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智能追光锂电充电系统设计解析
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2017-11-16
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前言
太阳能电池的发展始于上世纪五十年代，最初应用于宇宙开发，航空航天等领域，经过近五十年的发展，无论从发展速度、技术成熟性，还是从应用领域来看，太阳能电池都是新能源中的佼佼者。太阳能电池具有许多优点，比如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无须消耗燃料、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其他发电方式所不及的。但是，太阳能电池并不是一个理想的电源，其输出特性受光照强度和光线频谱等影响，输出电流很不稳定，所以太阳能电池不能直接驱动用电装置，而需要将太阳能电池先存储在电池中，然后通过电池为用电装置供电。
目前，人们常以蓄电池作为太阳能电池的储电装置，但是，蓄电池的维护较复杂，需专门的电池间，有腐蚀性气体排出，必须现场初充电50-90小时，需专人维护，而且，不及时恢复性充电会损害电池，蓄电池对温度也很敏感，寿命较短。
锂电池作为二次电池之一，具有能量密度高、工作电压高、自放电小，可快速充放电、寿命长、允许温度范围宽、体积小、输出功率大、无记忆效应和无环境污染等优点，综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池。虽然锂电池也存在缺点，但同其优点相比，那些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。目前，锂电池在市场中成长快速、利润高、已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当好的。
鉴于上述原因，可以用锂电池代替蓄电池作为太阳能电池的储电装置。随即带来的锂电充电问题便成了锂电应用中的重要课题。市场上现有的锂电池充电器，要么通用性不够强，要么精度达不到要求，而且，随着太阳能产业的快速发展，不可再生资源的逐渐减少，现有的交流电供电式充电器必有被取代之势。
为了实现在太阳能供电下对锂电池充放电的高精度控制，提升锂电池工作性能，延长锂电池寿命，本文设计了一款基于AVR单片机的追光智能锂电池充电系统，实现了智能追光，并确保锂电池不会过充、过热而损坏，大大提高安全性能，延长锂电池的使用寿命。该系统还通过与上位机通信，将锂电池的状态实时显示在上位机界面上，便于实现对锂电池的智能化管理。系统也具有电路稳定性强、可靠性高、控制精度高、操作简便、易于软件升级等特点。
追光、锂电池充电基本原理
追光原理
单轴跟踪追光
单轴跟踪追光的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。
图1是单轴跟踪追光的一个实例。
图1 单轴跟踪
双轴跟踪追光
双轴跟踪追光可以通过跟踪太阳高度和赤纬角的变化，获得最多的太阳能，但是其结构复杂，成本相对较高。
太阳能电池的发展始于上世纪五十年代，最初应用于宇宙开发，航空航天等领域，经过近五十年的发展，无论从发展速度、技术成熟性，还是从应用领域来看，太阳能电池都是新能源中的佼佼者。太阳能电池具有许多优点，比如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无须消耗燃料、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其他发电方式所不及的。但是，太阳能电池并不是一个理想的电源，其输出特性受光照强度和光线频谱等影响，输出电流很不稳定，所以太阳能电池不能直接驱动用电装置，而需要将太阳能电池先存储在电池中，然后通过电池为用电装置供电。
目前，人们常以蓄电池作为太阳能电池的储电装置，但是，蓄电池的维护较复杂，需专门的电池间，有腐蚀性气体排出，必须现场初充电50-90小时，需专人维护，而且，不及时恢复性充电会损害电池，蓄电池对温度也很敏感，寿命较短。
锂电池作为二次电池之一，具有能量密度高、工作电压高、自放电小，可快速充放电、寿命长、允许温度范围宽、体积小、输出功率大、无记忆效应和无环境污染等优点，综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池。虽然锂电池也存在缺点，但同其优点相比，那些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。目前，锂电池在市场中成长快速、利润高、已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当好的。
鉴于上述原因，可以用锂电池代替蓄电池作为太阳能电池的储电装置。随即带来的锂电充电问题便成了锂电应用中的重要课题。市场上现有的锂电池充电器，要么通用性不够强，要么精度达不到要求，而且，随着太阳能产业的快速发展，不可再生资源的逐渐减少，现有的交流电供电式充电器必有被取代之势。
为了实现在太阳能供电下对锂电池充放电的高精度控制，提升锂电池工作性能，延长锂电池寿命，本文设计了一款基于AVR单片机的追光智能锂电池充电系统，实现了智能追光，并确保锂电池不会过充、过热而损坏，大大提高安全性能，延长锂电池的使用寿命。该系统还通过与上位机通信，将锂电池的状态实时显示在上位机界面上，便于实现对锂电池的智能化管理。系统也具有电路稳定性强、可靠性高、控制精度高、操作简便、易于软件升级等特点。
追光、锂电池充电基本原理
追光原理
单轴跟踪追光
单轴跟踪追光的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。
图1是单轴跟踪追光的一个实例。
图1 单轴跟踪
双轴跟踪追光
双轴跟踪追光可以通过跟踪太阳高度和赤纬角的变化，获得最多的太阳能，但是其结构复杂，成本相对较高。
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