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(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣信息學(xué)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(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣信息學(xué)院，浙江 臺州 318000)

在戶外，為解決數(shù)碼產(chǎn)品續(xù)航/待機(jī)問題，設(shè)計(jì)一款多功能太陽能移動電源，使用典型芯片和常用元件設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換為電能，經(jīng)直-直流變換電路，在標(biāo)準(zhǔn)USB口輸出DC 5 V，實(shí)現(xiàn)太陽能充電。手搖發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)交-直流變換電路后穩(wěn)壓輸出，實(shí)現(xiàn)手搖充電。選用LM2575代替?zhèn)鹘y(tǒng)三端集成穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，經(jīng)過電路調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，太陽能和手搖模塊均可供手機(jī)及其他5 V數(shù)碼產(chǎn)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(shí)用。

太陽能；移動電源；手搖；LM2575

目前智能手機(jī)和MP3/P4、PAD等各種便攜消費(fèi)類電子產(chǎn)品的普及發(fā)展使得人們的生活進(jìn)入了電子時(shí)代，移動數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā)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(shè)備的工作時(shí)間，在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，要大幅度提高電池容量是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，如何隨時(shí)隨地為移動數(shù)碼產(chǎn)品充電、供電，解決數(shù)碼產(chǎn)品續(xù)航/待機(jī)問題，是目前和未來移動數(shù)碼產(chǎn)品用戶所面臨的最大問題。

在戶外，移動電源是移動數(shù)碼產(chǎn)品最常用的充電設(shè)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(yīng)運(yùn)而生，將移動電源放在太陽光下直射即可進(jìn)行充電，做到“有光就有電”[1-2]。本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)采用低功耗的原件更加環(huán)保節(jié)能，符合國家提倡的低碳節(jié)能生活。

1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由太陽能板、12 V手搖發(fā)電機(jī)、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(shè)備充電，滿足各種環(huán)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(zhuǎn)化為電能，為鋰電池充電，本產(chǎn)品采用大小為14.5 cm*9.5 cm的單晶硅太陽能板，經(jīng)測試輸出電壓6 V至9 V，功率1 W。太陽能板經(jīng)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(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后在標(biāo)準(zhǔn)USB口輸出DC 5 V。手搖式充電是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種方式，在沒有光照的環(huán)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(shè)計(jì)照明和剩余電量指示功能，使本項(xiàng)目更加實(shí)用。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 太陽能充電功能

本設(shè)計(jì)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(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽能電池，具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。儲電單元選用鋰電池[5]，穩(wěn)壓電路選用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1 A集成穩(wěn)壓電路LM2575，替代傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路，它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，在大多數(shù)情況下不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等。設(shè)計(jì)電路原理圖如圖2所示。

根據(jù)充電設(shè)備需要，在100～1 000 mA之間自動調(diào)節(jié)輸出電流，自動檢測手機(jī)電池的內(nèi)阻，調(diào)節(jié)適當(dāng)電流，讓手機(jī)內(nèi)阻高的電池，適當(dāng)?shù)臏p輕，達(dá)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(gè)可折疊手搖柄，連接一個(gè)小的發(fā)電機(jī)，通過齒輪轉(zhuǎn)動帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子做磁力切割產(chǎn)生交流電，經(jīng)示波器測試，本設(shè)計(jì)選用的手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)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(gè)穩(wěn)定的直流電壓。交-直流變換即整流濾波穩(wěn)壓電路，利用二極管半波整流，電容濾波，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓和三極管放大電流，經(jīng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到充電要求，設(shè)計(jì)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(wěn)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(shè)計(jì)[6]，從鋰電池采樣的電壓值經(jīng)由MC34063升壓芯片升壓產(chǎn)生+12 V電壓，12 V電壓經(jīng)電阻分壓得到基準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(diǎn)亮個(gè)數(shù)來判斷鋰電池剩余電量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)電路經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，各功能均達(dá)到要求，太陽能光伏板實(shí)際輸出電壓波形如圖5所示。手搖發(fā)電以每秒三圈的速度搖動手搖柄，搖動2分鐘即可產(chǎn)生足以讓手機(jī)待機(jī)6分鐘的電量，搖動10分鐘則可以讓手機(jī)待機(jī)26分鐘，手搖發(fā)電機(jī)輸出交流電壓峰峰值10 V波形如圖6，交-直流變換電路實(shí)際輸出直流電壓波形如圖7，穩(wěn)壓電路實(shí)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(shí)際輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveform of solar panels

圖6 手搖發(fā)電機(jī)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(shí)際輸出電壓波形Fig.7 Output voltage waveform of AC/DC converter

圖8 LM2575穩(wěn)壓后實(shí)際輸出電壓波形Fig.8 Output voltage waveform of LM2575 regulator

4 結(jié)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(jié)合在一起的產(chǎn)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(shè)計(jì)將兩種環(huán)保充電方式巧妙地結(jié)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(jù)戶外需求增加其他附加功能，提高產(chǎn)品價(jià)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(yīng)急使用，移動電源產(chǎn)品未來的市場潛量很大，但尚處于進(jìn)入市場的導(dǎo)入期。一旦市場被啟動，成長速度會很快，立即會進(jìn)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(huán)保移動電源產(chǎn)品市場前景廣闊。

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[3]李勇峰,王小朋,黃娟,等.多功能太陽能移動電源箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，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.

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[6]潘海燕.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)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(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2013DKC05)

谷建寧（1995—），男，浙江寧波人。研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。