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戶外多能源充電寶開發設計


近年來,隨著經濟全球化的浪潮席卷全球,能源與環保等問題也日益成為國際間各受矚目的話題,國際問的環保合作正蓬勃興起。機械能發電是一種不受環境約束的清潔環保而且便捷的能源,一直受到人們的青睞;風能發電是一種局限性相對較大的但可利用價值非常大的能源,一直不容忽視爪陽能作為一種新型能源具有綠色清潔、無環境污染、取之不盡用之不竭又無地域限制的優勢。本文設計的充電器正是從這幾個方面出發,集機械能發電、風能發電、太陽能發電于一體,并且充電器采用模塊式結構和標準USB接口,可對手機、MP3、攝像機等多種數碼產品充電。

一、智能充電寶原理

本智能充電寶構成如下圖所示,由機械能轉化電路、風能轉化電路、太陽能轉化電路、電源及其管理電路、低功耗單片機、GPS模塊以及顯示模塊組成。充電寶能量轉化輸入部分:機械能電壓變換電路、風能轉化電路以及太陽能轉化電路。充電寶輸出部分:充電器設有標準USB接口、應急照明燈。電源部分:蓄電池管理電路可實時監控蓄電池狀況,并顯示在LED,并且對莆電池做過壓、過流、過充、過放等多重保護;處理部分:單片機通過對GPS模塊接收到的數據處理后,把時間、經緯度、海拔實時顯示在LED。

智能充電寶系統框圖

二、充電寶各模塊的設計

2.1充電能量輸入部分

本產品的使用穩壓器件為L7805cv。L7805ev是一款三端正電壓穩壓器,其組成穩壓電源不需外接補償元件,內含限流保護電流,防止負載短路燒毀元件:內含高溫過熱保護電路:防止結溫過熱燒毀器件,內含功耗限制電路;防止燒毀輸出驅動器晶體管,使用起來可靠、方便。輸出電流可達1.5A,輸出電壓的范圍是4.75—5.25V,輸入電壓范圍為7-35V,輸出電阻小,非常適合于作為機械能、風能、太陽能轉化電路的核心器件。

單片機是一種集成在電路芯片,是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器R0M、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能,集成到一塊硅片上構成的個小而完善的計算機系統。

本產品采用STC89C52單片機作為核心處理芯片,STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統可編程Flash存儲器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能:8K字節Flash,512字節RAM,32位I/O口線,看¨狗定時器,內置4KBEEPROM,MAX810復位電路,三個l6位定時器/計數器,一個6向量2級中斷結構,全雙工串行口。空閑模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下,RAM內容被保存,振蕩器被凍結,單片機一切工作停止,商到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz,6T/12T可選。

1、機械能部分

當閉合電路的一部分導體在磁場中作切割磁感線運動時,導體中就會產生電流。這種利用磁場產生電流的方法叫做電磁感應,產生的回路電流叫做感應電流。通過切割電磁圈的磁感線,可以使機械能轉化為電能。利用電磁感應現象可以制成發電機,實現機械能轉化為電能。交流發電機最大的感應電動勢滿足公式Em=nBStotel。

機械能轉化電路能夠把不穩定的、過大的機械能發電機的輸出電壓轉換為標準的輸入電壓,防止機械能發電機產生的電壓波動過大對其他電路或蓄電池產生嚴重影響。由于機械能發電機的輸出電壓及功率波動較大,因此,首先利用全橋整流和電容濾波后得到直流電壓輸出,再經過穩壓器件L7805ev進行穩壓,輸出穩定的5V電壓,并通過標注USB接口輸出。其中電容用來濾除芯片輸出輸入端的高頻、低頻電壓,又由于經由L7805cv輸出的電流較大,所以串聯一個5n的分壓限流電阻,L7805ev輸出的是約為5V的直流電壓。更加方便地為各種設備充電,為了也能直接給電池充電,在輸出端增加1個1N4007二極管,利用二極管壓降原理,得到鋰電池標準充電電壓,可正常為蓄電池充電和供照明燈工作使用。

2、風能部分

風帶動風車旋轉,將風能轉化為機械能,通過電磁感應原理將機械能轉化為電能。

風能轉化電路原理與機械能電壓變換電路原理相似。相比于機械能轉化電壓,風能轉化所得電壓波動較小,風能發電機的輸出電壓及功率相對較低,因此,風能轉化電路首先利用全橋整流,再經過穩壓器件L78o5ev進行穩壓即可輸出穩定的5V電壓,以供使用。L7805cv輸出的是5V的直流電壓。在輸出端增加1個1N4007二極管利用二極管壓降原理提供給得鋰電池標準充電電壓,進而為蓄電池充電可以正常為蓄電池充電和供照明燈工作使用。

3、太陽能部分

光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象為光伏效應。它首先是由光子轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程;其次,是形成電壓過程。形成電流的回路后,可給負載供電。太陽能電池種類很多,目前產品中仍以硅太陽能電池為主。硅太陽能電池對不同波長的入射光有不同的靈敏度,能夠產生光生伏特效應的太陽輻射波長范圍為0.4一1.1m,硅太陽能電池光譜響應的最大靈敏度為0.8—0.95m。

由于光能轉換的電能不穩定需穩壓電路來完成電壓的穩定工作。此設計中的穩壓電路主要由集成穩壓CW7805、電容及用于防止電流回流的二極管組成。

太陽能充電寶方案設計

2.2充電能量輸出部分

本產品配置標準USB輸出接口,輸出電壓為4.75V一5.25V,輸出約為500mA。可正常為手機、相機、MP3等設備供電,以備不時之需。其次,本產品帶有高效節能照明燈,當夜間光線較暗時,通過開關控制選擇使用蓄電池或者把機械能、風能模塊的額外能量經過提供照明電路使用,可供應急之需。使照明燈把額外的機械能、風能轉化而來的電能利用起來,當機械能、風能轉化而來的能量較少,即電壓不夠,或者機械能、風能部分沒有工作,照明電路可自動轉為以蓄電池供電模式以維持工作。

2.3充電寶的電源部分

1、電源保護

電源作為一切電子產品的供電設備,除了性能要滿足供電產品的要求外,其自身的保護措旋也非常重要,如過壓、過流、過熱保護等。一旦電子產品出現故障時,如電子產品輸入側短路或輸出側開路時,則電源必須關閉其輸出電壓,保護設備內部電路等不被燒毀,否則可能引起電子產品的進一步損壞。本產品電源內置了多種保護電路,如過流保護、過壓保護、過充電保護和過放電保護等。

(1)過流保護:當電流超過設定電流時候,設備自動斷電,以保護設備的方法稱為過流保護。當Ql的EB二端電壓為O.TV時,Q1導通,c端輸出電壓,從而過流檢測的原理,檢測電流的大小取決于RI、R2的值,三極管EB二端電壓超過0.7V就導通了,導通后電路就會切斷后級的輸出,這樣起到保護作用。

(2)過壓保護:當輸出電壓超過一定值時,把輸出電壓限定在安全值的范圍內,這就是過壓保護。當開關電源內部穩壓環路出現故障或者出現輸出過壓現象時,過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設備。

在性能上,可控硅不僅具有單向導電性,而且具有比硅整流元件更具有可控性。它只有導通和關斷兩種狀態。可控硅的優點很多,如:以小功率控制大功率,功率放大倍數高達幾十萬倍;反應極快,在微秒數量級內開通、關斷;無觸點運行,無火花、無噪音等等。

(3)過充電保護:過充電是指在正常充電完畢后,繼續高電壓充電,可能導致電池內壓升高、電池變形、漏液等情況發生,導致電池的性能顯著降低甚至電池損壞。過充使正極殘余的鋰離子繼續向負極轉移,但負極無法嵌入更多鋰離子,使鋰離子在負極表面以金屬鋰析出,造成枝晶等現象,出現隔離膜破損、電池短路、電解液泄露燃燒等危險。

(4)過放電保護:過放電是電池正常放電至截止電壓后,繼續放電的現象。超過電池放電的截止電壓,還繼續放電時會造成電池內壓升高,正、負極活性物質的可逆性遭到損壞,使電池的容量產生明顯減少。由于負極中需要保持一定的鋰離子才能保持結構的穩定,過放使更多的鋰離子遷出,破壞了負極的穩定結構,造成負極不可逆的損壞。

該電路主要由鋰電池保護專用集成電路DW01,充、放電控制由MOS—FET等部分組成。在充電過程中,當單體電池的電壓超過4.35V時,專用集成電路DW01的OC腳輸出信號使充電控制MOSFET關斷,鋰電池立即停止充電,從而防止鋰電池因過充電而損壞。放電過程中,當單體電池的電壓降到3.70V時,DW01的OD腳輸出信號使放電控制MOSFET關斷,鋰電池立即停止放電,從而防止鋰電池因過放電而損壞,DW01的CS腳為電流檢測腳,輸出短路時,充放電控制MOSFET的導通壓降劇增,CS腳電壓迅速升高,DW01輸出信號使充放電控制MOSFET迅速關斷,從而實現過電流或短路保護。

移動電源方案公司

2、電池剩余電量處理

(1)鋰電池的充電特性:鋰離子電池對電壓精度的要求很高,誤差不能超過1%。目前使用比較普遍的是額定電壓3.7V的電池,該電池的充電終止電壓為4.2V,那么允許的誤差范圍就是0.042V。鋰離子電池通常都采用恒流轉恒壓充電模式。充電開始為恒流階段,電池的電壓較低,在此過程中,充電電流穩定不變。隨著充電的繼續進行,電池電壓逐漸上升到4.2V,此時充電器應立即轉入恒壓充電,充電電流逐漸減小。當電流下降到某一范圍,進入涓流充電階段,充電器以某一充電速率給電池繼續補充電荷,最后使電池處于充足狀態。

(2)鋰電池的放電特性:鋰電池放電時,一是放電電流不能過大,過大的電流會導致內部發熱,有可能會造成永久性的傷害。是電池電壓不能低于放電終止電壓后,若仍然繼續放電,將產生過放現象,這也會造成電池永久性損壞。不同的放電率下,電池電壓的變化有很大的區別。放電率越大,相應剩余容量下的電池。電壓就越低。根據鋰電池充、放電電壓與電量對應關系可測量電池容量。根據電池正常使用的充、放電曲線,對充放電過程進行4等分,以充電限制電壓為4.2V的鋰電池為例,可以列出電壓一剩余電量百分比對應關系如下:4.20V一100%,3.85V一75%,3.75V一50%,3.60V一25%,3.40V一5%,顯然,這種精度最高只有25%。另外.電池電壓會隨著RFPA的功率發射發生突變,通常會變小0.2V一0.3V。為了解決電池電壓突然變小的測量問題,普遍方法是利用軟件算法進行均值濾波,對一段時間內的電池電壓進行均值化,如果該時間段的平均電池電壓下降,則說明預估電量減少,否則即認為電量并未發生實際變化。

電池電壓模擬剩余電量的方法存在著缺陷,通過庫侖計實時監測電池消耗電量而計算剩余電量的方法則可以改善這一缺陷。FAN4010是一顆電流檢測芯片,專門用于檢測便攜式設備電池的充電,放電電流,能將通過精密檢測電阻的電流信號轉換為ADC可以檢測到的電壓信號,從而計算一段時間內消耗的真實電量。

總結

雖目前已有很多用于給手機等電子設備充電的自行車,但是大多數的產品主要有如下兩個缺點。一方面,多數改造的自行車所利用的能源單一,需要長時間進行充電;另一方面由于其價格昂貴,多數用戶難以接受,因此無法普及。本產品從生活出發,充分利用了自然資源,將風能、太陽能、機械能結合考慮,不僅實現了充電功能,而且最大程度的利用了自然資源。綜上所述,本產品可以充分利用風能、太陽能以及機械能,適合去海邊、登山等騎行愛好者,并且清潔環保健康,是未來發展的趨勢,有較好的應用前景。

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