d e v e l o p m e n to fs o l a rl e dd i s p l a ys c r e e n a n d r e s e a r c ho nt h e d r i v i n gm o d e b a s e do np w m m a | o r ：p o w e re l e e t r o n i e s n a m e ：p a e nh u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h ib i n n i n g a b s t r a c t 加t h ed e v e l o p i n go ft h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y , l e dd i s p l a y 齲舢i su s e dm o r e a n dm o r ew i d e t ya s 盎n e wi n f o r m a t i o nb r o a d c a s 6 n gm e d i a i ti sm a i n l yu s e dt o r e l e a s ei n f o r m a t i o ni nt h e # a c e ss u c ha si n d u s t n a lc o n u - o la r e a , b a n k i n gh o u s ea n d s t o c ke x c h a n g e , i r a t es y s t e m , s p o r t sa r e l l a , h o s p i t a l , e t c i tc o u l de v 跚b eu s e di nt h e p u b l i cp l a z af o rm u l t i - m e d i ai n f o r m a t i o nb r o a d c a s t i n g w h i l et h ea 塢f 器c r i s i sa n d t h ee n v i r o n m e n tp o l l u t e dp r o b l e m 瓣簽她w o f $ oa n dw o r s e , t h es o l a rp o w e g , a s 鑫 g r e e ne n e r g y , i sg e i n gt ol e a dt h et r e n do f e x p l o r i n g an e ve n e r g ys o u r c e t h i sp a p e ri n t e g r a t e st h ep h o t o v o l t a i ca p p l i c a t i o ns y s t e ma n dt e c h n o l o g yo ft h e l e dd i 酗a y 嗣葛嘲t od e v e l o pa 娃e f f i c l e n t , e c o n o m i ca n ds i m p l es o l a rp o w e rl e d d i s p l a ys c r e e nb a s e do nc e l lp h o n es h o r tm e s s a g es y s t e m ( g s m ) w h i c hi su s e dt o r e a l i z et h ed a t a - t r a n s m i s s i o na n dd i s p l a yc o n t r o lo f t h es y s t e m d i f f e r i n gf r o mt h eo r d i n a r yl e dd i 鹺a ys e r e e n , t h ep o w e ro ft h es ( 警e e n d e v e l o p e d i nt h i sp a p e ri ss o l e l yp r o v i d eb ys o l a rp o w e r b e c a u s et h ep r i c eo f t h es o l a r c e l li sv e r yh i g h , w ec h a r g et h eb a t t e r yu s i n gm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) , a n d d e v e l o p a l e d d r i v e c i r c u i t w h i c h w o u l ds a v e t h e e l e c t r i c i t y a n d w o u l d n o t l o w e r t h eb r i g h m e s so ft h e 四e 餓b yt h i sw a y , w ee n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h ee l e c t r i c i t y g e n e r a t i n ga n dl o w e rt h ew a s t a g eo ft h el e d 翱烈罄e n t h es y s t e ma l s oc o n t a i n s 矗 b a t t e r yw h i c h 鋤翻ds a v et h ee x t r aa n e r g yi nt h ed a y t i m e t h ee n e r g yo ft h i sp a r t c o u l db eu s e da tm g h t w ei n t r o d u c e 鋤a d j u s t a b l ep u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h el e ds c “髓p o w e rs u p p l ys y s t e mt oc o n t r o lt h eb r i g h t n e s so f t h e l e d s y s t e mb y 硎u s t m gt h ed u t y - c y c l eo f t h ep u l s e w eu s ea t m e g a l 6a so u rc o n t r o lu n i t ；i ti sah i g h - p e r f o r m a n c 1 0 w - p o w e ra v r 玨 8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e rt o g e t h e rw i t ha d v a n e lr i s ca r c i l i t 。c t i i r ep r e s e n t e db ya t m e l c o r p o r a t i o n w ea l s oi n u o d u c cs e v e r a ld i s p l a 姐n gw a y s ，l i k el e f l - s h i r ，f i g h t - s h i f t , u p - s h i f ta n ds u d d e n - a p p e a r t h es t u d yo f t h i sp a p e ri st h ea p p l i c a t i o no f t h ep h o t o v o l t a i ci nan e w w a y , a n d t h es y s t e mi n t r o d u c e db yt h i sp a p e ra l s oh a sab r i g h tm a r k e t i n gf u t u r e k e y w o r d s ：l e dd i s p l a ys c r e e n ；p w m ；p h o t o v o l t a i c ；m p p t ；a t m e g a l 6 u i 第1 章緒論 1 1 課題研究的目的和意義 隨著能源消費(fèi)的增長、化石能源即將消耗殆盡，日益惡化的生態(tài)環(huán)境和人類 環(huán)保滋諼靜提高，l 鹱贐各國都在積攝尋找一種弼持續(xù)發(fā)展鼠覓污染的新能源。兩 在入翻眾多戇我轡化石資源韻嚴(yán)黧短缺是我們?yōu)降囊淮蟪本常愡@種現(xiàn)蒙髓著 經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展日憨惡劣太陽熊是2 l 世紀(jì)最重要的能源之一，它做為一種高 效的囂污染的新旋添，一種未來鬻援能源的鷙代燕，蘢其受捌人類的重褫。2 0 0 8 年就泉奧運(yùn)會提出“綠色奧運(yùn)、辯授奧運(yùn)、入文奧運(yùn)”理念，這種綠色的概念也 必然髓著社會的發(fā)展延續(xù)下去。肖關(guān)專家認(rèn)為，如果說二十1 縫紀(jì)是石油世紀(jì)，二 + 一 i 凌篼裁將是太鞭斃世紀(jì)。 l e d ( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e ) 旺子顯示屏怒隨薷計(jì)算機(jī)及捆關(guān)的微電子、光電 子技術(shù)的迅猛發(fā)展而形成的一種電子廣告媒體。已經(jīng)滲透到正業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、 金融及穗患廣告等囂令孬塹，鼴子曩示字符、辮像等售患。太陽髭l e d 駐示鬢 不僅環(huán)保，而且可以融于高速公路，碼頭、飆焱游覽區(qū)等沒裙或不便于鋪設(shè)公共 電網(wǎng)的場所，當(dāng)然也不便于使用肖線通信方式來對其進(jìn)行管理或信息更新。利用 手撬緞嫠對電子顯零羼控豢l 將霹羰大大降低人力、耪力、財(cái)力成本，還強(qiáng)癱了工 律效率，同時這也怒現(xiàn)代化信息被會高速發(fā)展的一個代表。在能源，特剮怒電能 特別緊缺的社會環(huán)境中，如果能充分利用天然的綠色能源一一太陽能，將可以大 大健逡褪鶯戇柱會裳義瑗戎純建浚瓣步伎。霹以券定熬霰熬，太船戇l e d 曩示 屏一是會有廣闊的發(fā)展前景和市場價值。 1 2 太陽能技術(shù)的運(yùn)用概況 能源是人類文化及其它活動的動力來源?？v觀世界的發(fā)展歷史，人類不斷從 自然界掇求套秘適會生存積發(fā)展懿熊源，能源的翻耀深度秘廣魔也說明了入類文 明的透步疹伐。從原始被會開始，純葫能源逐步成為人類可以利掰的能源豹來源， 這種情況一直持續(xù)到發(fā)達(dá)的現(xiàn)代化社會。但是，隨著社會對能源的需求的急劇增 魏，純西縫深綴抉就會穗竭。因斃，懿器懿能源專家強(qiáng)烈呼吁：煤炭、石淫答裳 貴的純籍資源應(yīng)當(dāng)有效的使其持續(xù)稍序豹乖j 用起來，面不是在貔們這一代的人手 中僅僅作為能源消耗殆盡。能源危機(jī)迫在眉睫，根據(jù)對石油儲繳的綜合估算，可 支配豹健絞能源煞極黢大約在1 1 8 0 1 5 1 0 億睫，激1 9 9 5 年整券磊洼教年囂激囊 3 3 2 億噸計(jì)算，若不畿用新能源補(bǔ)充之，那么石油儲量大約在2 0 4 0 年左右巍告 枯竭；天然氣儲備估計(jì)在1 3 1 8 0 0 1 5 2 9 0 0 兆立方米，年開采登維持在2 3 0 0 兆立 方米，魏鼗下去將在年最囂懿辯瓣蠹糖竭；煤懿睡量終為弱億噫，1 9 9 5 年煤炭白留汗采量為3 3 億噸，可以供舷1 6 9 年；鈾韻年開采量目前為每年6 萬噸， 根據(jù)1 9 9 3 年世界能源婁員會的估計(jì)w 維持到2 1 馓紀(jì)3 0 年代中期；核聚變到2 0 5 0 年還沒毒受璦懿莠望。傳統(tǒng)騷源與濺精漣條黲孛獗，磐然導(dǎo)致壤賽經(jīng)濟(jì)蔻掇鞠 孛 突的加劇，最終將對現(xiàn)代的市場經(jīng)濟(jì)造成致命的打擊。事實(shí)上，近些年所爆發(fā)的 中東海灣地區(qū)的戰(zhàn)爭光不和能源的爭奪有緊密的獎系?？傊?，能源危機(jī)隨時都會 爆發(fā)，窀豹瀑發(fā)縫對爨溪萍蛙戇嘏l 2 1 世紀(jì)是世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生巨火變革的世紀(jì)。由于傳統(tǒng)能源( 如煤、石油、 天然氣等) 的供給已出現(xiàn)嚴(yán)重短缺局蕊，人類開始將耳光轉(zhuǎn)向可褥生能源的殲漿。 丈筑模豹開發(fā)耬矮爵群象潔凈能源來健替資源有黻、污染拜境霪懿石億鐐源已 經(jīng)是人類賴以生存的必須要走的路【9 l 。 太爨縫籜兔一耱鞭罐綠色能源，楚 輦賽上簸其有發(fā)展蔻途熬瞧澡之。宅其 有獨(dú)特的優(yōu)勢，其殲發(fā)利用必將成為2 1 世紀(jì)岳期的主導(dǎo)能源i i 州。由于它不髭地 理?xiàng)l件的限制，也不需大量鋪設(shè)電力設(shè)備，因而成為缺電或者邊遠(yuǎn)無電地區(qū)及島 海速豢簸戮蠡孚訣爨奄瓣囂靜重要手段，對予鍵逐賽豳逮區(qū)戇入琵生活矮璧鶼提 高，為經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展和社會穩(wěn)定發(fā)展有懿疆的意義。太陽能具有以下特 2 點(diǎn)： 1 ) 數(shù)量巨大：每年到達(dá)地球表面的太陽輻射能為5 5 7 1 0 1 8 m j ，相當(dāng)于1 9 0 萬 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約為目前全世界一次能源消費(fèi)總量的1 5 6 x1 0 4 倍； 2 ) 時間長久：取之不盡，用之不竭，太陽能可被利用的時間約為1 0 0 億年； 3 ) 便于利用：掘取非常方便，不需要開采運(yùn)輸； 4 ) 清潔能源：不會污染環(huán)境； 太陽能的開發(fā)利用的方式主要是：光熱利用、光伏利用、光化學(xué)利用等形式 光熱利用是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能儲存起來，其中太陽能熱水器是這個技術(shù)利用的 最成功的領(lǐng)域，此外還有太陽能灶、太陽能溫室、太陽能干燥系統(tǒng)等，都也取得 了非常驕人的效果。但是目前和可以設(shè)想的很長一段時期內(nèi)電畢竟是人類使用最 廣泛的用能形式，以太陽電池技術(shù)為核心的太陽能光伏利用成為太陽能開發(fā)利用 中最重要的領(lǐng)域，那么利用太陽能發(fā)電，主要具有什么特點(diǎn)昵? 主要有以下幾方 面： 1 ) 結(jié)構(gòu)簡單，體積小而且輕。能獨(dú)立供電的太陽電池組件和方陣結(jié)構(gòu)都比較簡 單，輸出4 5 5 0 w 的晶體硅太陽能電池組件，體積約為4 5 0 硼9 8 5 姍4 5 啪， 質(zhì)量為7 k g ，其制造工藝仍在提高。 2 ) 容易安裝運(yùn)輸，建設(shè)周期短。只要將太陽電池按照一定的角度有序搭建起來， 裝上控制器，便可以馬上建立起一個有效的小型發(fā)電站。而且維護(hù)、拆建等 都非常方便，比如遇到暴風(fēng)，或者清除太陽電池表面的雜質(zhì)灰塵，又或者檢 查蓄電池是否正常工作的時候。 3 ) 清潔、安全，無噪聲光伏發(fā)電本身不向外排放廢物，沒有噪聲污染。 4 ) 可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣我國三分之二以上地區(qū)年日照數(shù)都大 于2 0 0 0 小時，太陽能理論上儲量高達(dá)1 7 0 0 0 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤年。尤其是西藏西 部地區(qū)，年太陽最高輻射量居世界第二，僅僅低于撒哈拉大沙漠，具有利用 太陽能資源的良好條件“，。 1 3 l e d 的主要技術(shù)及顯示屏的發(fā)展現(xiàn)狀 1 3 1l e d 產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀 l e d ( l i g h t e m i t t i n g d i o d e ，發(fā)光二極管) 是一種由i i i - w 族化合物，如g a a s ( 砷化鎵) 、g a p ( 磷化鎵) 、g a a s p ( 磷砷化鎵) 等物質(zhì)制成的發(fā)光器件，其核 心是p n 結(jié)，當(dāng)半導(dǎo)體晶體內(nèi)部受激電子從高能級回復(fù)到低能級時，便發(fā)射出光 子，這就是我們所看見的發(fā)光現(xiàn)象“。它具有體積小、價格低，重量輕、電壓低、 電流小、亮度高，發(fā)光響應(yīng)速度快，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光二極管采用環(huán)氧 樹脂等材料密封，結(jié)構(gòu)牢固，使用壽命長達(dá)l o 萬小時，要比熒光燈長l o 倍，比 白熾燈長1 0 0 倍。在環(huán)境保護(hù)方面，用發(fā)光二極管替代熒光燈，避免了熒光燈管 破裂溢出汞的二次污染【2 】【3 】。 根據(jù)中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會光電器件分會的初步統(tǒng)計(jì)，我國l e d 產(chǎn)量年 增長率為2 5 ，其中超高亮度l e d 約5 0 億只，增長率達(dá)到5 0 。l e d 己經(jīng)應(yīng) 用于汽車剎車燈、尾燈、室內(nèi)燈。在室外還可以使用于戶外大型看板、交通信號 燈、建筑物戶外造景燈等，且未來在技術(shù)將在價格下降趨勢的驅(qū)動下取得突破。 l e d 產(chǎn)業(yè)最誘人的前景也許還不是目前看到的應(yīng)用。目前國際上普遍的看 法是，光電子技術(shù)是二十一世紀(jì)的尖端科技。如果將二十一世紀(jì)具有代表意義的 主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)排序，第一是光電子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)，第三是健康和福利產(chǎn) 業(yè)?？茖W(xué)界預(yù)測，到2 0 1 0 年，以光電子信息技術(shù)為主導(dǎo)的信息產(chǎn)業(yè)將形成5 0 0 0 0 億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模；2 0 1 0 年至2 0 1 5 年，光電子產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)， 成為2 1 世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)，并成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力的重要標(biāo)志 4 1 1 5 1 。 1 3 2l e d 顯示屏的介紹1 6 j 發(fā)光二極管是六十年代末發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體顯示器件，七十年代，隨著 半導(dǎo)體材料合成技術(shù)、單晶體制造技術(shù)和p n 結(jié)形成技術(shù)的研究發(fā)展。發(fā)光二 4 極管襁發(fā)光顏色、巍度等性能得以提高并迅速進(jìn)入批量化和實(shí)用化。進(jìn)入八十年 代詹，l e d 在發(fā)巍波長莛匿秘戇轆方覆大大挺舞，莠囂戇影成平板曼零爨幫 l l 攝示屏。 我國在l e d 領(lǐng)域的研究開發(fā)正作成績斐然。國內(nèi)l e d 鼴示屏發(fā)展主鼴經(jīng)歷 了蘭令酴獲：l 嬲年虢蔻l e d 最示器煞蔽長形成薅蘩。1 辨o - 1 9 9 5 年，這 一階段是l e d 顯示屏迅速發(fā)展的時期。 1 9 9 5 年以來，l e d 顯示屏應(yīng)用領(lǐng)域更 加廣闊，近年在全彩色l e d 、灰度視頻控制技術(shù)、集群無線控制、多綴群控技 零等秀瑟臻騫鶯蠹寵遞，遮羈鏊舔承乎贅技零褥產(chǎn)蒸壅瑗。鼗囂l e d 鬟零屏產(chǎn) 業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時，產(chǎn)品技術(shù)攤陳出新，一贏保持比較先避的水平。 l e d 顯示屏作為新一代的信息傳播媒體，b 經(jīng)成為了現(xiàn)代化信息城市建設(shè) 熬標(biāo)憊之一翔。凌譙績惠經(jīng)柱會翡發(fā)震遵程串簸具有意爻豹怒，大鬢幕纛零已經(jīng) 從展示公共信息等商業(yè)應(yīng)用開始向消費(fèi)多媒體領(lǐng)域的應(yīng)用滲透。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日 新月辯的發(fā)展，數(shù)字純多媒體內(nèi)容將在信息世爨中占據(jù)主流，新型的大群幕顯示 設(shè)備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)鬯魏墻成為人稍攀受信息和多髹律內(nèi)容的途徑。 l e d 顯示技術(shù)融經(jīng)日趨成熟，功能也越來越完善，屏體的文字顯示格式靈 活、內(nèi)褰豐富，主簧座魘在工業(yè)控秘、銀行誕券公司靜利率最示、交通廣告、體 育、暇療等，甚至大瑟廣場靜多媒體信息發(fā)布。髓著社會瓣發(fā)震，其應(yīng)用壤域?qū)?會越來越廣，顯示腮主要分為以下幾種： 按色彩：單色瓣f f l ：或綠) 、雙色羼( 紅秘綠) 、全彩爨( 紅、綠、藏) ； 撥環(huán)境：室內(nèi)嬲、室外羼； 按是否聯(lián)機(jī)：聯(lián)機(jī)屏、脫機(jī)屏； 1 4l e d 顯示屏存在的問題 隨著l e d 顯示披術(shù)的制造水平不斷提高，l e d 顯示屏運(yùn)用也越來越廣，顯示 效果墩越來越好，犬廄積、全天候、離亮度和趣高亮度顯示脬的技術(shù)也越來越成 熬。l e d 顯示技泰焱采親靜發(fā)震邋路上，薪按零將不舐采蘑，麓逵成本不鞭降羝， 生產(chǎn)分工不斷細(xì)化，但也同時暴鼴出很多缺陷，總體上說技術(shù)還沒真正成熟，還 s 有很多方面值得更深入的研究和改進(jìn)。 l e d 顯示屏朝著多彩色、高灰度等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，顯示效果也越來越好。 這些普通由市電供電的l e d 顯示屏的一個特點(diǎn)是無需考慮電源功耗問題，盡管可 以滿足大多數(shù)場合的需求，但同時也存在電能損耗過大的缺陷，主要表現(xiàn)為： ( 1 ) l e d 屏的亮度越高，色彩越豐富，在l e d 顯示屏體消耗的能量就越大。 現(xiàn)在世界處于能源短缺期，我國也大力提倡節(jié)能省耗，以犧牲能量來換取顯示效 果并不是一個良策。 ( 2 ) l e d 驅(qū)動電路所采用的大量驅(qū)動管，其管壓降普遍都比較大，所以在 有電流通過的時候有相當(dāng)一部分的電能是損耗在晶體管上，甚至在沒有電流通過 的時候也會損耗小部分的電能。 ( 3 ) l e d 顯示屏均采用陣列式布局，動態(tài)掃描顯示方式，皆通過電阻均流， 往往電阻上的壓降大于l e d 壓降，也即電阻上消耗的電能超過l e d 的功耗。 普通l e d 屏的電源是來自于常規(guī)市電，而l e d 比其他顯示裝置光效高小得多， 所以通常不需考慮降低功耗的問題。而本課題采用的是太陽能，一方面太陽電池 板的價格非常昂貴，太陽電池輸出的電流還需要經(jīng)過變流驅(qū)動才能正常使用，提 高轉(zhuǎn)換效率是太陽能l e d 顯示屏電源系統(tǒng)必須解決的問題；另外由于太陽能只有 在白天陽光充足的時候可以提供能源，而l e d 顯示屏是白天晚上都需要正常工作 的，所以在太陽能l e d 屏系統(tǒng)中還需加上蓄電池，把白天多余的能量存儲起來， 供晚上使用，而蓄電池的價格也是比較昂貴的。顯然，普通l e d 顯示屏的驅(qū)動方 式不適合用于本系統(tǒng)。 太陽能l e d 顯示屏除了由太陽電池供電外，與常規(guī)l e d 顯示屏相比在對l e d 的驅(qū)動技術(shù)上必須有革新，以減小電阻、功率管等附加元件的損耗。 1 5 本課題的主要任務(wù)和擬解決的問題 本課題需解決的問題有： ( 1 ) 合理選擇適合在室外顯示的高亮度l e d 點(diǎn)陣模塊，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要 求，依據(jù)電子電路知識設(shè)計(jì)l e d 信息屏的行、列驅(qū)動電路，并確定驅(qū)動電路中的 6 元件敞髯和參數(shù)。 ( 2 ) 鬟謗一耱藏效、嫠摹、實(shí)霜懿太輟邀涎最大磽辜跟蹤方法( 辨雌) 遵 行充電控制，并其肖蓄電池過篋、欠壓、過流保護(hù)，以及瀨度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?( 3 ) 設(shè)計(jì)l e d 驅(qū)動電源，滿足系統(tǒng)低電服、大電流的電源需求。 ( 4 ) 探索一耱籀墼瓣秘簿殘驅(qū)動方式，繇毫篷、沒蠢或減棗臻浚耄蓬， 以降低功耗；可根據(jù)環(huán)境亮度自動調(diào)整發(fā)光強(qiáng)度，進(jìn)一步降低功耗。 ( 5 ) 選擇合理的單片機(jī)控制芯片，并利用軟件控制的方式，對顯承屏文字 顯承秀式送器多攆識貔竣謗。 論文作者主要任務(wù)簡介： 凌閱了大量的資料，參與7 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)匿繞太陽能最大功黎跟蹤 ( 謝鞭) 算法，低蓮大毫藏耄源技零、l e d 獲先特毪浚愛班d 售惠瓣驅(qū)麓方 式展殲比較、分析、研究和開發(fā)，并探討了如何利用脈沖電源輸出高幅值窄脈沖 ( p w m ) 驅(qū)動方式以降低功耗和控制l e d 屏嬲度。論文對系統(tǒng)電源、l e d 信息 霉驅(qū)動電路贅疆鋒後詩，還有系統(tǒng)軟籜豹實(shí)麓釋徽7 洋纓敘述，最后銹稼完成毫 路系統(tǒng)，調(diào)試成功試驗(yàn)樣機(jī)。 7 第2 章太陽能l e d 顯示屏的總體方案 2 1系統(tǒng)酶總體設(shè)計(jì)分拼 2 1 1 系統(tǒng)功能需求 零諜題設(shè)計(jì)豹l e d 信息屏楚遴用于室外的，兜全由太陽魄漶供電豹l e d 點(diǎn) 陣顯示系統(tǒng)。主要的功能包括以下幾個方面： ( 1 ) 太陽電洼供魄、蓄電邀 太粥電沲最大功攀跟蹤( m p p t ) ，跟蹤電精檢濺太陽電漶電壓、電流；蓄 電池具有過充、過放保護(hù)，溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?( 2 ) 電源系統(tǒng) 蓍嘏翹直流通過d c d c 轉(zhuǎn)換墩路，分剮輸淺系統(tǒng)電源靜脈沖控捌毫源：系 統(tǒng)電源供給到l e d 信息屏上的主控單元，芯片，驅(qū)動管等；脈沖電源輸出到l e d 陣列，掇擺不嗣的日照強(qiáng)度( 逶過撿測太陽電泡電壓判斷) 改變黥肄電源的躲寰 調(diào)節(jié)信怠屏的亮度，節(jié)省能耗。 ( 2 ) 無日照連續(xù)正作時間 選攆會適戇蓄電滾類型及容量，按每天王終1 6 個夸酵的櫟壤，可以支持連 續(xù)西天陰雨天仍能芷常工作。 ( 3 ) 存儲信息量、顯示方式 存鼴一定量豹曼承痿愚( 主簧鞋孛囂籬傣漢字必蘭) ，越獄經(jīng)意選擇顯添矮 序：顯永方式的方式肖上移、左移、右移、突現(xiàn)等。 ( 5 ) l e d 信息屏驅(qū)動電路 驅(qū)動逛薅癸為孬輟麓寢殘驅(qū)動；瓣驅(qū)動受黌數(shù)簇蓼霞與羧擐鎂存，囂驅(qū)動臻 出高電平點(diǎn)亮相應(yīng)的杼，行驅(qū)動須肖足夠的電流驅(qū)動能力，箕犬小根據(jù)屏點(diǎn)數(shù)設(shè) 計(jì) ( 6 ) 其它功能 顯示屏帶有日歷芯片，可以設(shè)定年、月、日、時、分、秒，斷電仍能運(yùn)行； 遠(yuǎn)程手機(jī)短信設(shè)置命令與傳送數(shù)據(jù)。 2 1 2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu) 由以上的功能需求分析，提出太陽能l e d 信息屏的系統(tǒng)框架如下圖所示； 圖2 - - 1 無線l e d 框架圖示 此完整系統(tǒng)主要又分為主控模塊、電源模塊、顯示模塊、無線通信模塊四大 塊。本論文主要就電源部分和l e d 驅(qū)動電路及l(fā) e d 陣列顯示部分的功能進(jìn)行分 析和實(shí)現(xiàn)。 ( 1 ) 太陽電池、蓄電池 太陽電池是利用光伏效應(yīng)將太陽輻射的光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。太陽電池作 為一種直流電源有其自身的特殊性質(zhì)，為了更好的應(yīng)用太陽電池，了解太陽電池 的種種特性是必須的。另外根據(jù)系統(tǒng)對能量消耗的計(jì)算，選擇合適容量的蓄電池， 蓄電池應(yīng)具有過充、欠壓保護(hù)，溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?( 2 ) m p p t 充電控制 對太陽電池輸出電壓、電流檢測，分析并尋找一種太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤 9 ( m p p t ) 方法，提高太陽電池輸出能量的利用效率； ( 3 ) l e d 模塊功率計(jì)算 每塊模塊( 2 x 4 陣列、可顯示2 個漢字) 每行同時點(diǎn)亮的l e d 數(shù)最大為3 2 ， 每顆l e d 以2 0 m a 計(jì)算，那么最大的工作電流為：2 0 m a 3 2 = 6 4 0 m a 、最大功率為 0 6 4 x 2 v = 1 2 8 w ：但實(shí)際運(yùn)用中，一行全亮的幾率非常低，實(shí)際功率要小于這 個值。本系統(tǒng)需8 個模塊，一共可顯示2 x 8 = 1 6 個漢字。 ( 4 ) 字庫模塊 選用了集通公司的g t 2 0 l 芯片，用戶只要知道漢字的內(nèi)碼，就可以通過計(jì)算 公式計(jì)算出漢字在芯片中的地址，從而從該地址連續(xù)讀出點(diǎn)陣信息。其它模塊還 有日歷時鐘芯片，顯示緩沖存儲。 ( 5 ) 主控單片機(jī) 采用a t m e l 公司的a t m e g a l 6 ，它是一種采用精簡指令集的高速8 位單片機(jī)， 其特點(diǎn)是性能強(qiáng)、功耗低，而且集合了強(qiáng)大的非易失性可擦除存儲器，此單片機(jī) 自帶的存儲器足夠容納需要顯示的點(diǎn)陣信息，這樣就不必添加外部存儲器。 2 2 太陽電池及最大功率跟蹤方法 2 2 1 太陽電池工作原理f 1 3 1 4 l 太陽電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)太陽光照射時，薄片的另 一側(cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。太陽電池正是 一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對于半導(dǎo)體p n 結(jié)，光伏效 應(yīng)更明顯，因此，太陽電池都是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。下面以硅半導(dǎo)體為例，對太陽 電池的工作原理加以說明。當(dāng)n 型硅和p 型硅結(jié)合時，n 型區(qū)的電子擴(kuò)散到p 型區(qū)，p 型區(qū)的空穴擴(kuò)散到n 型區(qū)，此時，n 型帶正電，p 型帶負(fù)電，在硅半導(dǎo) 體內(nèi)部產(chǎn)生電場。當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體p - n 結(jié)上時，形成新的空穴一電子對， 在p n 結(jié)電場的作用下，空穴由n 型區(qū)流向p 型區(qū)，電子由p 型區(qū)流向n 型區(qū)， 0 當(dāng)接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽電池的工作原理，如圖2 2 所 示： 電子 空穴 丕盤哪戥 l ! 魚里q 竺受竺皇竺q 卜 l 太強(qiáng)斃拳囂髂囂冀 p 琶半導(dǎo)體 b 晶片贊太陽光照時電子每空穴的移動窮辯 p 型半導(dǎo)體 | e e e e e e e e e e e e e | 。囝。國囝。國 c 晶片受太陽光照以后電子從n 隧流出負(fù)電、 空穴從p 區(qū)流出正嗽 閏2 2 太陽電池工作原理 依獬太陽電池的工作原理，只要按照一定的規(guī)律把太陽電池單元進(jìn)行串、并 聯(lián)，裁霹戳獲褥飪?nèi)杪熟o太陽嚷漶壤終，滿足不同場合不羈瓣器求。 又根據(jù)太陽電池工作原理可以知道，由光照產(chǎn)生的電流與p n 結(jié)反向電流 方向相同。所以理想狀態(tài)下p - - n 結(jié)的太陽電池i - - v 特性如下式( 2 - - i ) 所示： m 唧c 爭t c z 叫 其中，厶為反向飽和電流，i 為p h i 結(jié)的電流，v 為外加電壓，q 是電子電荷 ( 1 6 x 1 0 。1 9 c ) ，k 是波爾茲曼常數(shù)( 1 3 8 x l o - a j k ) ；t 是絕對溫度( k ) 。而 實(shí)際上當(dāng)太陽電池受到陽光的時候，p - - n 結(jié)特性曲線會轉(zhuǎn)移，其特性曲線如圖 2 - - 3 所示，在下一節(jié)中將詳細(xì)介紹特性曲線。 圖2 3 太陽電池w 特性曲線 光伏陣列的i v 特性隨著日照的強(qiáng)度s 和電池溫度t 的變化而變化，等效 電路如圖2 4 所示，由于器件的瞬間響應(yīng)時間和大多數(shù)的光伏系統(tǒng)的時間常數(shù) 比較微不足道，因此結(jié)電容q 在光伏陣列的理論分析中可以忽略不計(jì)。參考等 效電路圖的電流、電壓方向，太陽電池的i v 方程： 薛5 il 亨： i步半_ ，p 圖2 4 太陽能電池等效電路圖 1 2 m 一厶 c x p 譬件警 其中； z - - - 光電流，a ； 厶反向飽和電流，a ； q 一一一電子電荷( 1 6 x l o - 1 9 c ) ； k 波耳茲曼常數(shù)( 1 3 8 x 1 0 - 2 3 j k ) ； t 絕對溫度，k ； a 二極管因子； 墨一一一串聯(lián)電阻，q ； 地一一一并聯(lián)電阻，q ； 2 2 2 太陽能陣列的特性曲線 太陽電池的w 特性是指在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽電池的輸出 電壓和輸出電流之間的關(guān)系。如圖2 5 所示。i v 特性曲線表明：太陽電池既 非恒壓源，也非恒流源，是一種非線性直流電源。輸出電流在大部分工作電壓范 圍內(nèi)相對恒定，最終在一個足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。曲線中的每 一點(diǎn)都唯一對應(yīng)太陽電池在該一工作電壓下的輸出功率，表示對應(yīng)于該日照 強(qiáng)度和環(huán)境溫度下的太陽電池所能輸出的最大功率，璣和l 則表示太陽電池輸 出最大功率時所對應(yīng)的工作點(diǎn)電壓和電流。也就是說，在一定的溫度和日照強(qiáng)度 下，太陽電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)太陽電池工作在該點(diǎn)時，能輸出當(dāng)前溫 度和日照條件下的最大功率在最大功率點(diǎn)左側(cè)，太陽電池的輸出功率隨著工作 點(diǎn)電壓的增加而增大；在最大功率點(diǎn)右側(cè)，太陽電池的輸出功率隨著工作點(diǎn)電壓 的增加而減小。 其中光伏陣列的i v 特性曲線( 圖2 3 ) 包含了幾個重要參數(shù)： ( 1 ) 短路電流( k ) ：為給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流 ( 2 ) 開路電壓( k ) ：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出f g e , ( 3 ) 最大功率點(diǎn)電流( ) ：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大功率點(diǎn)電流 ( 4 ) 最大功率點(diǎn)電壓( 圪) ：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大功率點(diǎn)電壓 ( 5 ) 最大功率點(diǎn)功率( 只) ：在給定日照強(qiáng)度和溫度下陣列可能輸出的最 大功率，其中己= 圪 圖2 5 a 和圖2 5 b 為太陽電池分別在溫度和日照強(qiáng)度變化的情況下p v 特 性曲線，從圖中可以看出，太陽電池的輸出功率受日照強(qiáng)度、電池溫度等因素的 影響。當(dāng)電池溫度增加時，太陽電池的開路電壓下降，短路電流略有增加，最大 輸出功率減小；當(dāng)日照強(qiáng)度增加時，太陽電池的開路電壓變化不大，短路電流則 顯著增加，最大輸出功率增加。 ( 8 ) 瀣度變化時( b ) b 爨強(qiáng)度變純時 圖2 5 太陽電池p v 特性曲線 2 2 3 太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤原理及算法 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，若要提高整個系統(tǒng)的效率必須要提高太陽電池的 輸出功率的轉(zhuǎn)換效率然而，由2 2 1 節(jié)與2 2 2 節(jié)的分折可以知道，太陽電池的 i v 特性具有非線性，并且它隨著外界環(huán)境( 溫度、日照強(qiáng)度) 的變化而變化 但是，在某一特定的溫度或日照強(qiáng)度總存在著一個最大功率點(diǎn)，因此，太陽電池 最大功率點(diǎn)跟蹤的研究就是使系統(tǒng)總能工作在太陽電池輸出功率最大點(diǎn)或其附 近。 下圖2 6 是太陽能電池對應(yīng)不同日照情況的i v 及負(fù)載特性曲線。從圖中 可以看出，由于負(fù)載特性曲線l 與太陽電池伏安特性曲線的交點(diǎn)a ，b ，c ，d ，e 所對應(yīng)的工作點(diǎn)，并未落在太陽電池所能提供的最大功率點(diǎn)a ，b ，d ，d ，f ， 處，這就不能充分利用在當(dāng)前條件下太陽電池所能提供的最大功率。因此，必須 在太陽電池和負(fù)載之間加入阻抗變換器，使得變換后的工作點(diǎn)正好和太陽電池的 最大功率點(diǎn)重合，使太陽電池以最大功率輸出，這就是太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤 的原理”1 1 ( a ) o 圖2 - - 6 不同日照太陽電池i v 特性曲線 人們最早對最大功率點(diǎn)跟蹤( m p p t ) 的研究是將多個太陽電池按照不同的 并聯(lián)和串聯(lián)方式組合起來，在特定的外界環(huán)境和負(fù)載的情況下，通過改變太陽電 池的捧列方式，可以達(dá)到較大功率( 接近最大功率點(diǎn)) 的輸出隨后出現(xiàn)兩種基本 的m p p t 研究方法：擾動觀察法0 e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o n ；p & o ) 和電導(dǎo)增量法 ( i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c ea l g o r i t h m ；i n c ) ，其中，擾動觀察法的結(jié)構(gòu)簡單、被測 參數(shù)少，而電導(dǎo)增量法在外界環(huán)境發(fā)生迅速變化時，其動態(tài)性能和跟蹤特性方面 比擾動觀察法好。 隨著數(shù)字處理器的產(chǎn)生，m p p t 控制變得更方便、快捷。最常見的幾種m p p t 控制方法有：定電壓跟蹤法( c v t ) 、擾動觀察法( p e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o n , p & o ) 、增量電導(dǎo)法( i n c r e m e n t a le o n d u c t a a e e ) 、三點(diǎn)權(quán)位比較法等【1 7 】【l | 】【1 9 1 1 “， 下面分別作介紹： ( 1 ) 定電壓跟蹤法( c o n s t a n tv o l t a g et r a c k i n g , c v t ) 通過分析不同日照強(qiáng)度下太陽電池的輸出功率可以知道，當(dāng)日照強(qiáng)度較高 時，最大功率點(diǎn)幾乎分布在一條垂直線的兩側(cè)，因此，可以將太陽電池的最大功 率輸出點(diǎn)看作是針對某一個恒定電壓輸出，我們只需要將太陽電池的輸出電壓鉗 位于此恒定電壓匕即可。 c v t 控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好、容易實(shí)現(xiàn)等。缺 點(diǎn)是這種跟蹤方式忽略了溫度對太陽電池開路電壓的影響，所以控制精度差( 環(huán) 境溫度升高l o c 時，太陽電池的開路電壓下降0 3 4 1 4 5 ) 。 ( 2 ) 擾動觀測法( p o ) 擾動觀察法是目前實(shí)現(xiàn)m p p t 常用的方法，也是本系統(tǒng)采用的跟蹤方法， 它通過不斷擾動太陽能光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)電壓來尋找最大功率點(diǎn)的方向。其原理 是通過對太陽電池電壓、電流的檢測，得到太陽電池的輸出功率，再將此功率與 前一時刻的記憶功率比較，從而確定電壓的變化方向。如果當(dāng)前輸出功率與前一 時刻的記憶功率之差a p 0 ，那么就可以確定參考電壓變化方向是正確的，繼續(xù) 按原來的方向變化；如果a p 0 ， 即齋 一吉，說明參考電壓應(yīng)向著增大的方向變化 2 、同理，假設(shè)當(dāng)前的太陽電池的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的右側(cè)時，此時有 堡d u 。，即 一百i ，說明參考電壓應(yīng)向著減小的方向變化。 3 、假設(shè)當(dāng)前太陽電池的工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)處( 附近) ，此時將有d 焉p = o ， a l ， 此時參考電壓將保持不變，也即太陽電池已工作在最大功率點(diǎn)上。 理論上這種方法比擾動觀察法好，因?yàn)樗谙乱粫r刻的變化方向完全取決于 在該時刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時刻的工作點(diǎn)電 壓以及功率的大小無關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度地快速變化，其控制精度較高， 但是由于其中和a u 的量值很小，這樣就要求傳感器的精度要求很高，實(shí)現(xiàn)起 來相對比較困難。 ( 4 ) 三點(diǎn)權(quán)位比較法 在擾動觀察法基本設(shè)計(jì)思想中是兩點(diǎn)比較，即日前的工作點(diǎn)與上一個工作點(diǎn) 比較，判斷功率的變化從而決定工作電壓的移動方向，除了造成比較多的擾動損 失之外，還可能發(fā)生擾動法中提到的。誤判”因此，針對太陽日照量并不會快 速變化的特點(diǎn)。多余的擾動可能帶來較多的損失這里提出的三點(diǎn)權(quán)位比較法， 可在日照量快速變化時隨著快速移動工作點(diǎn)( 可能只是干擾或者判讀錯誤) ，而 是在日照量比較穩(wěn)定時候再跟蹤到最大功率點(diǎn)，以較少擾動損失。原理如下所述： 考慮太陽電池p - v 特性曲線，在曲線頂點(diǎn)附近任意取三點(diǎn)不同位置，所得 到的結(jié)果可分為圖2 - 9 所列五種情況設(shè)定一個比較符號的運(yùn)算變量t a g ，c 點(diǎn)與b 點(diǎn)比較，若比b 點(diǎn)為大或相等，t a g = l ；若比b 點(diǎn)小，t a g = 1 ；而a 點(diǎn) 與b 點(diǎn)相比時情況略有不同，當(dāng)a 點(diǎn)比b 點(diǎn)大或相等時，t a g = 1 la 點(diǎn)比b 點(diǎn) 小時，t a g - = 1 當(dāng)三點(diǎn)比較完之后，t a g = 2 ，t 作電壓擾動量d 值應(yīng)往右邊移動； 而t a g = - 2 ，d 值應(yīng)往左邊移動；當(dāng)t a g - - - 0 即表示到達(dá)頂點(diǎn)，d 值將不改變。 a 曠a c 弋c 三n ca 廠、三 圖2 - - 9 最大功率點(diǎn)附近可能出現(xiàn)的狀況 在b 和c 三點(diǎn)功率的檢測上，先讀取b 點(diǎn)功率為立足點(diǎn)，增加一a d 讀 取c 點(diǎn)功率，再減少兩倍a d 讀取功率值當(dāng)作a 點(diǎn)連續(xù)檢測三點(diǎn)功率值后再比 較大小計(jì)算權(quán)位值，由權(quán)位值來判定立足點(diǎn)應(yīng)往c 點(diǎn)移動、a 點(diǎn)移動或不移動。 但當(dāng)太陽日照強(qiáng)度正在變化時，擾動d 值我們所得到b ，c 二點(diǎn)的位置與t a g 值和圖2 - - 9 有所不同；如圖2 一l o 所示： a b 圖2 - - 1 0 三點(diǎn)權(quán)位比較法中其它情況 由上圖2 一l o 可知，三種排列方式在日照強(qiáng)度快速變化時候可能出現(xiàn)，但 t a g 值都為零，也就是說工作點(diǎn)并不會變化。 ( 5 ) 間歇掃描法( i n t e r m i s s i o ns c a n n i n g ) 1 9 間歇掃描法實(shí)現(xiàn)m p p t 的原理趄讓系統(tǒng)定時地工作在一段電壓范圍內(nèi)( 通常 是0 5 - 0 9 薅懿囂路懿駐，運(yùn)錄下苓露王終電垂_ j c 霪應(yīng)瓣轅窶功攀，經(jīng)過謗箋、斃 較，從黼確定這個范嗣內(nèi)盼最大功帛點(diǎn)。這個方滋不需要不停地搜索，只要定時 地重復(fù)遮一過程即可，但它不能及時有效地跟蹤最大功率點(diǎn)，對單片機(jī)的計(jì)算能 力要求較湊。 2 3 蓄電池的特性及選型 2 。3 。1 蓍電池的容量 蓄電池的容量就怒蓄電池的蓄電能力。當(dāng)蓄電池以恒定的電流放電時，它的 容量( 纂霞a 1 1 ) 等予放毫邀滾( a ) 與其摶續(xù)辯溺睡) 躬桊羧；q = i t 。 蓄魄池容量分為攥論容量、實(shí)際容量和額定容量：理論容激是根據(jù)活性物質(zhì) 的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得到的最高值；實(shí)際容最是指蓄電池在一定條件下能 籍毽瓣彀藿，它低予壤論容量；鬏建容量( c ) 一般搭靜是鑫常溫( 2 0 2 5 。c ) 時，充滿其容量，擱鬣2 4 小時之厝，以1 0 ( 2 0 ) 小時放電率戲0 i c ( o 0 5 c ) 電流數(shù)傻瓣電流放毫歪終止電壓( 1 7 5 一1 8 v ) 灝轅出豹容量f ”“。 蓄嗷池的放電速度會影響到電淑的端電壓以及放電時間。放電率是指將瞽電 池的額定容量在一定時間內(nèi)輸出所需的電流值，如額定容量為5 0 0 a h 的譽(yù)電池 獲5 ，l 、孵戇藏電率教魄，臻么藏憊孵闋秀2 0 0 5 = 4 0 a ，塑裁憊5 夸囂放電率熬毫 流為4 0 a ，這時候放電率就用c 襲示。 其中充電時候的端電壓為：u = e + a c l + a 絨+ 皿 放電對的端電疆為：u = e - a p + + 純一三r ( 2 - 6 ) 式中【，：蓄電池端電壓( v ) ； 矗鯁：芷撮蔽越壤勢( v ) ； a 啦：負(fù)極板超電勢( v ) ； l ；兗、藏毫電流c a ) ； r ；蓄電池內(nèi)阻( q ) 2 3 2 蓄電池的選用 奉系統(tǒng)中的儲蘸裝置蓄電池將太陽電池輸出的電能存儲熊來，以供l e d 信 息屏系統(tǒng)使用。能島太陽電池配套使用的蓄電姚種類很多，目前廣泛采用的是普 逶銹羧蘩耄逶、凳維護(hù)鐐酸蓄毫滾、i 囊毪鐮鑷蘩窀渣囂毽毫浚等。銹酸藿壤港羚 格便擻、高低溫性能良好( 可在一4 0 6 0 0 c 的條件下工作) 堿性鎳鎘蓄電池雖 然有較好的低溫、過態(tài)、過放性熊，但是由于焚價格贏，僅粥乎較為特殊的場合。 毽電涎性能氌魄較好，囂亙俸較小，夔是徐嵇簍翅磊責(zé)。簸魏髓和節(jié)約藏零囂令 因素考慮，本系統(tǒng)中選用免維護(hù)鉛酸蓄電池 鍛蔽蓄電池的艨用非常廣泛，如機(jī)車牽弓l 、鐵路客車用、內(nèi)燃機(jī)用、電動車 羯、獷燈薅，靛標(biāo)鞠等等。 鏘酸電池未接負(fù)載時，正負(fù)極都與電解液形成雙電層：嘏極板具有藏電位， 負(fù)極擻具有負(fù)電位，正受極聞的電位差就是罄電濁的電動勢。電解液的比黧決定 了蓄魄泡的毫動勢，一觳可報豢下述經(jīng)驗(yàn)公式詩算： 囂一0 s 5 + d 0 5 。c ) ( 2 7 ) 其中，矗丞5 。o 襲承褒l 穸c 隧，狻援活往耱矮為窆孛電瑟滾豹魄重，0 8 5 怒錘酸 蓄電池的電動勢常數(shù)。 鬻電池充電過稷的化學(xué)反應(yīng)為： 嘲+ 印+ 城哼嘲+ 避鼢+ 鰳 f 2 8 ) 芷極水負(fù)極正極硫酸負(fù)極 、 7 從上式可以蓉嗽，充電過穰是正極上的硫酸鉛嗍逐漸變成= 糕化鏹 p b 0 2 ，負(fù)極上豹硫酸鉛逐漸變成海綿狀p b ，i 弼時，電解液中的硫酸分子逐漸增 加，水分子逐漸減少，因此電解液的比重逐漸增加，蓄電池的端電壓逐漸增加。 蓄電池放電過程的化學(xué)反應(yīng)為： 囂i f _ + 警箍斗詈i f _ + 2 纂。囂 仁9 ， 極硫酸負(fù)極極水負(fù)極 、 從上式可以看出，在蓄電池放電過程中，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)p 6 d 2 和p 6 都不斷轉(zhuǎn)變成硫酸鉛p b s o , 。，由于硫酸鉛的導(dǎo)電性能比較差，所以放電后，蓄電 池內(nèi)阻增加。此外，由于在放電過程中電解液的硫酸逐漸變成水，所以電解液的 比重逐漸下降。這樣，也使蓄電池的內(nèi)阻增加，電動勢降低【2 l l 阱i 。 2 3 3 鉛酸蓄電池的充放電特性 在使用鉛酸蓄電池的過程中，最關(guān)心的時它的充放電曲線和額定容量，首先 先看一下鉛酸蓄電池的充放電曲線m 拼i ，如圖2 一l l 所示： 圖2 一1 1 鉛酸蓄電池的充放電曲線 從圖可以看出，在充電的初期o a ，由于硫酸鉛轉(zhuǎn)換為二氧化鉛和絨狀鉛， 并有硫酸生成，因而活性物質(zhì)表面硫酸濃度迅速增大，電池端電壓急劇上升。當(dāng) 達(dá)到a 點(diǎn)時，由于擴(kuò)散作用，活性物質(zhì)表面及硫酸濃度不再急劇上升，電池端 電壓上升比較緩慢( a b c 段) 。隨著充電的進(jìn)行，逐漸接近電化學(xué)反應(yīng)的終點(diǎn)( c 點(diǎn)) 。當(dāng)極板上所存硫酸鉛不多，通過硫酸鉛的融解提供電化學(xué)氧化和還原所需 要尸西2 + 極度缺乏時，反應(yīng)的極化增加，在正極上的副反應(yīng)，即析氧過程大約在 輸入電嫩7 0 時優(yōu)先發(fā)生，反皮方程為2 焉d + 鈿= 4 h + + 0 2 ，充電曲線上端電 篷疆顯爝麓。奎兗入奄量運(yùn)粥馘蓐，受援上耱舔反痘，瓣褥鏨遵程笈黧，這 時電池的端電壓接避滿度，兩極上柯大量的氣體析出，進(jìn)行水的電解過稷，端電 壓又達(dá)捌一個耨鰓穩(wěn)定值，正常錈撼下該恒定壤約海2 6 璣 敦壤之蘸，驤酸濃度幫較投藩蘢俸落i 褰濃凌籜羈，毫滾瓣舞路毫垂萼鼗濃度 相對腥放電一開始，活性物質(zhì)襲蕊的硫酸被消耗，硫酸濃度贏即下降，而硫酸 主體溶液愈電極表賦鶼擴(kuò)教是緩慢盼，不能立幫猻償漕耗豹虢酸，所以滔瞧妨震 表囂靜蕊酸滾囊壤續(xù)下終，囂決奄奄稷毫動勢大小魏是活羧