兒童電動玩具通用太陽能供電裝置

楊影麗，董翠翠，王浩然

（江蘇省徐州技師學院，江蘇徐州，221151）

0 引言

目前的兒童電動玩具大多數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電產生的。煤炭屬于不可再生資源，且在發電過程中會產生各種污染。我國的二氧化碳排放量已經超過美國，居世界首位，而燃煤發電是我國二氧化碳排放的主要大戶。使用清潔能源，實現綠色發展是擺在我們每個人面前刻不容緩的責任。

一次性電池屬于有害垃圾，污染環境。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代，這是符合我們國家綠色發展的理念的。而使用太陽能供電系統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，培養他們的環保意識，也是有助于實現我國向世界承諾的碳達峰、碳綜合的既定目標的。為了保護人類的共同家園，使地球環境更加美好宜居，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概括

當前的兒童實時玩具大多使用的是一次性電池，一次性電池屬于有害垃圾，對環境有污染，不符合我國綠色發展的理念。且每個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，造成非常嚴重的浪費。

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生的，在發電過程中也會產生有害物質污染環境。

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，技術可靠等優點，目前在我國得到了大力的發展。使用太陽能供電裝置給可充電電池充電，整個供電與用電環節既沒有環境污染又是可持續發展的，應當是我們用電的發展方向。

本裝置主要為兒童電動玩具可充電電池進行充電之用。因為本裝置具有儲電功能，故也可以直接為小型用電器供電。且此裝置為模塊化設計，發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。

本裝置為一個小型的太陽能供電系統，如圖1 所示。太陽能供電系統一般由發電裝置、控制裝置與儲電裝置三部分組成。因為本太陽能供電裝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電部分，它將太陽能轉換為電能，為本供電裝置提供清潔的電能。本供電裝置的儲電系統使用的是鋰電池。相較于鉛酸電池，鋰電池的優點是體積小、重量輕，能量密度高，使用壽命長，可以方便的串聯、并聯使用。且綠色環保無污染，不含有毒有害物質。由于鋰原子的化學性質比較活躍，所以鋰電池在使用時一定要加保護板，防止電池被過沖過放電。鋰電池只要規范使用，其安全性是完全有保障的，所以目前鋰電池已經得到了非常廣泛的應用。

由于太陽能板的發電特點是其發電量隨著光照強度的變化而變化，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行涓流恒流恒壓充電管理，可以保證對電池進行穩定高效地充電。

2 硬件設計

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 降壓模塊單節鋰電池充電控制集成電路，獨立自主地對單節鋰動力電池充電進行控制，具有內部封裝形式小，外圍元器件數量小和應用簡單的特性。同時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 的電池電壓調節為4.2V；而在恒流狀態的充電方式,空載電壓則采用了一個外部電流調節系統。在輸入電源的電流輸出功率減小后，內置電路就可以自動監控太陽能板的最高電源點，客戶不需再考慮最壞狀態，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用。

對深度放電操作的鋰動力電池,在當電池電壓降到恒壓充電電壓的66.5%(典型值)時，CN3791 用所設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，當充電電流減小到恒流充電輸出的16%時，充電基本完成了。在完全充電完成情況下，當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。當投入供電突然掉電或投入電壓小于電池電壓值時，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鎖存，電池后端過電壓保護和充電狀態閃爍等。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點是具備太陽能板最大功率點監控功能，最大輸入電流范圍為4.5～28V，對單節鋰電池完全的容量控制，最大充電電流高達4A，PWM 開關頻率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外界電壓設定，對深度釋放的太陽能池實現涓流充電，具備手動再充能力，同時具備充電狀況和充電截止狀態指示燈，并具備軟啟動能力，具備太陽能池遠端過電壓保護，工作溫度為-40℃～+85℃。

圖2 太陽能充電板模塊電路原理圖

2.2 鋰電池保護板

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

單節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，而導致電池報廢。給鋰電池充電時，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到4.2V 時，才進入恒壓充電狀態；當恒壓充電電流降至100mA 以下時，則暫停充電。因為鎳氫電池的結構原因，在釋放時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極，以確保在下一次充電時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，就必須嚴格控制釋放結束的最低電流，也就是說鎳氫電池不得過度釋放。而單節鋰電池的釋放結束時電壓一般為3.0V，但最低電流不得小于2.5V。而電池釋放時限長度則與電池容量大小、釋電電流多少直接相關。電池的釋放時間(小時)=電池容量/放電電流，且鋰電池放電電流(mA)不應大于鋰離子電池容量的三倍，比如:1000mAh 的鎳氫電池，其放電電流就應該嚴格控制在3A 之內，不然會使電池功能受損。

保護回路一般由信號IC、MOS 開關管、熱融斷保險絲、電阻、容量等基本單元所構成。通常的工作狀態下，在IC出口的同時進行限制MOS 開關管導通，即電芯與外電路導通，當電芯電壓或檢測回路的電流大于規定標準后，就應立即限制MOS 管閉合，以保障電芯的安全。

主控IC 內置了高精度電壓測量電路和多級電流測量電路。其中，穩壓測量電路一是對充電電壓加以測試，一經到達其預設閾值范圍(一般為3.9～4.4V)，即可步入過充電保護狀態;二是對放電電壓加以測試，一經到達其預設閾值范圍(一般為2.0～3.0V)，即可步入過放電保護狀態。

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

圖3 鋰電池保護板電路圖

DWO1 是一種鋰電池的芯片，包含了高準確度的電壓測量和時間延遲電路，主要參數包括：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 允許電池發出的最大電流為3.3A。該電路具有過放電保護，過充電保護，過流保護，過溫保護的功能。本裝置的鋰電池保護電路圖如圖3 所示。

2.3 升壓電路

在鋰電池上面增加一塊電壓顯示板，可以實時觀察到鋰電池的電壓狀態，做到用電心中有數。由于鋰電池的標稱電壓是3.7V，而對兒童電動玩具的可充電電池進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,穩定在550kHz 的電流制式PWM升壓DC-DC 轉換器。PS7516 的最小輸入電壓是2V。PS7516 內部集成有功率低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寬電壓范圍內工作的PWM升壓直流/直流轉換控制器。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。PS7516 固定1MHz 頻率，在停機模式時的電流極低。此外，PS7516 集成了極低內阻的整流P-MOSFET和開關N-MOSFET，節省了肖特基二極管/PCB 空間。這款芯片外圍元件很簡單，可以方便地組建一個高效率/輸入電壓極寬的升壓轉換系統。

由 于PS7516 可 在1.9～5.5V 的電源范圍內操作，因此非常適用于移動電源升壓系統中。鋰離子電池的最低放電電壓不能低于2.7V，否則將可能導致電池報廢。一般鋰離子電池保護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用工作。PS7516 具備組建高效率升壓轉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載有極快的瞬態響應。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 還具備了轉換效率極高(96%),低RDS(ON)集成功率的MOSFET，PMOS 電流限流短接保護功能，低靜態輸出電壓，快瞬態響應速度，以及內置軟啟動功能、過溫保護、自修復功能、過流保護、低輸出電壓保護等的優點。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有可充電電池產品，并且大都設計成用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備供電。如使用直流電壓5V 的電風扇、LED 臺燈、數字時鐘等。其實，只要加裝一個升壓或降壓的模塊，本裝置可以給任何使用直流電源的小型用電設備供電。如3V 或6V 的收音機，4.5V 的萬用表甚至是1.5V的石英鐘，只要電壓調整合適，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計方法，太陽能板可以擴展，鋰電池儲電模塊也可以擴展。至于供電應用的領域，使用者盡可以充分發揮他們的想象，將之應用于更加廣泛的小型用電設備上，充分發揮其應有的效能。