一种太阳能移动电源的设计与实现

一种太阳能移动电源的设计与实现
李征
【摘要】结合便携式电子产品的特点,设计并实现了一款太阳能移动电源.该移动电源由太阳能电池板、充电电路、蓄电池及放电电路等部分组成.测试结果表明该系统能实现对蓄电池的过充和过放保护,并具有体积小、成本低等特点,可用于小功率供电的场合.
【期刊名称】《新余学院学报》
【年(卷),期】2018(023)002
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】太阳能移动电源;充电;放电;充放电保护
【作者】李征
【作者单位】安徽电子信息职业技术学院, 安徽蚌埠233030
【正文语种】中文
【中图分类】TN702
随着移动互联网和智能终端设备的日益普及，便携式电子产品发展日新月异，移动电源的需求量也变得越来越大。

太阳能移动电源可以利用阳光照射给移动蓄电池充电[1]，既有节能环保的特性，又有寿命长的特点[2]。

本文结合便携式电子产品的特点，设计并制作了一款小功率太阳能移动电源。

1 系统总体方案设计
根据便携式电子产品体积小以及太阳能电池板输出功率有限的特点，本系统设计方案如图1所示。

图1 便携式太阳能移动电源系统框图
太阳能电池板在光照的情况下，将太阳能转化为电能，通过充电电路将能量储存到内置蓄电池中，在需要的时候，内置蓄电池释放电能向负载供电。

考虑到便携式的要求，太阳能电池板的体积不应太大，因此选用的太阳能电池板尺寸为
115mm×51mm，相关参数为工作电压为5V，最大工作电流为100mA，最大短路电流为120 mA，蓄电池选用额定容量为2600mAH的三星锂电池。

2 硬件电路设计
2.1 充电电路的设计
充电电路的核心是如韵电子公司的CN3065芯片。

该芯片是可以用太阳能板供电
的单节锂电池充电管理芯片，具体电路如图2所示。

PV+和PV-分别为太阳能电
池板的正极和负极，P+和P-接到充电保护电路的输入端。

其工作原理是：当输入电压大于阈值电压和电池端电压时，CN3065开始对电池充电且红色LED被点亮，整个充电过程分为三个阶段，即涓流—恒流—恒压三个阶段。

充电时，如果蓄电
池的端电压大于3V，则跳过涓流，直接进入恒流充电阶段。

绿色LED点亮表示蓄电池被充满，充电周期结束。

电阻R1为限流电阻，保护发光二极管不会因为过流而烧坏。

充电电流的大小由ISET端电压与电阻R2比值确定。

R3用于调整恒压充电电压，加在充电保护输入端的大小，可以根据下面的公式计算：
VP+=4.2+3.04×10-6×R3
即恒压充电电压大小被设置为4.3V，电容C2主要起滤波的作用。

图2 充电电路
2.2 放电电路的设计
放电电路的功能是将蓄电池的电压转换为能够给手机等小电子产品充电的电压，其
对应的电路如图3所示，其核心元件是FP6291芯片。

该芯片为恒流模式的PWM 升压IC,具有过温保护、关断保护、欠压保护、过流保护等功能。

C4、C5的主要
起滤波作用，保证加到芯片FP6291上的电压更加平滑。

EN端为使能引脚，在正常使用时与VCC相连。

OC引脚与地之间的电阻R6决定输出电流的大小，输出电压的大小由电阻R7和R10的大小决定，计算公式为：
由R7和R10的数值可以得出，输出电压VO为5V，二极管D1起保护的作用。

图3 放电电路
2.3 充放电保护电路
为了避免蓄电池过充、过放而影响其使用寿命，在充电电路和蓄电池之间要有充电保护电路，防止蓄电池过充；在蓄电池和放电电路之间要有放电保护电路，防止蓄电池过放。

其保护电路如图4所示，P+和P-连接充电电路的输出端。

由图4可知，该部分电路由充放电保护芯片S8261A和MOSFET等元件组成。

在充电过程中，当电池电压超过4.3V时，S8261A芯片的CO引脚输出信号使Q2截止，从而断
开充电电路，实现过充保护的功能；在放电过程中，当蓄电池两端的电压小于
2.5V时，S8261A芯片的DO引脚输出信号使Q1截止，从而断开放电电路，实
现过放保护的功能。

VM引脚为电流检测端输出短路时，Q1和Q2的导通压降剧增，使得VM引脚电压立即升高，从而控制S8261A芯片输出信号使Q1和Q2
立刻截止，从而实现过电流和短路保护。

图4 蓄电池充放电保护电路
3 系统测试
3.1 光照条件下太阳能电池板输出特性测试
太阳能电池的输出参数与光照强度有关，为测试其输出特性，笔者测试出蚌埠市4月份某天不同时间段的输出数据，得出其输出电压在5.4V左右，几乎不变，但输
出电流随着光照度的变化而变化，其输出电流、输出功率与时间的特性曲线如图5所示。

图5 太阳能电池板时间特性曲线
通过曲线可以看出14:30左右，太阳能电池板的输出功率最大。

3.2 充电电路的测试
充电电路组装完成后，放置在室外，经过9个小时的充电，经观察，芯片的CH 端维持低电平、红色LED指示灯维持点亮一直不变，内置蓄电池并没有充满。

对此，我们不难理解，因为充电电流较小，平均不到100mA/h，9个小时也就900mAh左右。

为了验证蓄电池充满以后LED能够发出绿光，指示蓄电池已经充满，笔者在实验室中将供电部分转换成5V(1A)直流稳压电源，两三个小时以后绿色LED点亮，蓄电池已经充满。

3.3 放电电路的测试
在放电过程中，蓄电池两端的电压不断降低，放电电路输出电压的大小基本不变，稳定在5.1V左右，但是，当蓄电池两端电压在3.5V以下时，其输出电压不再稳定，输入输出曲线如图6所示。

图6 放电电路输入输出特性曲线
3.4 充放电保护电路的测试
在充放电保护电路的测试中，为避免等待时间过长，采用实验室的直流稳压电源模拟太阳能电池给蓄电池充电，放电电路的输出端直接连接USB接口小音箱进行放电，测试结果如表1所示。

表1 充放电保护电路测试结果蓄电池电压Q1状态Q2状态结果4.24V不变断开充电电路断开,停止充电2.55V断开不变放电电路断开,停止放电
3.5 整机的测试
整机电路组装完毕后，在光的照射下，某时刻测出太阳能电池板两端的电压为
5.14V，输出电流为99.2mA；而P+和P-两端的电压为4.21V，充电电流为
95.8mA。

由此可以计算该时刻充电电路的效率为：
DC-DC电路的输入电压和输入电流分别是4.2V和1.34A，而USB输出的电压和电流分别是5.14V和0.92A。

由此我们可以测出该时刻DC-DC电路的转换效率为：
4 结语
由以上测试结果可以得出，该系统能够将太阳能转换为电能为内置蓄电池充电，并且在需要的时候将蓄电池的电能释放出来向负载供电，能够实现移动电源的功能，具有体积小、成本低、携带方便等特点，适用于外出旅游人员和户外工作者。

参考文献：
[1]梁勇，赵莉华，张亚超，等.一种基于自适应模糊PID控制的移动电源设计[J].电源技术，2014(4)：752-754.
[2]周伯俊，姜平.物联网家用太阳能热水控制系统的设计[J].现代电子技术，
2015(22)：73-74.
[3]吴学军，胡晗，李文联.一种基于低功耗单片机的移动电源设计[J].电源技术，2014(3)：495-497.
[4]张阳，林凡强，陈虎.带电量显示的太阳能充电器设计[J].电子世界，2014(2)：141-142.。