。按照合金的晶体结构，储氢合金可分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型以及固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是AB5型合金。AB5型储氢合金主要由镧系元素和镍组成，同时少量添加Al、Mn、Co等。目前在镍氢电池中实际应用的主要是稀土系AB5型合金。镍氢电池电极材料的主要技术要求有：(1)耐氧化性大，在浓碱电解液中化学稳定性好。(2)在较宽的温度范围内具有较大的电化学容量。(3)催化
23、活性高，电极反应的活性好。(4)随着吸放氢循环产生的劣化少。(5)出去活化的次数少。作为镍氢电池负极材料的AB5型储氢合金，最初研究使用的是LaNi5合金，由于价格上的问题，逐渐改用了MnNi5系合金，在实用化过程中又使用少量Al、Mn、Co等来置换镍。 镍氢电池和同规格、同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应。镍氢电池正极的活性物质为：NiOOH(放电时)和Ni（OH）2（充电时），负极板的活性物质为H2(放电时)和H2O（充电时），电解液采用30%的氢氧化钾水溶液。镍氢电池充放电时的电化学反应为正极Ni（OH）2 + OH- e NiOOH + H2O负极
24、2 H2O + 2e H2 +2 OH-总反应2 Ni（OH）2 2 NiOOH + H2从化学反应方程式可以看出：充电时镍氢电池的负极析出氢气并储存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍（NiOOH）和H2O；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。镍氢电池过量充电时的化学反应如下：正极 4 OH- 4eO2+2 H2O负极2 H2O + 2eH2 + 2 OH-总反应2 H2O2 H2 + O2再化合2 H2 + O2 2 H2O从镍氢电池过量充电时的电化学反应方程式可以看出，镍氢电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有催化剂的氢电极面积大，而且氢气能够随时
25、扩散到氢气电极表面，因此，氢气和氧气能够很容易地在镍氢电池内部氧气的浓度不超过千分之几。从以上各化学反应方程式可以看出，镍氢电池的反应与镍镉电池相似，指示负极在充、放电过程中的生成物不同。镍氢电池也可以做成密封型结构。镍氢电池的电解液多采用KOH水溶液并加入少量的LiOH，隔膜采用多孔维尼无纺布或尼龙无纺布等。为了防止充电过程后期镍氢电池内压过高，镍氢电池中装有防爆装置。4.3 太阳能电池板及蓄电池的选用太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，
26、太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐射量决定了它的发电量。因此我们首先确定太阳电池方针面上所获得的辐射量如何确定，太阳电池板怎样放置能获得最佳的太阳辐射。光伏电源的设计步骤（1） 计算负载日功耗QL。计算出所有负载耗电功率与每天的平均工作时间总和，即QL = Pihi式中，Pi 为各负载的额定功率
27、（W），hi 为相应负载每天平均工作的小时数。（2） 选择方阵倾角。对于光伏地灯系统，此项不需要进行。（3） 太阳电池组件总用量的计算光伏系统充放电效率取 0.75(包括蓄电池安时效率、控制器效率、连线和阻塞二极管损失以及太阳电池温升所导致的功率损失等)，太阳电池组件组合损失修正系数取0.95，灰尘遮挡及其它损失修正系数取 0.90。经过单位换算及简化处理后，可得到太阳电池总用量 P(WP)的计算公式:P=5.618*A*QL/Kop*HL式中，QL为负载日功耗(Wh)，HL 为水平面年平均日辐射量(kJm2d)。A 为安全系数，由年辐射量与多年平均值的偏差、用电等级、环境是否恶劣、有无备用电
28、源、是否有人值守等来确定。一般取 A=1.11.3。（4） 串联组件数 Ns 的确定太阳电池方阵的输出电压 Ns Vm 与负载工作电压(VfVl）应满足电压平衡方程式：Ns *Vm=Vf +Vl式中，Vm 为组件的工作电压； V f为蓄电池组的浮充电压， V1 是所有串联入回路的元器件和线路引起的电压降，一般取 V 1=1V。它可由经验公式确定： Ns *Vm=1.3VB式中，V为阵列的工作电压，VB为蓄电池组的工作电压。V和VB的比例设计合理，阵列可近似实现最大功率输出，提高阵列的效率。（5） 并联组件数 Np 的确定太阳电池方阵的输出功率 ：P = Ns*Vm*Np*Im=Ns*Np*P0
29、式中，Im 为组件的工作电流，P0=Vm*Im 为组件的标称功率（6） 蓄电池用量的计算由负载的大小，蓄电池的安时容量，最大允许的放电深度，预定的连续无日照时间等因素共同来决定蓄电池的总用量。在本地灯系统中，负载工作电流0.16A，每天平均工作 8小时，因此每日负荷消耗用电量为：0.16*8=1.28Ah考虑到连续5个阴雨天地灯要能正常工作，蓄电池的容量为1.28Ah*5=6.4Ah。为了留有余地，选用7Ah的蓄电池。拿太阳能电池日平均工作时间10小时来算，7Ah/10=0.7A，选用6V的太阳能电池板，则太阳电池的功率为：9*0.7=6.3W因此，在此系统中选用9V，7 W的太阳能电池板。4
30、.4 控制器的充电控制电路控制器是整个系统的智能核心，通过充电控制电路将白天太阳能发的电存储到蓄电池中。充、放电电路直接影响蓄电池的使用寿命，因此要选用功能齐全良好的模块来完成充放电的控制。MAX712是一块功能齐全、性能良好的充电控制芯片。MAX712内部集成的电压梯度检测器、温度比较器、定时器等控制电路，根据电压梯度、镍氢电池温度或充电时间的检测结果，自动控制充电状态，从涓流充电转到快速充电（低温时）或从快速充电转到涓流充电，以确保镍氢电池不受损害。充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器的接口实现，具有自动从快速充电方式转为涓流充电方式、低功耗睡眠等特性。快速充电速率从C/4到4C可
31、设定，涓流充电速率为C/16。MAX712集成电路具有多种可编程功能，可实现充电过程自动化，充电时间短，效率高，使用灵活方便3。4.4.1 MAX712的结构MAX712的引脚排列如图4所示。图4 MAX712的引脚排列的引脚排列MAX712的引脚符号和功能如下：VLIMIT :设置单节镍氢电池的最大电压VLIMIT ，镍氢电池组的最大电压Em 不能超过VLIMIT n（镍氢电池数量），单位为V，且VLIMIT不能超过2.5V。当VLIMITT接V+时，Em=1.65nV。通常将VLIMIT端与REF端连接在一起。BATT+ ：接镍氢电池组正极PGM0 ：可编程引脚。PGM1 ：可编程引脚。通
32、过对PGM0和PGM1端电压的设定可设置充电镍氢电池的数量（116）THI ：温度比较器的上限电压控制端。当TEMP端的电压上升到该端电压时，快速充电过程结束。TLO ：温度比较器的下限电压控制端。充电初始，当TEMP端的电压低于TLO端的电压时，快速充电被禁止，直到TEMP端的电压高于TLO端的电压为止。TEMP ：温度传感器输入。FASTCHG ：漏极开路的快速充电逻辑电平输出端（负逻辑），外接上拉电阻。在快速充电时此端为低电平，在快速充电结束或转入涓流充电状态时此端变成高电平。PGM2 ：可编程引脚。通过对PGM2和PGM3端电压的设定可设置快速充电的最大允许时间（22264min）。P
33、GM3 ：可编程引脚。除设定快速充电的最大允许时间外，还可以设定快速充电和涓流充电的速率。CC ：电流环路的补偿端。BATT：接镍氢电池组的负极。GND：系统地。DRV：驱动外部PNP管的引出端。V+：内部+5V并联稳压器的引出端，该端电压相对BATT端为+5V，为芯片提供5V工作电压及分路电流（5 20mA），电源电流最小值为5 mA 。REF：内部2.0V基准电压源的输出端，可提供1mA的输出电流。图5 MAX712的内部结构图5是MAX712 的内部结构框图，主要包括：定时器、电压斜率检测器（内含A/D转换器）、 +5V并联式稳压器、上电复位电路（R1、CO 和反相器F ）、控制逻辑、电
34、流和电压调节器（内含电流比较器和电压比较器）、电池电压比较器、温度比较器（过温度比较器 、欠温度比较器）、2.0V基准电压源以及N沟道MOS效应管等。4.4.2 MAX712的主要特点 MAX712的主要特点有：（1）采用零电压斜率检测技术。对116 节串联的镍氢电池，能以C/3C的速率进行大电流快速充电，也能以C/16的速率进行涓流充电（镍氢电池的额定容量用AH表示，如果某镍氢电池的额定容量为1Ah，以1A电流充电时的充电时间为1h，则称1C速率）。（2）可编程。可以编程设定带充电镍氢电池的数量（116节）、充电时间（22264min）以及涓流充电电流的大小。只需改变相应引脚的接法，即可实现
35、编程。（3）利用外部电阻可设定快速充电电流IFAST 。（4）内含电压斜率检测器、温度比较器和定时器。根据电压斜率、镍氢电池温度或充电时间检测结果，可判断镍氢电池是否已充好电。一旦充好，就立即从快速充电状态自动切换到涓流充电状态，确保镍氢电池不受损害。（5）静态功耗低，充电效率高，不充电时最大静态电流仅为5uA 。4.4.3 MAX712的编程方法镍氢电池数的编程方法为：将PGM0、PGM1端分别接在V+、REF、BATT端或开路时，即可对待充电镍氢电池的数（116节）进行编程。快速充电时间及涓流充电电流的编程方法为：将PGM2、PGM3端分别接在V+、REF、BATT端或开路时，可在2226
36、4min之内设定充电时间TFAST 。表1 待充电镍氢电池数量的设定镍氢电池数量PGM1连接方式PGM0连接方式镍氢电池数量PGM1连接方式PGM0连接方式1V+V+9V+REF2开路V+10开路REF3REFV+11REFREF4BATTV+12BATTREF5V+开路13V+BATT6开路开路14开路BATT7REF开路15开路BATT8BATT开路16BATTBATTPGM3端还可以设定从快速充电切换到涓流充电时涓流充电电流ITR 的大小。（1）镍氢电池数量的设定 在应用中MAX712提供可编程引脚PGM0和PGM1，通过对PGM0和PGM1引脚采取不同的电压连接方式即可设置待充电镍氢电
37、池的数量。116节镍氢电池充电的设置参数见表1.而实际充电的镍氢电池的数量也必须与由PGM0和PGM1引脚编程确定的数量一致，否则利用电压梯度检测充电功能将可能失去意义。（2）充电速率及充电时间的设定 通过对PGM2和PGM3引脚的编程电压设置，可设定镍氢电池的充电速率和充电时间。采取不同的电压连接方式时最大充电时间的设定见表2。表2 最大充电时间的设定最大充电时间A/D采样时间tA(s)电压梯度检测充电PGM3连接方式PGM2连接方式2221不能V+开路2221能V+REF3321不能V+V+3321能V+BATT4542不能开路开路4542能开路REF6642不能开路V+6642能开路BA
38、TT9084不能REF开路9084能REFREF13284不能REFV+13284能REFBATT180168不能BATT开路180168能BATTREF264168不能BATTV+264168能BATTBATT从表2 中可以看出，对于MAX712来说，最大允许快速充电时间为264min，因此其最小充电速率不能低于C/4。快速充电电流可按以下公式计算：IFAST =表3 涓流充电电流ITR 与快速充电电流IFAST 的关系PGM3连接方式快速充电速率涓流充电电流（ITR）V+4CIFAST/64开路2CIFAST/32REFCIFAST/16BATTC/2IFAST/8涓流充电速率一般为C/1
39、6，ITR 与IFAST 的关系如表3所示。此外，鉴于镍氢充电电池的固有特性，充电效率通常为80%左右，即当以C/2速率充电时，理论上充电时间为2h，而实际充电时间通常为2.5h左右。4.4.4 MAX712的充电曲线分析图6是MAX712的充电曲线。图6 MAX712的充电曲线充电过程分5 个阶段。通电前，MAX712只从电池上汲取极少的电能，对应于阶段1，充电电流为uA级。在 MAX712接通电源而它的上电复位信号到来之前,电池处于涓流充电状态（阶段2），充电电流为mA 级 。当复位信号到来时,只要EM/N0.4V(0.4V为欠压锁定电压），就转入快速恒流充电，此时充电电压迅速升高而充电电
40、流很快保持恒定（阶段3），充电电流为A级。图7 温度检测与比较电路判断快速充电结束有两种方法：（1）根据电压斜率判断。MAX712内部A/D转换器（量程1.65V，分辨率2.5mV）在经过两次连续采样后得到V1、V2的值，可比较出电池电压的变化斜率，只要V1=V2，说明斜率为零，就从快速充电切换到涓流充电（阶段4）。（2）根据温度判断，如图7所示。使用两只负温度系数的热敏电阻，其中RT1与被充电电池表面相接触，以检测电池是否超过温度上限TH ,RT2用于感知环境温度。当TEMPTHI时温度比较器翻转，快速充电结束。关断电源后进入阶段5，充电电流又降到零。4.4.5 充电控制电路使用MAX712
41、设计的镍氢充电控制电路如图8所示。利用所示电路对3节AA型7Ah镍氢电池充电，选择快速充电时间TFAST=240min。查表可知，应将PGM0接V+,PGM1接REF;PGM2、 PGM3接BATT。根据电路及负载的需要，在本设计中，选择9V的太阳能电池板，输入电流为800mA。C1为输入端滤波电容，R1为限流电阻。设输入端的最小电压为UDCmin，内部并联式稳压器的电压为5V，用R1将V+端的最小电源电流限定为5mA，则R1的计算公式R1=(UDCmin5)/(510-3 )图8 充电控制电路原理图设IFAST=2A，UDcmin=6V,则R1=200，太阳能电池经R1对电容C2。当C2两端
42、的电压UC2=V+=+5V时，开始快速充电。要求C25uF，现取10uF。C3是补偿电容，规定C35000pF，现取0.01uF。VT为2N6109型PNP功率管，其主要参数为：UCBO=80V, ICM=7A, PCM=40W,R2是基极偏置电阻。VD是阻塞二极管，可防止DRV端的导通电流影响VT的正常偏置，它选用2A/50V的IN4001型塑封硅整流二极管。R4为检测电阻，用来设定快速充电电流IFAST的值。因为BATT端与GND端之间的电压差为0.25V，故R4=0.25V/IFAST。当IFAST=2A时，R4=0.125。负温度系数的热敏电阻RT1和RT2采用13A1002型热敏电阻
43、，充电速率分别为C/2和C/8。4.5 控制器的放电控制 放电控制电路的作用是在晚间，自动接通蓄电池向负载放电，使LED发亮。当天亮时再自动关断负载，实现完全无人工参与的全自动控制。QX5232是一款专为太阳能小功率LED地灯照明装置设计的ASIC专用集成电路8。4.5.1 QX5232的结构和特点QX5232是一块理想的自动控制放电模块，封装图如图9所示。它的特点如下所述：（1）工作电压: 0.9V-6.0V工作电压 （2）输出电流: 10mA-300mA （3）输出电流可调(电外接电感 L的值) （4）升压或降压工作模式 （5）光控开关: 控制电压可调 （6）蓄电池过充电保护: 过充电压可
44、调 （7）蓄电池过放电保护: 过放电压可调 （8）LED电流完全关断功能 （9）90%的效率 图9 的管脚排列QX5232的各个管脚的功能介绍如下：OV ：过充电检测端OVSW ：过充电保护输出端（接MOS开关栅极）SLD ：太阳光检测端SBGD ：接太阳能电池负极LEDEN ：LED关路电路MOS开关漏极VIN ：电源VDD ：芯片供电端UV ：过放电检测端LX ：升压电路MOS开关漏极GND ：接地QX5232由开关型驱动电路、光开关电路、充电电池过放电保护电路及LED关断电路组成，它的内部结构如图10所示。图10 QX5232的内部结构4.5.2 放电电路工作原理放电电路主要由升压控制电路、光控开关电路、蓄电池过放电保护电路和LED关断电路组成，电路原理图如图11所示。图11 放电控制电路原理图光控开关电路由与SLD连接的比较器控制。比较器的阀值电压为 200mV并具有50mV 的迟滞。SLD 直接接到 SBGND 端，当太阳能电池电压大于200mV时LED灯关断，太阳能电池电压小于150mV时LED点亮。蓄电池过放电保护电路由与 UV 连接的比较器与外部电路 R5、R6组成。比较器的阀值电压500mV并具有100mV的迟滞。当蓄电池电压小于500mV