一種戶外旅行應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)

林麗萍 駱婷 王吟舟 方華 孫祥琨

【摘?要】提出了在戶外能夠容易實(shí)現(xiàn)的采用多種源輸入應(yīng)急電源設(shè)計(jì)方案，用戶可以根據(jù)戶外現(xiàn)場(chǎng)條件，靈活選擇手搖發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池板或車載蓄電池，經(jīng)過DCDC變換獲得DC5V電源，通過DCAC逆變，獲得AC220V電源，供在戶外旅行時(shí)的電子產(chǎn)品應(yīng)急充電、照明以及交流應(yīng)急供電等功能。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)急電源、DC/DC變換、逆變

引言

根據(jù)發(fā)改綜合[2020]1565號(hào)文件《關(guān)于印發(fā)近期擴(kuò)內(nèi)需促消費(fèi)的工作方案》的通知要求[1]，14部委聯(lián)合發(fā)布了戶外旅行應(yīng)急物資儲(chǔ)備建議清單，其中將應(yīng)急電源列為必備物資之一。目前市場(chǎng)上多數(shù)便攜電源，存在發(fā)電方式單一，受環(huán)境條件制約等不足。如在我國(guó)青海、甘肅、西藏使用廣泛的家庭太陽能電源，嚴(yán)重受制于氣候條件，惡劣天氣或照度不好時(shí)發(fā)電量會(huì)下降很多[2]。采用手搖發(fā)電機(jī)或者腳踏發(fā)電機(jī)發(fā)電可以滿足短時(shí)間小容量供電要求，長(zhǎng)時(shí)間供電則取決于體力因素。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)一種多源輸入選擇型的家用應(yīng)急電源設(shè)備[2-3]，用戶可以根據(jù)自身及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件自主選擇發(fā)電方式，實(shí)現(xiàn)的小容量電能儲(chǔ)存和交直流供電功能。

1?設(shè)計(jì)思路及基本方案

整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

戶外旅行環(huán)境，能夠取得的能源主要是太陽能、風(fēng)力、水流、人力還有駕駛車輛自身的電力。輸出主要考慮USB 5V輸出和交流220V輸出，因此使用時(shí)根據(jù)環(huán)境條件，選擇合適的來源，徒步時(shí)當(dāng)陽光照度好的時(shí)候，采用太陽能電池板發(fā)電，陰天選擇手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電或者風(fēng)力發(fā)電，駕駛車輛時(shí)也可采用車輛點(diǎn)煙器給應(yīng)急電源供電。選擇采用18650電池組構(gòu)成12V蓄能單元，通過DC/DC轉(zhuǎn)換，獲得5V直流和12V直流，分別供USB接口輸出和逆變器輸入。通過ACDC逆變獲得AC220V交流，提供220V交流應(yīng)急使用。

2 主要發(fā)電（供電）設(shè)備簡(jiǎn)介

（1）太陽能電池板：

采用單晶硅薄膜太陽能板，輸出電壓15V，最大功率100W。使用簡(jiǎn)單，白天對(duì)光照要求較高。

（2）手搖發(fā)電機(jī)：

采用稀土強(qiáng)磁手搖發(fā)電機(jī)，手搖速度16轉(zhuǎn)/分-50轉(zhuǎn)/分時(shí)，輸出電壓范圍為7V-21V，功率3W-30W。隨時(shí)可以使用，但是必須人力驅(qū)動(dòng)。

（3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)：

采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，輸出電壓1-22V，輸出功率最大25W。需要風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，風(fēng)力太小無法驅(qū)動(dòng)。

（4）車輛點(diǎn)煙器：

輸出12V直流，最大電流為30A。

3?DC/DC電壓變換電路

由于不同類型的發(fā)電方式其輸出電壓受環(huán)境條件影響，電壓幅值變換較大，因此，需要設(shè)計(jì)DC/DC變換電路，將系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為12V，該DC/DC變換器的電路如圖2所示。

該電路核心為FP5139寬電壓電源升壓直流電源變換器芯片[4]，可以將9-24V寬范圍直流變換穩(wěn)定到12V直流輸出。

4?DC/AC逆變電路

設(shè)計(jì)逆變電路主要考慮到旅行電源的功率較小，因此選用CW3523A作為逆變控制元件[3，5-6]。CW3525A是一款采用脈寬調(diào)制型的開關(guān)電源芯片，可以輸出30W的交流功率，功率可以再次擴(kuò)展，輸出電壓頻率為2kHz，基本可以滿足常規(guī)使用。具體電路如圖3所示。

5?USB輸出電路

采用LM317L作為主控芯片[7]，該芯片為目前使用較為廣泛的電源芯片之一，具有寬輸入范圍（1.25v-37v），輸入輸出壓差范圍達(dá)到3-40V。

USB輸出的具體電路如圖4所示。

6、調(diào)試結(jié)果及結(jié)論

太陽能板電池和手搖發(fā)電機(jī)輸出電壓波動(dòng)較大，其中太陽能板輸出電壓范圍為4.3～13.1V，手搖發(fā)電機(jī)輸出電壓范圍為6.8～23.5V范圍，經(jīng)過電壓變換電路FP5139控制調(diào)整，電壓可以穩(wěn)定在11.5V-12.1V之間。蓄電池輸出的12V直流再經(jīng)過CW3525A逆變，可以獲得頻率為2kHz左右的220交流。

該應(yīng)急電源在戶外旅行時(shí)，太陽能電池板在日照較好的情況下，基本可以完成手機(jī)充電、短時(shí)間照明、筆記本電腦供電功能。光線差則無法工作。手搖發(fā)電機(jī)不受外界環(huán)境條件影響，可以提供大約30W左右的功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速大于三級(jí)時(shí)，可以連續(xù)提供10W左右電功率。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)于印發(fā)《近期擴(kuò)內(nèi)需促消費(fèi)的工作方案》的通知，https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202010/t20201029_1249273.html

[2]傅金洲，孫鳴.基于氣候條件的光伏儲(chǔ)能一體發(fā)電系統(tǒng)的能量管理策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2018，46（24）：142-149.

[3]王澤平，王旭柱.基于FP5139的可調(diào)節(jié)電壓源適配器[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（11）：32-33.

[4]王明澤，李蔚，郭維波，丁向榮.自適應(yīng)寬范圍直流輸入逆變電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)，2020，44（11）：1675-1678.

作者簡(jiǎn)介：

林麗萍，1998.2.6，廣西北海人，桂林航天工業(yè)學(xué)院能源與建筑環(huán)境學(xué)院學(xué)生，研究方向新能源發(fā)電技術(shù)。

駱婷，1999.8.26，廣西融安人，桂林航天工業(yè)學(xué)院能源與建筑環(huán)境學(xué)院學(xué)生，研究方向太陽能發(fā)電。

王吟舟，2000.8.30，河北唐山人，桂林航天工業(yè)學(xué)院能源與建筑環(huán)境學(xué)院學(xué)生，研究方向電力電子。

方華，1999.2.25，廣西橫縣人，桂林航天工業(yè)學(xué)院能源與建筑環(huán)境學(xué)院學(xué)生，研究方向自動(dòng)控制。

孫祥琨，1999.10.12，山東煙臺(tái)人，林航天工業(yè)學(xué)院能源與建筑環(huán)境學(xué)院學(xué)

致謝：本項(xiàng)目得到國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：201911825015）

（作者單位：桂林航天工業(yè)學(xué)院）