多功能太陽能移動電源的研制

谷建寧，張麗萍，伊陳雪，黃 波

(臺州職業技術學院 電氣信息學院，浙江 臺州 318000)

多功能太陽能移動電源的研制

谷建寧，張麗萍，伊陳雪，黃 波

(臺州職業技術學院 電氣信息學院，浙江 臺州 318000)

在戶外，為解決數碼產品續航/待機問題，設計一款多功能太陽能移動電源，使用典型芯片和常用元件設計控制電路，將太陽能充電和手搖充電合為一體。單晶硅太陽能PV板將光能轉換為電能，經直-直流變換電路，在標準USB口輸出DC 5 V，實現太陽能充電。手搖發電機將機械能轉換為電能，經交-直流變換電路后穩壓輸出，實現手搖充電。選用LM2575代替傳統三端集成穩壓芯片設計穩壓電路，經過電路調試和實驗，太陽能和手搖模塊均可供手機及其他5 V數碼產品充電，充電可靠，成本低，體積小，另外增加照明和電量指示等輔助功能，更加實用。

太陽能；移動電源；手搖；LM2575

目前智能手機和MP3/P4、PAD等各種便攜消費類電子產品的普及發展使得人們的生活進入了電子時代，移動數碼產品的發展趨勢一是外觀追求小型化，二是功能追求多樣化。外觀小型化必然要減小電池體積即容量；功能多樣化，會加速電池能量的消耗，大幅度縮短移動設備的工作時間，在未來相當長的時間內，要大幅度提高電池容量是很難實現的。因此，如何隨時隨地為移動數碼產品充電、供電，解決數碼產品續航/待機問題，是目前和未來移動數碼產品用戶所面臨的最大問題。

在戶外，移動電源是移動數碼產品最常用的充電設備，隨身攜帶很方便，但是一旦移動電源沒電了，還是得到處尋找插座來充電，如何讓移動電源擺脫插座？太陽能移動電源應運而生，將移動電源放在太陽光下直射即可進行充電，做到“有光就有電”[1-2]。本文設計多功能太陽能移動電源，不僅利用太陽能充電，還提供手搖充電功能，做到“有光無光都有電”，設計采用低功耗的原件更加環保節能，符合國家提倡的低碳節能生活。

1 系統組成

本文設計系統框圖如圖1所示。系統由太陽能板、12 V手搖發電機、鋰電池、充放電控制電路、剩余電量指示電路、LED照明電路組成，充電方式多樣，可用太陽能和手搖兩種方式給外接設備充電，滿足各種環境下充電需要。

圖1 多功能太陽能移動電源組成框圖Fig.1 Block diagram of multifunctional solar mobile power supply

移動電源表面覆蓋一塊單晶硅太陽能板，下面有充電控制器、蓄電池等[3]。太陽能PV板將光能轉化為電能，為鋰電池充電，本產品采用大小為14.5 cm*9.5 cm的單晶硅太陽能板，經測試輸出電壓6 V至9 V，功率1 W。太陽能板經防反二極管與鋰電池相接，防反二極管防止鋰電池反向放電，鋰電池儲電電壓經穩壓電路穩壓后在標準USB口輸出DC 5 V。手搖式充電是將機械能轉化為電能的一種方式，在沒有光照的環境下提供充電電源，手搖柄采用可折疊形式，收起后緊貼外殼不增加太陽能移動電源體積。此外，設計照明和剩余電量指示功能，使本項目更加實用。

2 電路設計

2.1 太陽能充電功能

本設計選用單晶硅太陽能板，以高純的單晶硅棒為原料的太陽能電池是當前開發得最快的一種太陽能電池，具有電池轉換效率高，穩定性好等優點[4]。儲電單元選用鋰電池[5]，穩壓電路選用美國國家半導體公司生產的1 A集成穩壓電路LM2575，替代傳統三端式穩壓集成電路，它內部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩壓電路，在大多數情況下不需散熱片；內部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等。設計電路原理圖如圖2所示。

根據充電設備需要，在100～1 000 mA之間自動調節輸出電流，自動檢測手機電池的內阻，調節適當電流，讓手機內阻高的電池，適當的減輕，達到延遲電池壽命的效果。

圖2 太陽能充電電路Fig.2 Solar charging circuit

2.2 手搖充電功能

在移動電源上有一個可折疊手搖柄，連接一個小的發電機，通過齒輪轉動帶動電機轉子做磁力切割產生交流電，經示波器測試，本設計選用的手搖發電機產生交流電峰-峰值10 V左右，交流電通過交-直流變換后得到一個穩定的直流電壓。交-直流變換即整流濾波穩壓電路，利用二極管半波整流，電容濾波，穩壓管穩壓和三極管放大電流，經實驗達到充電要求，設計電路如圖3所示。

圖3 手搖充電電路Fig.3 Manual charging circuit

2.3 輔助功能

高亮LED照明電路，取出LM2575穩壓電路輸出的+5 V直流電壓，為高亮LED燈供電。剩余電量指示電路主要使用升壓芯片和電壓比較器設計[6]，從鋰電池采樣的電壓值經由MC34063升壓芯片升壓產生+12 V電壓，12 V電壓經電阻分壓得到基準電壓，作為電壓比較器一路輸入，另外一路輸入為鋰電池采樣電壓值，比較電路設計如圖4所示，電壓比較器比較兩路電壓，輸出高、低電平，控制LED亮滅，以LED電量指示燈點亮個數來判斷鋰電池剩余電量。

3 實驗結果

本項目設計電路經過實際調試，各功能均達到要求，太陽能光伏板實際輸出電壓波形如圖5所示。手搖發電以每秒三圈的速度搖動手搖柄，搖動2分鐘即可產生足以讓手機待機6分鐘的電量，搖動10分鐘則可以讓手機待機26分鐘，手搖發電機輸出交流電壓峰峰值10 V波形如圖6，交-直流變換電路實際輸出直流電壓波形如圖7，穩壓電路實際輸出充電電壓波形如圖8，電壓值5.05 V。

圖4 比較電路Fig.4 Comparator circuit

圖5 太陽能板實際輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveform of solar panels

圖6 手搖發電機輸出交流電壓波形Fig.6 Output AC voltage waveform of hand generator

圖7 交直流變換后實際輸出電壓波形Fig.7 Output voltage waveform of AC/DC converter

圖8 LM2575穩壓后實際輸出電壓波形Fig.8 Output voltage waveform of LM2575 regulator

4 結論

目前市場上早已有了太陽能充電及手搖充電，但將兩者結合在一起的產品并不常見，很多廠家出于成本考慮，都會選擇單一的充電功能，本設計將兩種環保充電方式巧妙地結合在一起，出于戶外考慮，真正做到永不斷電。而且附加了LED照明，也可以根據戶外需求增加其他附加功能，提高產品價值。隨著人們對能源需求的不斷增長，太陽能是取之不盡、用之不息的清潔能源之一，更適合戶外應急使用，移動電源產品未來的市場潛量很大，但尚處于進入市場的導入期。一旦市場被啟動，成長速度會很快，立即會進入高速成長期，在各國政府的政策推動下，特別是新興市場的推動，環保移動電源產品市場前景廣闊。

[1]黃盼盼,孫榮霞,王靜.便攜式太陽能多功能電源設計及測試[J].電子測量技術，2012,35（5）：16-18.

HUANG Pan-pan,SUN Rong-xia,WANG Jing.Design and test of portable solar multi-function power[J].Electronic Measurement Technology,2012,35(5):16-18.

[2]林紅,李鑫,劉憶翥,等.太陽能電池發展的新概念和新方向[J].稀有金屬材料與工程,2009（38z2）：722-725.

LIN Hong,LI Xin,LIU Yi-zhu,et al.New concepts and new directions on the development of solar cell[J].Real Metal Materials and Engineering,2009(38z2):722-725.

[3]李勇峰,王小朋,黃娟,等.多功能太陽能移動電源箱的設計與實現[J].現代電子技術，2013,36（18）：157-159.

LI Yong-feng,WANG Xiao-peng,HUANG Juan,et al.Design and implementation of solar multifunctional mobile power box[J].Modern Electronics Technique,2013,36(18)：157-159.

[4]郭凱龍.單晶硅太陽電池制備與環境保護[J].建材發展導向(下),2013（6）：362.

GUO Kai-long.Monocrystalline silicon solar cell preparation and environmental protection [J].Development Guide to Building Materials,2013(6):362.

[5]陳維,沈輝.太陽能光伏應用中的蓄電池研究 [J].電池，2006,36（1）：67-68.

CHEN Wei,SHEN Hui.Application research of storage batteries in photovoltaic system [J].Battery Bimonthly,2006,36(1):67-68.

[6]潘海燕.電子技術基礎[M].北京：電子工業出版社，2011.

Research and development of a multifunctional solar mobile power supply

GU Jian-ning,ZHANG Li-ping,YI Chen-xue,HUANG Bo
(Institute of Electrical Information,Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000,China)

In order to solve the digital product range/standby problem in the open air,a multifunctional solar mobile power supply based on typical chips and common components was designed.It combined solar charging with manual charging.The monocrystalline silicon solar PV panels converts light energy into electrical,then DC-DC conversion circuit output DC 5 V at standard USB,solar charging has been realized.Hand generator converts mechanical energy to electrical,?after AC-DC conversion circuit generates voltage,manual charging has been realized.LM2575 chip instead of traditional three-terminal voltage chip,through circuit debugging and experiment,the solar and hand modules are available for mobile phones and other 5 V digital products,charging reliable,low cost,small size and more practical with the additional auxiliary functions such as lighting and power indicator.

solar;mobile power supply;manual charging;LM2575

TN702

A

1674-6236（2014）13-0165-03

2014-01-22 稿件編號：201401162

臺州職業技術學院大學生科技創新項目(2013DKC05)

谷建寧（1995—），男，浙江寧波人。研究方向：應用電子技術。