太陽能移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

趙靜

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東松山,512123)

0 前言

太陽能是一種新型能源，具有很多優(yōu)點(diǎn)：清潔無污染、開發(fā)方便、無需運(yùn)輸、取之不盡等優(yōu)點(diǎn)[1]。近幾年來，國家越來越重視環(huán)境污染和能源過渡開采等問題，太陽能與其它能源相比較清潔，在利用太陽光時(shí)不會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣等污染性的物質(zhì)，因此選擇利用太陽能來解決現(xiàn)存能源不足的問題。由于每一個(gè)太陽能片的電流太小，不能滿足人們的需求，所以為了得到大的電流，我們通常會(huì)把太陽能片并聯(lián)起來獲得大的電流；或者為了得到大的電壓，將它們串聯(lián)起來。太陽能板可以把它表面接受到的光能轉(zhuǎn)化為電能，所以正是利用了這一點(diǎn)，太陽能的運(yùn)用變得越來越普遍。本設(shè)計(jì)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在鋰電池中給用電器充電。從長遠(yuǎn)看來利用太陽能給鋰電池充電是最合適不過的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1 所示系統(tǒng)框圖，本設(shè)計(jì)主要是利用光能轉(zhuǎn)換成電能，通過一個(gè)充電板給蓄電池充電。在充電的過程成會(huì)有二極管指示燈，來提示充電狀況。開始充電是采用恒流快速充電，達(dá)到一定電壓值后，采用恒壓式充電。充電過程中保護(hù)板進(jìn)行保護(hù)以防電壓過高或電流過大對(duì)蓄電池造成損害等保護(hù)措施。給蓄電池完成充電以后，升壓到5V 輸出，給相應(yīng)的用電器進(jìn)行充電。升壓芯片采用的是LM2577。它具有較大的輸出電流，效率比較高。

圖1 系統(tǒng)框圖

對(duì)于太陽能移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)不僅可以利用太陽光可以直接充電，而且還在設(shè)計(jì)中加入了常規(guī)的充電方式。它可以用市電220V 降壓到5V 直接給充電板進(jìn)行充電，整個(gè)設(shè)計(jì)方案不僅加入了新的創(chuàng)意而且又具有傳統(tǒng)的充電方式，使它更加的完善，更加的方便。由于太陽光隨處可見，開發(fā)起來比較容易，而且不存在交通運(yùn)輸問題，所以在一些貧窮、落后、不發(fā)達(dá)的地方更具有開發(fā)價(jià)值。

2 電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 充電模塊

充電電路主芯片選用TP4056，它以恒定電流或恒定電壓線性方式充電，結(jié)合USB 電源和適配器電源工作，底部帶有散熱片的SOP8 封裝，且構(gòu)建充電電路只需較少的外部元器件。充電電路的充電電流可達(dá)1A，且充電電流可以通過編程來調(diào)節(jié)，因此TP4056 芯片得到普遍運(yùn)用。TP4056 芯片充電電壓在4.2V 左右。若TP4056 的輸入電流小于設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止充電循環(huán)處于待機(jī)模式，此時(shí)供電電流為55uA。該芯片還具有溫度檢測、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和指示充電狀態(tài)等功能。[2]

TP4056 有4.2V 的預(yù)設(shè)充電電壓、充電電流可達(dá)1A、電池溫度監(jiān)測功能、待機(jī)模式下的供電電流為55uA、軟啟動(dòng)限制浪涌電流、和2.9V 涓流充電器件版本，無需MOSFET、檢測電阻或隔離二極管[3]。

該電路的輸入電壓在4-8V 之間，輸出電壓為4.2V，輸出電流為500mA。藍(lán)色發(fā)光二極管LED1 用來顯示太陽能板是否接有鋰電池，七彩燈用來顯示正在進(jìn)行充電，待充滿時(shí)七彩燈會(huì)自動(dòng)滅掉，藍(lán)燈會(huì)亮起提示已完成充電。如果電路的溫度過高或者過低，充電將會(huì)暫停。充電電路如圖2 所示。

圖2 充電電路圖

對(duì)于TP4056 芯片組成的充電電路，它是采用恒流、恒壓式充電。在不另加二極管和電流檢測電阻的情況下，充電電流可達(dá)1A，而且充電電流可以通過編程來進(jìn)行調(diào)節(jié)。芯片內(nèi)部的溫度管理在超過115 度時(shí)自動(dòng)降低充電電流，所以不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片。在充電循環(huán)時(shí)，如果將CE 端置為低電平，充電循環(huán)截至。TP4056 芯片的1 腳是電池溫度檢測輸入端，所以溫度過高或低都會(huì)對(duì)電池造成損壞。它的8 腳是芯片輸入使能端，當(dāng)輸入電壓大于它的閾值電壓和使能端為高電平時(shí)，芯片開始進(jìn)入充電狀態(tài)[4]，TP4056 引腳和功能框圖如圖3 所示。

圖3 TP4056 引腳

2.2 保護(hù)模塊

當(dāng)接上充電電路時(shí)，隨著時(shí)間的增長，充電芯片的電壓開始不斷的升高，當(dāng)達(dá)到4.4V 時(shí)，DW01 認(rèn)為已經(jīng)處于過壓充電狀態(tài)，因此會(huì)立即斷開3 腳，8205A 內(nèi)的開關(guān)管因?yàn)?腳沒有電壓而關(guān)閉，充電回路斷開，停止充電狀態(tài)。當(dāng)充電電壓低于4.3V 時(shí)，DW01 的3 腳再次輸出高電平，使8205A 內(nèi)的過充電控制管導(dǎo)通，使電路又能夠重新進(jìn)行放電。短路保護(hù)相當(dāng)于加了一個(gè)電阻使保護(hù)板的負(fù)載電流立即達(dá)到一個(gè)大的電流值時(shí)，保護(hù)板就會(huì)立即起到保護(hù)作用。[5]

保護(hù)電路的芯片是有DW01 和8205A 兩個(gè)芯片構(gòu)成的。當(dāng)芯片電壓在2.5 伏到4.3 伏之間時(shí)，DW01 的第一腳、第三腳輸出均為高電平，第二腳是低電平。將8205A 與DW01 相連構(gòu)成保護(hù)電路。電路如圖4 所示。

圖4 保護(hù)電路圖

2.3 升壓模塊

由于鋰電池輸出的電壓在3.7V 附近，為了能夠給手機(jī)等5V 用電器充電，需要采用升壓電路，我選用的芯片是LM2577。LM2577 這款芯片的輸入電壓范圍在3.5V 到40V 之間，滿足設(shè)計(jì)的要求。它的外部電路搭建起來比較簡單，內(nèi)部有52KHZ的固定頻率振蕩器；此外它的效率比較高，具有過流、過熱等保護(hù)功能。LM2577 輸出級(jí)是NPN 型開關(guān)晶體管，它的耐壓值是65V，額定電流達(dá)3A, 升壓電路圖如圖5 所示：如果在測試的時(shí)候?qū)蓚€(gè)輸出端直接相連，由于LM2577 內(nèi)部具有過流保護(hù)，所以沒有明顯的過熱變化。

圖5 升壓電路圖

3 總結(jié)

利用太陽能板把光能轉(zhuǎn)換為電能給鋰電池充電，經(jīng)過LM2577 升壓電路給5V 用電器進(jìn)行放電。本設(shè)計(jì)利用太陽光的能量，節(jié)約電能，緩解能源緊張的問題，且太陽能比較清潔，沒有污染等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中加入鋰電池，把過多的能量暫時(shí)存儲(chǔ)在鋰電池中，待需要用時(shí)，可以直接連接手機(jī)等用電器，比較方便，快捷，也解決了長期在戶外不能及時(shí)充電的問題。

太陽能移動(dòng)電源它不僅可以用太陽能板給鋰電池蓄電，還可以在天氣不好時(shí)，用市電轉(zhuǎn)化為5V 通過充電電路給鋰電池蓄電，以備手機(jī)等用電器電量過低時(shí)再用。

(1)太陽能電池板價(jià)格較貴，一般為30 元/W。而且電池板輸出電壓還很低，需要進(jìn)行升壓變換后才能對(duì)手機(jī)充電。

(2)太陽能移動(dòng)電源主要是利用太陽能板吸收光能轉(zhuǎn)化為電能，所以太陽能板放置的位置會(huì)影響其效果，因此在放置太陽能板時(shí)，盡量與光線垂直。

(3)一般充電是在陽光下，此時(shí)我們盡量不要讓手機(jī)等電器在陽光下暴曬，防止它老化等。

(4)太陽能電池板的效率不高，一般為10%~15%，即使控制電路的效率非常高，整個(gè)充電器的效率還是很低。

改進(jìn)方案建議：對(duì)于以上的不足，我采用了使用多塊太陽能板并聯(lián)來解決陽光不充足的問題，充分的利用太陽光，并聯(lián)增大電流快速的對(duì)移動(dòng)電源進(jìn)行充電。