兒童電動玩具通用太陽能供電裝置

楊影麗，董翠翠，王浩然

（江蘇省徐州技師學(xué)院，江蘇徐州，221151）

0 引言

目前的兒童電動玩具大多數(shù)使用的都是一次性電池，即使有少量兒童電動玩具使用可充電電池，其充電器使用的也是220V 的交流市電。我國目前廣泛使用的220V 的交流市電大多是用燃煤發(fā)電產(chǎn)生的。煤炭屬于不可再生資源，且在發(fā)電過程中會產(chǎn)生各種污染。我國的二氧化碳排放量已經(jīng)超過美國，居世界首位，而燃煤發(fā)電是我國二氧化碳排放的主要大戶。使用清潔能源，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展是擺在我們每個(gè)人面前刻不容緩的責(zé)任。

一次性電池屬于有害垃圾，污染環(huán)境。如果兒童電動玩具的電池都能改換成可充電電池，就可以從娃娃做起，告別一次性電池的時(shí)代，這是符合我們國家綠色發(fā)展的理念的。而使用太陽能供電系統(tǒng)給兒童電動玩具的各種充電電池充電，使用的是無污染的清潔能源。讓孩子們從小就能夠接觸清潔能源，使用清潔能源，培養(yǎng)他們的環(huán)保意識，也是有助于實(shí)現(xiàn)我國向世界承諾的碳達(dá)峰、碳綜合的既定目標(biāo)的。為了保護(hù)人類的共同家園，使地球環(huán)境更加美好宜居，從娃娃做起，讓我們一起行動起來。

1 兒童電動玩具太陽能供電系統(tǒng)概括

當(dāng)前的兒童實(shí)時(shí)玩具大多使用的是一次性電池，一次性電池屬于有害垃圾，對環(huán)境有污染，不符合我國綠色發(fā)展的理念。且每個(gè)電動玩具上面都要安裝電池才能使用，電池用完就丟掉，再換上新電池使用，造成非常嚴(yán)重的浪費(fèi)。

即使使用可充電電池，給充電電池充電也是使用220V的交流市電。我們的市電大多也是使用不可再生資源煤炭產(chǎn)生的，在發(fā)電過程中也會產(chǎn)生有害物質(zhì)污染環(huán)境。

而太陽能則是取之不盡用之不竭的清潔能源。太陽能具有資源充足，分布廣泛，安全清潔，技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前在我國得到了大力的發(fā)展。使用太陽能供電裝置給可充電電池充電，整個(gè)供電與用電環(huán)節(jié)既沒有環(huán)境污染又是可持續(xù)發(fā)展的，應(yīng)當(dāng)是我們用電的發(fā)展方向。

本裝置主要為兒童電動玩具可充電電池進(jìn)行充電之用。因?yàn)楸狙b置具有儲電功能，故也可以直接為小型用電器供電。且此裝置為模塊化設(shè)計(jì)，發(fā)電量與儲電量可以隨需要增加，以滿足不同的用電器，使用起來靈活方便。

本裝置為一個(gè)小型的太陽能供電系統(tǒng)，如圖1 所示。太陽能供電系統(tǒng)一般由發(fā)電裝置、控制裝置與儲電裝置三部分組成。因?yàn)楸咎柲芄╇娧b置是一種小型供電裝置，且是為兒童電動玩具的充電電池充電之用，所以其儲電裝置使用的是鋰電池。具體的說，本裝置由太陽能電池板，鋰電池充電板，帶有保護(hù)板及電量顯示的鋰電池及鋰電池升壓板四部分組成。

圖1 太陽能供電裝置示意圖

其中太陽能電池板為供電裝置的發(fā)電部分，它將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，為本供電裝置提供清潔的電能。本供電裝置的儲電系統(tǒng)使用的是鋰電池。相較于鉛酸電池，鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，能量密度高，使用壽命長，可以方便的串聯(lián)、并聯(lián)使用。且綠色環(huán)保無污染，不含有毒有害物質(zhì)。由于鋰原子的化學(xué)性質(zhì)比較活躍，所以鋰電池在使用時(shí)一定要加保護(hù)板，防止電池被過沖過放電。鋰電池只要規(guī)范使用，其安全性是完全有保障的，所以目前鋰電池已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。

由于太陽能板的發(fā)電特點(diǎn)是其發(fā)電量隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，為了保證太陽能板能夠輸出最大功率，以充分利用太陽能，故需要在太陽能板與儲電電池之間增加充電管理板（簡稱充電板）。充電板的作用可以對電池進(jìn)行涓流恒流恒壓充電管理，可以保證對電池進(jìn)行穩(wěn)定高效地充電。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽能充電板

本裝置的太陽能充電板電路使用的是基于CN3791 芯片的帶MPPT 功能的太陽能充電模塊。CN3791 是一種可通過太陽能板提供的PWM 降壓模塊單節(jié)鋰電池充電控制集成電路，獨(dú)立自主地對單節(jié)鋰動力電池充電進(jìn)行控制，具有內(nèi)部封裝形式小，外圍元器件數(shù)量小和應(yīng)用簡單的特性。同時(shí)CN3791 還具備了涓流、恒流和恒壓充電模塊，因此非常適合于鋰電池的充電控制。在恒壓充電模式,CN3791 的電池電壓調(diào)節(jié)為4.2V；而在恒流狀態(tài)的充電方式,空載電壓則采用了一個(gè)外部電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在輸入電源的電流輸出功率減小后，內(nèi)置電路就可以自動監(jiān)控太陽能板的最高電源點(diǎn)，客戶不需再考慮最壞狀態(tài)，即可最大程度的使用太陽能板的輸出功率，因此非常適合于使用太陽能平板電源的應(yīng)用。

對深度放電操作的鋰動力電池,在當(dāng)電池電壓降到恒壓充電電壓的66.5%(典型值)時(shí)，CN3791 用所設(shè)定的恒流充電輸出的17.5%對動力電池完成了涓流充電。在恒壓充電期間，充電電流慢慢減小，當(dāng)充電電流減小到恒流充電輸出的16%時(shí)，充電基本完成了。在完全充電完成情況下，當(dāng)電池電壓減小到恒壓充電電壓的95.5%，自行開啟了新一輪的充電過程。當(dāng)投入供電突然掉電或投入電壓小于電池電壓值時(shí)，CN3791 自行加入到休眠模式。其它特殊操作還包含在投入低壓時(shí)鎖存，電池后端過電壓保護(hù)和充電狀態(tài)閃爍等。目前CN3791 使用了十管腳的SSOP 封裝。

此款太陽能充電板模塊的主要優(yōu)點(diǎn)是具備太陽能板最大功率點(diǎn)監(jiān)控功能，最大輸入電流范圍為4.5～28V，對單節(jié)鋰電池完全的容量控制，最大充電電流高達(dá)4A，PWM 開關(guān)頻率300kHz，最大恒壓充電電壓范圍為4.2V±1%，最大恒流充電電流范圍可根據(jù)外界電壓設(shè)定，對深度釋放的太陽能池實(shí)現(xiàn)涓流充電，具備手動再充能力，同時(shí)具備充電狀況和充電截止?fàn)顟B(tài)指示燈，并具備軟啟動能力，具備太陽能池遠(yuǎn)端過電壓保護(hù)，工作溫度為-40℃～+85℃。

圖2 太陽能充電板模塊電路原理圖

2.2 鋰電池保護(hù)板

鋰電池保護(hù)板的主要功能是如何讓電池不過放、不過充、不過流，此外尚有短路保護(hù)功能、過溫保護(hù)功能以及熱均衡保險(xiǎn)功能。使用的鋰電池保護(hù)片完全能夠保障鋰電池的使用安全。

單節(jié)鋰電池的最大充電截止電壓是4.2V，但不要過充，否則由于正極的鋰離子流失過多，而導(dǎo)致電池報(bào)廢。給鋰電池充電時(shí)，要選擇專門的恒流、恒壓充電器，先恒流充至鋰電池二端電流達(dá)到4.2V 時(shí)，才進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)；當(dāng)恒壓充電電流降至100mA 以下時(shí)，則暫停充電。因?yàn)殒嚉潆姵氐慕Y(jié)構(gòu)原因，在釋放時(shí)鋰離子無法完全移向正極，因此需要留有小部分的鋰離子電池在負(fù)極，以確保在下一次充電時(shí)鋰離子可以更順利地嵌入通道中。不然，電池壽命就會減少。要確保從石墨層中電池釋放后留下的部分鋰離子電池，就必須嚴(yán)格控制釋放結(jié)束的最低電流，也就是說鎳氫電池不得過度釋放。而單節(jié)鋰電池的釋放結(jié)束時(shí)電壓一般為3.0V，但最低電流不得小于2.5V。而電池釋放時(shí)限長度則與電池容量大小、釋電電流多少直接相關(guān)。電池的釋放時(shí)間(小時(shí))=電池容量/放電電流，且鋰電池放電電流(mA)不應(yīng)大于鋰離子電池容量的三倍，比如:1000mAh 的鎳氫電池，其放電電流就應(yīng)該嚴(yán)格控制在3A 之內(nèi)，不然會使電池功能受損。

保護(hù)回路一般由信號IC、MOS 開關(guān)管、熱融斷保險(xiǎn)絲、電阻、容量等基本單元所構(gòu)成。通常的工作狀態(tài)下，在IC出口的同時(shí)進(jìn)行限制MOS 開關(guān)管導(dǎo)通，即電芯與外電路導(dǎo)通，當(dāng)電芯電壓或檢測回路的電流大于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后，就應(yīng)立即限制MOS 管閉合，以保障電芯的安全。

主控IC 內(nèi)置了高精度電壓測量電路和多級電流測量電路。其中，穩(wěn)壓測量電路一是對充電電壓加以測試，一經(jīng)到達(dá)其預(yù)設(shè)閾值范圍(一般為3.9～4.4V)，即可步入過充電保護(hù)狀態(tài);二是對放電電壓加以測試，一經(jīng)到達(dá)其預(yù)設(shè)閾值范圍(一般為2.0～3.0V)，即可步入過放電保護(hù)狀態(tài)。

本器件的鋰電池保護(hù)回路的主控器件為DW01，而MOS 開關(guān)管為8205A，如圖3 所示，B+、B-依次為接電芯的正、負(fù)極；P+、P-依次為保護(hù)板電壓的正、負(fù)極；T 為溫度電阻(NTC)接口，但通常都必須和電器的CPU 搭配才能實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)功能。

圖3 鋰電池保護(hù)板電路圖

DWO1 是一種鋰電池的芯片，包含了高準(zhǔn)確度的電壓測量和時(shí)間延遲電路，主要參數(shù)包括：過充測試電壓為3V，過充釋放電壓為4.05V；過放測試電壓為2.5V，過放釋放電壓為3.0V；過流測試電壓為5V，而短接電流的測試電壓為1V，而DWO1 允許電池發(fā)出的最大電流為3.3A。該電路具有過放電保護(hù)，過充電保護(hù)，過流保護(hù)，過溫保護(hù)的功能。本裝置的鋰電池保護(hù)電路圖如圖3 所示。

2.3 升壓電路

在鋰電池上面增加一塊電壓顯示板，可以實(shí)時(shí)觀察到鋰電池的電壓狀態(tài)，做到用電心中有數(shù)。由于鋰電池的標(biāo)稱電壓是3.7V，而對兒童電動玩具的可充電電池進(jìn)行充電的電壓需要的是5V 電壓，所以在本供電裝置的最后需要一塊鋰電池升壓板。其功能是將鋰電池3.7V 的電壓升高到穩(wěn)定的5V 電壓，以供給兒童電動玩具的可充電電池充電。

本裝置的DC-DC 升壓電路采用的是PS7516 芯片。S7516 是一種效率極高,穩(wěn)定在550kHz 的電流制式PWM升壓DC-DC 轉(zhuǎn)換器。PS7516 的最小輸入電壓是2V。PS7516 內(nèi)部集成有功率低RDS(ON)的MOSFET，而且在外部也不使用肖特基二極管。使用PS7516,可以獲得更好的轉(zhuǎn)換效能。而PS7516 非常適合用在為鋰電池升壓5V1A的高效率過程中。

PS7516可在1.9～ 5.5V寬電壓范圍內(nèi)工作的PWM升壓直流/直流轉(zhuǎn)換控制器。這款芯片可提供最寬闊的電壓操作，尤其適用于太陽能供電的電子系統(tǒng)。PS7516 固定1MHz 頻率，在停機(jī)模式時(shí)的電流極低。此外，PS7516 集成了極低內(nèi)阻的整流P-MOSFET和開關(guān)N-MOSFET，節(jié)省了肖特基二極管/PCB 空間。這款芯片外圍元件很簡單，可以方便地組建一個(gè)高效率/輸入電壓極寬的升壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

由 于PS7516 可 在1.9～5.5V 的電源范圍內(nèi)操作，因此非常適用于移動電源升壓系統(tǒng)中。鋰離子電池的最低放電電壓不能低于2.7V，否則將可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。一般鋰離子電池保護(hù)IC 的過放檢測電壓是3V，PS7516特有的寬輸入電壓將能更好地應(yīng)用工作。PS7516 具備組建高效率升壓轉(zhuǎn)換器的一切必要功能，且只需極少的外置元件（R/C/L）。還可以確保線路及負(fù)載有極快的瞬態(tài)響應(yīng)。因此這款芯片尤其適用于1A 電源。PS7516 芯片采用超小型的SOT23-6 封裝。PS7516 大量供貨中。PS7516 還具備了轉(zhuǎn)換效率極高(96%),低RDS(ON)集成功率的MOSFET，PMOS 電流限流短接保護(hù)功能，低靜態(tài)輸出電壓，快瞬態(tài)響應(yīng)速度，以及內(nèi)置軟啟動功能、過溫保護(hù)、自修復(fù)功能、過流保護(hù)、低輸出電壓保護(hù)等的優(yōu)點(diǎn)。本裝置的DC-DC 升壓電路圖如圖4 所示。

圖4 鋰電池升壓板電路圖

3 結(jié)論與展望

目前大量使用的一次性電池，如5 號電池、7 號電池和9V 疊層電池，這些型號的電池也已經(jīng)有可充電電池產(chǎn)品，并且大都設(shè)計(jì)成用USB 接口充電的。所以這部分電池可以直接用本太陽能供電裝置進(jìn)行充電，完全可以替代一次性電池。除了給兒童電動玩具可充電電池充電之外，本裝置也可以直接給小型的用電設(shè)備供電。如使用直流電壓5V 的電風(fēng)扇、LED 臺燈、數(shù)字時(shí)鐘等。其實(shí)，只要加裝一個(gè)升壓或降壓的模塊，本裝置可以給任何使用直流電源的小型用電設(shè)備供電。如3V 或6V 的收音機(jī)，4.5V 的萬用表甚至是1.5V的石英鐘，只要電壓調(diào)整合適，本裝置都可以給它們提供電源，使它們能夠正常工作。

本裝置采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方法，太陽能板可以擴(kuò)展，鋰電池儲電模塊也可以擴(kuò)展。至于供電應(yīng)用的領(lǐng)域，使用者盡可以充分發(fā)揮他們的想象，將之應(yīng)用于更加廣泛的小型用電設(shè)備上，充分發(fā)揮其應(yīng)有的效能。