野外便攜式太陽能應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

段雨帆，向長(zhǎng)城，朱紫茵，王培元

（湖北文理學(xué)院，湖北襄陽，441053）

1 背景需求及意義

隨著社會(huì)的發(fā)展，智能能源已全面融入人們的生活和工作中。倘若去到野外，失去供電，不僅會(huì)給我們的工作帶來極大不便，也會(huì)很大程度上限制我們的能力。如果遇困，也無法快速地發(fā)出求救信號(hào)。因此，在野外時(shí)，需備一個(gè)應(yīng)急電源，保證在斷電情況下可以緊急用電。

人們利用現(xiàn)有的資源和能力，希望可以解決人們?cè)谝巴獬鲂械哪茉葱枨髥栴}。同時(shí)，不被那額外的重量束縛，可以更加貼近自然，研究自然。而鋰電池作為清潔能源，它的能量密度高，儲(chǔ)能能力強(qiáng)，技術(shù)發(fā)展成熟，早已廣泛應(yīng)用于人們生活中的移動(dòng)設(shè)備，且成本降低。利用柔性太陽能板、51單片機(jī)和鋰電池設(shè)計(jì)一款野外便攜式太陽能應(yīng)急電源，能夠保證在野外時(shí)緊急用電。

該應(yīng)急電源模塊化設(shè)計(jì)，可以在太陽能充電的過程中，把太陽能和鋰電池隔離開來解決散熱問題；柔性太陽能板充電模塊，轉(zhuǎn)換效率為8~10%，整體厚度僅為1.5mm。可以讓人們利用太陽能為設(shè)備提供續(xù)航能力，同時(shí)方便攜帶。其節(jié)能led的附加，讓人們?cè)谝巴獾囊雇黼S時(shí)隨地享受光明。USB口可以為多種設(shè)備供電，減少無電可用的尷尬。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

野外便攜式太陽能應(yīng)急電源設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖示意圖

(1)采用高功率柔性太陽能板設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)普通太陽能板不能折疊，占用面積大的缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了能在背包上掛載的便攜特點(diǎn)。

(2)采用TP4056鋰電池控制芯片，能提供鋰電池的有效充電保護(hù)，避免鋰電池在充放電中高溫，高壓爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。且該芯片電路改進(jìn)空間大，可實(shí)現(xiàn)大功率充電。

(3)采用可調(diào)壓放電電路，能滿足野外設(shè)備12V、5V等多種電壓的不同需求。

(4)采用18650高能安全鋰電池，有效提高電池容量并保護(hù)設(shè)備安全。

3 單元電路分析及設(shè)計(jì)

■3.1 電源充電模塊

太陽能應(yīng)急電源采用了兩種充電方式：其一采用Micro USB接口，可以采用老式安卓手機(jī)的充電線及充電頭充電，輸入電壓5V，為5000mA的電池充電。充滿時(shí)間大約為3.7×5000/10/1000=1.85h，充電電路如圖2所示。其二，采用柔性太陽能板供電。在陽光良好的情況下充電大概有7W的速率。充電時(shí)間大約為：5000×3.7/7/ 1000=2.65h，充電速率較直流電源較慢。不過，在陰天時(shí)，它仍有提供3W的持續(xù)電流充電的能力，解決了一般太陽能陰、雨天無法充電的問題。

圖2 電池直流電源充電電路圖

另外，太陽能應(yīng)急電源采用51單片機(jī)控制，可以進(jìn)行LED照明，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能。采用按鍵輸入，51單片機(jī)對(duì)按鍵的信號(hào)進(jìn)行采集。繼電器控制通斷。我們這里用的是一個(gè)5V的繼電器，電路如圖3、圖4所示。

圖3 太陽能板擴(kuò)展電路

■3.2 照明電路模塊

此太陽能應(yīng)急電源有一個(gè)可開關(guān)的LED,可以在夜晚提供人們所需的基本照明，功率也并不是很大，照明電路如圖4所示。

圖4 照明電路圖

■3.3 外接設(shè)備用電模塊

此太陽能應(yīng)急電源有一個(gè)USB母口供電模塊，可以提供20W到50W的輸出功率，輸出電壓為5V到12V可調(diào)，可以靈活的為多種小型設(shè)備供電，保證人們基本的用電需求。在便攜性上實(shí)用性也同樣不低，它的外接用電設(shè)備電路如圖5所示，與usb充電電路為同一個(gè)電路模塊。

圖5 外接設(shè)備用電原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于51芯片的加入，使得所設(shè)計(jì)的太陽能應(yīng)急電源具有極為廣闊的擴(kuò)展能力，考慮到實(shí)用性與擴(kuò)展功能的功率損耗等問題，只加入兩個(gè)由51單片機(jī)芯片作為控制的擴(kuò)展功能。

■4.1 充電控制

此太陽能應(yīng)急電源的充電控制主要是指在充電過程中，因某些原因?qū)е码姵販囟冗^高或過低而造成電池不正常工作時(shí)，采取的必要控制措施，由51芯片配合TP4056完成。通過DSP2812采集得到的電池準(zhǔn)確溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定范圍比較，若超過范圍，通過51控制TP4056的TEMP端對(duì)地電阻進(jìn)行降低充電電流。若超過最大溫度設(shè)定范圍，則斷開充電過程。

TP4056電阻與充電電流具體控制關(guān)系為：1.2kΩ對(duì)應(yīng)1000mA；2 kΩ對(duì) 應(yīng)600mA；10 kΩ對(duì) 應(yīng)130mA；0.82 kΩ-10.5 kΩ對(duì)應(yīng)120mA-1300mA。

■4.2 藍(lán)牙通信

51單片機(jī)配合ADC0809完成對(duì)電池電壓數(shù)據(jù)的采集工作。

由于ADC0809芯片采集的電壓范圍為0-5V正好包含鋰電池最高電壓4.2V，因此選用ADC0809作為采集芯片。此外，由于藍(lán)牙模塊具有低功耗特點(diǎn)，因此可以選用藍(lán)牙模塊作為數(shù)據(jù)的發(fā)送器。在手機(jī)中安裝藍(lán)牙上位機(jī)軟件，便可獲取到溫度、電壓等數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)計(jì)中包含兩種充電方式，以滿足不同情況的需求。

第一種方式為太陽能充電方式，該方式在陽光充足的條件下時(shí)，能提供5W的充電速度，即便在陰雨天也能提供2W的充電速度。第二種充電方式為有線充電，即采用5V1A的電流通過Mico數(shù)據(jù)線對(duì)設(shè)計(jì)中的鋰電池進(jìn)行充電，以代替太陽能充電達(dá)到充電的目的。

使用太陽能充電時(shí)，在陽光充足條件下，充電電流可達(dá)1.6A，充電功率接近7W，當(dāng)光照較弱時(shí)，充電電流為0.7A，充電功率大約為3W左右。在有線充電方面，出于安全以及TP4056的發(fā)熱情況等因素考慮，在正常情況下充電電流為1.1A，充電電壓為4.2V。給鋰電池充電的功率為4.7W。當(dāng)電池溫度超過45℃，則開始對(duì)充電電流進(jìn)行限制。放電上，采用電壓可調(diào)控制輸出模式，正常情況下為5V的輸出電壓，可通過調(diào)節(jié)器將電壓轉(zhuǎn)換為5V~12V的電壓輸出。滿足不同用電設(shè)備對(duì)電壓的需求。

6 總結(jié)

將高效率太陽能充電裝置與背包結(jié)合的便攜式設(shè)計(jì)，主要改進(jìn)了原有太陽能裝置不易攜帶，難以作為便攜能源獲取裝置的缺點(diǎn)。使得系統(tǒng)擁有更為廣泛的實(shí)用性，并為野外探索，外出活動(dòng)，應(yīng)急救援提供一種穩(wěn)定、高效的能源解決方案。