太阳能无线充电器的设计

陈露　刘忠宝　袁琦杰　杨宗业

【摘 要】移动设备的传统充电方式大多采用的数据线，通过插头与电源直接相连。这种充电方式增加了充电的风险性和局限性。而现如今正流行的无线充电技术虽不需要使用数据线，但仍然需要电能的提供。为解决以上种种问题，现提出一种新型的太阳能无线充电器，同时采用两种较为成熟的技术：太阳能发电技术、无线充电技术。利用太阳能作为能源进行发电，同时采用电感耦合的方式传输电能。结果表明，太阳能无线充电器能够降低充电风险，有效提高充电效率。与传统充电方式相比，太阳能无线充电器具有安全可靠、兼容性更高的特点，具有良好的社会价值和经济价值。

【关键词】无线充电;太阳能发电;电感耦合

中图分类号： TM910.6文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）31-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.006

0 引言

随着手机等移动电子设备的广泛使用，传统的充电器已经渐渐不能满足人们的充电需求。本项目设计的太阳能无线充电器相比传统的充电器具有范围广、充电快、兼容性高等优点。采用的是现如今正流行的无线充电和太阳能发电技术，两种技术发展成熟，太阳能无线充电技术也将会被广泛应用。

1 系统的总体设计

本文设计的太阳能无线充电器主要采用两种成熟技术：太阳能发电技术[1]以及无线充电技术[2]。首先，在现有的太阳能发电系统中新增一种基于改进的MPPT太阳能控制算法[3]的控制电路，使整个系统具备太阳能电池最大功率点自动追踪功能，从而让发电系统的工作效率得到了提高。其次，为实现对一些移动电子设备如手机等的安全充电，由于过高的电压或者是过高的的电流都会对设备造成一定的伤害，本次设计在无线充电电路的接收端增加了整流稳压电路[4]。为减小无线传输过程中的电能损耗，采用串联电容[5]的方法进行电能补偿。最后用51单片机[6]为核心的控制电路，实时检测并采集手机充电电压，显示在外接的液晶屏上。如果系统检测到电压异常，则会在界面上显示应停止充电。

2 硬件组成部分

2.1 太阳能充电电路

目前，太阳能电池板有折叠型与平板型。而平板型太阳能电池板[7]具有整体性好、吸热体面积大、故障少等特点，相对于折叠型太阳能板有更好的性能，于是本次设计采用平板型太阳能电池板。

为提高太阳能充电电路的效率，本次设计提出了一种改进的MPPT太阳能充电控制算法，即采用增量电导算法和BOOST变换器相结合进行输出。利用增量电导法將太阳能发电系统通过BOOST变换器[8]连接到负载，能够有效跟踪电路的输出功率。

2.2 无线电源传输芯片的选择

无线电源发射芯片传统上可采用专用无线功率发射芯片或一些常见的分立元件。如果采用分立元件进行无线电源传输，人们很容易因为疏忽或者错误操作，造成一些意外事故。因此，本设计的无线传输系统的核心采用专用无线功率发射芯片：将XKT-408芯片和T5336芯片相结合。

XKT408集成电路一般用于智能无线充电系统[9]，可进行电源管理。它具有制作精度高，电路稳定性能好等优点。XKT-408电路利用电磁能量转换原理负责进行电能传输，考虑到太阳能无线充电电路中的无线能量传输过程需要智能电源管理，且在安全稳定性上也有一定的要求，因此本设计的智能无线充电[10]的电源管理系统将采用XKT-408集成电路。T5336系列的集成电路用于无线电能传输电路，电能传输过程中的损耗可用过T5336的端口输出电压进行控制补偿。补偿过后的电路所发射出的电磁波波形和电压都具有良好的性能。T5336集成电路与XTK-408两种系列电路相结合可控制线圈电路的电压和频率，是一种性能优良的充电控制电路。

2.3 无线电源接收芯片的选择

在射频功率接收芯片的选择上，本设计综合了芯片的结构设计和实际功能，最终选择了精度高、稳定性好的T3168芯片。由T3168芯片接收无线电源传输电路所发出的电磁波和电压，实现无线电能的传输。

2.4 控制芯片的选择

太阳能无线充电器在充电过程中还需要对接收电压进行监测，防止过电压损坏设备。

本项目的充电控制系统采用AT89C51单片机控制PCF8591芯片，实时采集手机充电电压，在电路外接一个1602液晶屏显示充电电压，便于用户观察数据。AT89C51单片机是主控芯片，PCF8591是信号转换功能，在该电路中，它负责将模拟信号转换成数字信号。

2.5 选择5v降压芯片

由上述分析，本设计采用51单片机进行电压采集和显示。51单片机需要系统向其提供电源。因此，采用LM2575芯片设计5v电压电路。LM2575系列开关电源集成电路可实现一种高稳定性、高效率的稳压电路。它内部电路可以限制过高电流，电路过热时还可自动关断电路。为配合外部电路，芯片还设有相应的控制引脚。

3 充电系统软件设计

太阳能无线充电系统软件主要是用来对太阳能无线充电进行控制的平台，通过在软件上的相应操作可控制太阳能无线充电器。该系统极具自身特色，迎合市场需求，利用大数据网络下的操作环境给生活工作等带来极大的便捷。软件简单易用，界面美观。

3.1 主界面的设计

在所需要操控的计算机上需要下载本软件才能成功运行该软件。下图为充电软件的主界面。

主界面显示了一些信息，其中包括了电压表信息，电流表信息，模块状态选项等，能够提供充电过程中的电压、电流等情况。

图1

在主界面的右边显示了充放电电压曲线信息，电流曲线信息和电池电压温度显示信息。能够使用户更加容易直观的看出电压、电流在不同时间段的变化情况。

3.2 太阳能充电监控

经过对应的功能菜单指令用户可点击太阳能充电监控进入系统操作界面，用户根据系统显示的功能可了解到太阳能充电监控。根据实际需求从系统中进行对太阳能充电监控操作，从而可提高用户的使用更加流畅，系统正常的运行。

在充电界面中有一个恒流定时信息，在恒流定时界面中国包括了充电电流信息，充电时间信息，按设定时间恒流充电选项等。

3.3 无线充电数据分析

用户根据实际的需求，可以在系统内点击相关的功能按键，系统会自动跳转到对应的界面，如图，用户可以清楚的，在界面内查看到系统显示的无线充电数据分析信息，并且根据实际的需求，点击对应的按键，进行相关的功能设置，详情如下图所示：

图2

在监控界面中则包含了一些有关运行状态的信息，其中包括了放电方式信息，狀态选项，参数选项，设置选项，电压信息，电流信息等。

点击参数选项，进入到参数界面中，该界面中显示了一些放电参数的信息，其中包括了放电方式信息，设定放电电流信息，设定放电时间信息，放电保护电压信息等。

4 结论

太阳能无线充电器因其便捷性与兼容性将会逐渐被广泛使用，尤其是在一些电能资源极度匮乏、条件不便的偏远地区。太阳能电板与无线传输相结合的充电器将会在不久的将来代替传统的充电设备，做到更加环保清洁，充电兼容性也得到提高。本文在两种成熟的技术基础上提出了一种简单的太阳能充电器的设计方案，能满足日常充电需求，具有一定的社会价值和经济价值。

【参考文献】

[1]上官小英，常海青，梅华强.太阳能发电技术及其发展趋势和展望[J].能源与节能，2019（03）：60-63.

[2]付文铎，吴培峰，韩新风，李勇.手机无线充电技术原理及应用展望[J].机电信息，2019（23）：74-76.

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[9]叶先万，蒋碧波，李跃伟.一种智能无线充电系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26（06）：239-243.

[10]张煜.一种智能高效的无线充电系统[D].东华大学，2017.