用于能量采集的锂电池充放电管理电路研究与设计
发布时间：2021-01-15 05:16
如今,能量采集技术已经可以从多种不同类型的环境能量源中收集电能,例如,太阳能、热能、振动能等。理想状态下,电子设备可以在能量采集技术的支撑下独立运行,对于迫切需要解决续航能力的物联网（IoT,Internet of Things）设备来说,能量采集技术表现出绝对的优势,有效延长了电子设备的续航时间。传统物联网设备使用锂电池作为电源,在多数应用中似乎是一个不错的选择,但电池有限的容量总是无法满足使用者对续航能力的要求,若利用能量采集技术为物联网设备中的锂电池进行补充充电,将会极大的改善续航能力。环境能源复杂多变,换能器的输出功率不稳定,因此一个完整的能量采集系统必定包含对电池进行充放电管理的电路,实现能量采集场景下锂电池充放电过程的安全可控。本文以太阳能电池作为换能器,其单片输出电压较低且存在较大范围内波动。针对实际需要设计了为锂电池充电电路提供电源轨的自适应升压变换器,将一定范围内的输入电压转换到充电电路所需的电源电压,输出电压动态跟踪锂电池的电池电压,降低充电通路上的损耗;为应对输入功率不稳定的情况,设计出多种模式协同充电的充电电路,可工作在涓流、定频恒流脉冲充电、变频恒流脉冲充电三...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂电池充放电管理电路芯片结构图
小尺寸太阳能电池的光-电转换基于半导体界面的光伏效应,以硅系列太阳能电池为例,这类太阳能电池的基板通常是P型硅基半导体,掺入了少量的3价硼原子,再以高温扩散工艺将浓度高于3价硼原子的5价磷原子掺入到P型硅基半导体基板,从而形成PN结。图2-1给出了这类太阳能电池的工作原理示意图,在P型半导体和N型半导体之间的势垒区存在内建电场,内建电场的方向由N区指向P区,当收到太阳光辐射时,光子提供的能量将半导体中的电子空穴对激发出来,在电场的作用下带正电的空穴向P区聚集,P区的电势升高,同理带负电的电子向N区聚集,N区的电势降低,导致P区储存了过量的空穴,N区储存了过量的电子,最终在PN结上形成一个光生电场,该电场一部分用来平衡内建电场,另一部分使P区、N区带有不同的正电荷和负电荷,从而在两个区域之间产生电动势,通过负载形成电流回路[31]。2.1.3 非线性输出特性对电路设计的影响
硅系列太阳能电池本质上属于半导体光电器件,对光照强度、环境温度等因素的变化敏感,输出特性与PN结二极管、场效应晶体管和双极型晶体管一样具有明显的非线性。图2-2给出了太阳能电池的等效电路,为了简化数学计算,模型以单二极管的形式展现,主要有电流源Iph、二极管D1、并联电阻Rp和串联电阻Rs组成[32]。其中,不同光照强度和温度下,电流源Iph不同,直接影响太阳能电池的输出特性;并联电阻Rp表征了太阳能电池中存在的漏电,其组成有PN结本身存在的漏电流、硅片表面缺陷、制造工艺产生的漏电流,并联电阻对太阳能电池的性能会产生非常大的影响,因此总是希望Rp越大越好;串联电阻Rs是从PN结产生电场的位置到太阳能电池输出节点之间电阻的总和,基体电阻、连线电阻、电极与半导体表面的接触电阻都属于串联电阻,为了降低电压在太阳能电池内部的损耗,总是希望串联电阻尽可能的小。对于实际的太阳能电池,并联电阻Rp的数值很大,串联电阻Rs的数值较小。对于太阳能电池有五个非常重要的参数,即开路电压VOC、短路电流ISC、最大功率点电压VMPP、最大功率点电流IMPP和最大功率PMPP,上述五个参数的关系如图2-3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种高精度锂离子电池建模方案研究[J]. 周娟,化毅恒,刘凯,兰海,樊晨. 中国电机工程学报. 2019(21)
[2]光伏电池模型与特性分析[J]. 曹翊,尤一龙. 民营科技. 2012(11)
[3]任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型[J]. 廖志凌,阮新波. 太阳能学报. 2009(04)
博士论文
[1]高性能升压型电源管理芯片的研究与优化设计[D]. 池源.西安电子科技大学 2015
硕士论文
[1]具有极低静态电流的BOOST型DC-DC变换器的研究与设计[D]. 苗润云.西安电子科技大学 2019
[2]变导通时间控制Buck变换器分析与设计[D]. 曾鹏灏.电子科技大学 2019
[3]单芯片集成USM驱动电路的关键技术研究与实现[D]. 黄龙.电子科技大学 2019
[4]基于Constant Off-Time BOOST变换器的环路研究与设计[D]. 魏秀凌.电子科技大学 2018
[5]能量收集的无线传感器网络能量管理策略研究[D]. 陈国帅.西安电子科技大学 2017
[6]USM单片驱动中的Boost电路设计[D]. 王康乐.电子科技大学 2017
[7]基于室内光能和振动能的复合式能量采集微电源系统研究[D]. 刘鹏宇.重庆大学 2013
本文编号：2978301
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂电池充放电管理电路芯片结构图
小尺寸太阳能电池的光-电转换基于半导体界面的光伏效应,以硅系列太阳能电池为例,这类太阳能电池的基板通常是P型硅基半导体,掺入了少量的3价硼原子,再以高温扩散工艺将浓度高于3价硼原子的5价磷原子掺入到P型硅基半导体基板,从而形成PN结。图2-1给出了这类太阳能电池的工作原理示意图,在P型半导体和N型半导体之间的势垒区存在内建电场,内建电场的方向由N区指向P区,当收到太阳光辐射时,光子提供的能量将半导体中的电子空穴对激发出来,在电场的作用下带正电的空穴向P区聚集,P区的电势升高,同理带负电的电子向N区聚集,N区的电势降低,导致P区储存了过量的空穴,N区储存了过量的电子,最终在PN结上形成一个光生电场,该电场一部分用来平衡内建电场,另一部分使P区、N区带有不同的正电荷和负电荷,从而在两个区域之间产生电动势,通过负载形成电流回路[31]。2.1.3 非线性输出特性对电路设计的影响
硅系列太阳能电池本质上属于半导体光电器件,对光照强度、环境温度等因素的变化敏感,输出特性与PN结二极管、场效应晶体管和双极型晶体管一样具有明显的非线性。图2-2给出了太阳能电池的等效电路,为了简化数学计算,模型以单二极管的形式展现,主要有电流源Iph、二极管D1、并联电阻Rp和串联电阻Rs组成[32]。其中,不同光照强度和温度下,电流源Iph不同,直接影响太阳能电池的输出特性;并联电阻Rp表征了太阳能电池中存在的漏电,其组成有PN结本身存在的漏电流、硅片表面缺陷、制造工艺产生的漏电流,并联电阻对太阳能电池的性能会产生非常大的影响,因此总是希望Rp越大越好;串联电阻Rs是从PN结产生电场的位置到太阳能电池输出节点之间电阻的总和,基体电阻、连线电阻、电极与半导体表面的接触电阻都属于串联电阻,为了降低电压在太阳能电池内部的损耗,总是希望串联电阻尽可能的小。对于实际的太阳能电池,并联电阻Rp的数值很大,串联电阻Rs的数值较小。对于太阳能电池有五个非常重要的参数,即开路电压VOC、短路电流ISC、最大功率点电压VMPP、最大功率点电流IMPP和最大功率PMPP,上述五个参数的关系如图2-3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种高精度锂离子电池建模方案研究[J]. 周娟,化毅恒,刘凯,兰海,樊晨. 中国电机工程学报. 2019(21)
[2]光伏电池模型与特性分析[J]. 曹翊,尤一龙. 民营科技. 2012(11)
[3]任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型[J]. 廖志凌,阮新波. 太阳能学报. 2009(04)
博士论文
[1]高性能升压型电源管理芯片的研究与优化设计[D]. 池源.西安电子科技大学 2015
硕士论文
[1]具有极低静态电流的BOOST型DC-DC变换器的研究与设计[D]. 苗润云.西安电子科技大学 2019
[2]变导通时间控制Buck变换器分析与设计[D]. 曾鹏灏.电子科技大学 2019
[3]单芯片集成USM驱动电路的关键技术研究与实现[D]. 黄龙.电子科技大学 2019
[4]基于Constant Off-Time BOOST变换器的环路研究与设计[D]. 魏秀凌.电子科技大学 2018
[5]能量收集的无线传感器网络能量管理策略研究[D]. 陈国帅.西安电子科技大学 2017
[6]USM单片驱动中的Boost电路设计[D]. 王康乐.电子科技大学 2017
[7]基于室内光能和振动能的复合式能量采集微电源系统研究[D]. 刘鹏宇.重庆大学 2013
本文编号：2978301
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