基于超級電容儲能的光伏充電器

韓伶霞

摘 要：超級電容能夠儲存電能，因此，將光伏發電設備和超級電容進行有效連接，就能夠在超級電容中對電能進行儲存。本文設計了基于超級電容的小型光伏充電設備，旨在解決手機等數碼產品在人們外出時如何充電的問題。

關鍵詞：超級電容；太陽能；充電器

為了應對越來越嚴重的能源危機和環境污染問題，全世界的國家都致力于新的能源和節能產品的開發和應用。光伏發電的環保、可再生特性自其發現時就被人們廣泛關注。但是，由于太陽電池的制造成本高，連接到網絡時的高反轉成本和由于光強度的輸出導致電壓的大的變動，使得太陽光發電技術在當前應用并不廣泛。近年來隨著新能源儲藏裝置的發展，超級電容被研發出來，與傳統的儲能裝置相比，超級電容具有高速充電、高速放電、長壽命、耐性良好等特點，因此，在部分領域中超級電容正在逐漸取代傳統的儲能裝置。但是需要注意的是，與鋁電解電容器相比，超級電容器內部阻抗很大，不適合AC電路。同時，像能量儲藏時間等技術性的頸領也限制其更加廣泛的應用。本設計中有效的的將兩者進行巧妙結合，取長補短，設計出了能夠給手機等電子設備進行戶外充電的光伏充電器。

1 設計思路

本設計的基本想法是設計與太陽能發電和超級電容特性相對應的智能控制電路，在陽光下完成儲能，在連接充電設備之后，確保其可以對其進行充電。設計過程中，以超級電容器為基礎的太陽能電池緊急充電器，劃分成太陽能電池供應單元，超級能量儲藏單元以及智能控制電路三個單元。在太陽能電池的設計過程中，對各種種類的太陽能電池的性能指標進行了比較，然后結合實際情況選擇適當類型的太陽能電池并通過實驗選擇，根據充電功率和充電速度的要求計算太陽電池的儲存能量。在超級電容能量儲藏裝置的設計過程中，通過大量的實驗，通過綜合地理解超級電容的主參數和動作性能，根據充電容量和充電速度計算出電流、電壓等參數。然后在此基礎之上，集合太陽電池單元的不穩定的輸出特性以及超級電容儲能的特征，設計了對應的電流、電壓、匹配電路、過充電保護電路、充電指示電路及其他周邊電路，并重點對充電的智能控制電路進行了設計和優化，從而確保該系統能夠實現智能化運行。在開關打開之后，設備就會依據電能儲存量來選擇適宜的模式進入充電模式，并通過外接LED指示燈來對點亮進行顯示。在智能充電控制模塊的開發和設計中，要能夠實現手機的剩余電力的智能檢測，然后結合手機電池的剩余電力狀況，在3個充電模式（恒流充電、恒壓充電以及涓流充電）中進行選擇。

除此之外，在設計控制電路時，還要保證在光照充足的情況下光伏電池快速高效的向超級電容充電，以及防止在光照不足的情況下出現超級電容向光伏電池產生反灌電流。同時還要根據目前市場上手機電池的參數設置一個超級電容向手機電池充電的充電控制電路，該電路電壓電流必須合適、穩定，在保證能夠快速充電的前提下有效延長手機電池的使用壽命。

2 設計過程

2.1 核心器件的選擇

目前，市場上各種型號的單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池種類很多，我們經過對各類光伏電池的核心指標進行測試對比，結合應急充電器高速充電的要求，選擇了環能效率最高的單晶硅太陽能電池，并綜合考慮充電器體積、充電設備電量、充電速度等指標，最終選擇了6V5.5W 的單晶硅太陽能電池。該光伏電池轉化效率為15%左右，輸出電壓約為6V，輸出電流最高可達900mA，滿足本系統設計要求。

在超級電容儲能單元的設計過程中，為均衡儲能時間和放電速度兩大指標，在通過大量實驗全面了解超級電容主要參數和工作性能的基礎上，本系統采取了6 個單體電壓2.7V 電容500F 的超級電容器兩兩串聯、三組并聯的混連方式構成儲能單元。

2.2 超級電容充電模塊設計

為保證光伏電池穩定向超級電容充電，實現光伏電池與超級電容的電壓匹配，須將光伏電池輸出直流電壓轉換成值為5.29V 的穩定直流電壓。在設計過程中，我們基于開關型集成穩壓芯片LM2596，設計了光伏電池與超級電容之間的智能充電控制電路（見圖2）.該電路利用旁路電容C1 的儲能特性提高輸入電壓的穩定性；利用電阻R2 和R1 構成分壓電路為LM2596 提供反饋信號；利用肖特基二極管D1 實現隔離和前衛保護作用；利用C2 減小輸出紋波的作用；電感L1 和肖特基二極管構成反激式降壓（back）電路。可以達到3A 的最大輸出電路，實現了光照快速儲能。

2.4 智能充電控制電路

為實現超級電容輸出電壓與充電電路輸入電壓的匹配，我們以電壓轉換電路TP3605 為核心設計了DC-DC 直流電壓變換電路（見圖4），該電路還具有過溫保護、關斷保護、欠壓保護、過流保護等保護機制，轉換效率可達94%以上。

為充分利用超級電容大電流充放電的優點，我們還基于TP4056設計一款并聯大電流充電電路（見圖5），該電路可以根據被充電設備的剩余電量選擇大電流充電或者浮充充電模式，具有防止倒充的保護功能，我們還根據其充電模式設置了LED 指示燈，以紅色LED2 顯示充電工作狀態，以綠色LED1 顯示充電完成工作狀態，電阻R4 為熱耗散功率電阻。

3 總結

綜上所述，在超級電容光伏充電裝置設計完成后我們進行了系統集成、仿真調試并制作出了實物模型。在對模型的實測過程中，基本實現了應急充電的預期設計功能。在實測中我們也意識到，雖然超級電容具有充放電速度快、功率密度高等優點，但是目前超級電容還存在能量密度相對較低等缺點，受制于材料等因素，超級電容技術還有待完善。特別是目前市場上的充電管理芯片輸入電壓范圍較小，導致超級電容利用率低；此外，電壓變換電路輸出電流偏低也導致超級電容大電流充放電的優點無法體現；如果一味提升充電電流，受到鋰電池性能的影響又存在一定的安全隱患。這些問題都需要我們進一步的研究解決。此次便攜式移動電源的開發設計，是對新型能源和環保儲能元件應用的有益嘗試，且具有一定的社會實用價值。我們也希望通過該設計，探索一條應對能源危機、解決環境污染問題的技術革新之路。

參考文獻

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（作者單位：江蘇易立電氣股份有限公司南京分公司；

身份證號碼：320681198903111222）