韓伶霞

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

關(guān)鍵詞：超級電容；太陽能；充電器

為了應(yīng)對越來越嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，全世界的國家都致力于新的能源和節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。光伏發(fā)電的環(huán)保、可再生特性自其發(fā)現(xiàn)時就被人們廣泛關(guān)注。但是，由于太陽電池的制造成本高，連接到網(wǎng)絡(luò)時的高反轉(zhuǎn)成本和由于光強(qiáng)度的輸出導(dǎo)致電壓的大的變動，使得太陽光發(fā)電技術(shù)在當(dāng)前應(yīng)用并不廣泛。近年來隨著新能源儲藏裝置的發(fā)展，超級電容被研發(fā)出來，與傳統(tǒng)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(diǎn)，因此，在部分領(lǐng)域中超級電容正在逐漸取代傳統(tǒng)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(nèi)部阻抗很大，不適合AC電路。同時，像能量儲藏時間等技術(shù)性的頸領(lǐng)也限制其更加廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計中有效的的將兩者進(jìn)行巧妙結(jié)合，取長補(bǔ)短，設(shè)計出了能夠給手機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行戶外充電的光伏充電器。

1 設(shè)計思路

本設(shè)計的基本想法是設(shè)計與太陽能發(fā)電和超級電容特性相對應(yīng)的智能控制電路，在陽光下完成儲能，在連接充電設(shè)備之后，確保其可以對其進(jìn)行充電。設(shè)計過程中，以超級電容器為基礎(chǔ)的太陽能電池緊急充電器，劃分成太陽能電池供應(yīng)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(shè)計過程中，對各種種類的太陽能電池的性能指標(biāo)進(jìn)行了比較，然后結(jié)合實(shí)際情況選擇適當(dāng)類型的太陽能電池并通過實(shí)驗(yàn)選擇，根據(jù)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(shè)計過程中，通過大量的實(shí)驗(yàn)，通過綜合地理解超級電容的主參數(shù)和動作性能，根據(jù)充電容量和充電速度計算出電流、電壓等參數(shù)。然后在此基礎(chǔ)之上，集合太陽電池單元的不穩(wěn)定的輸出特性以及超級電容儲能的特征，設(shè)計了對應(yīng)的電流、電壓、匹配電路、過充電保護(hù)電路、充電指示電路及其他周邊電路，并重點(diǎn)對充電的智能控制電路進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化，從而確保該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化運(yùn)行。在開關(guān)打開之后，設(shè)備就會依據(jù)電能儲存量來選擇適宜的模式進(jìn)入充電模式，并通過外接LED指示燈來對點(diǎn)亮進(jìn)行顯示。在智能充電控制模塊的開發(fā)和設(shè)計中，要能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)的剩余電力的智能檢測，然后結(jié)合手機(jī)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(jìn)行選擇。

除此之外，在設(shè)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(xiàn)超級電容向光伏電池產(chǎn)生反灌電流。同時還要根據(jù)目前市場上手機(jī)電池的參數(shù)設(shè)置一個超級電容向手機(jī)電池充電的充電控制電路，該電路電壓電流必須合適、穩(wěn)定，在保證能夠快速充電的前提下有效延長手機(jī)電池的使用壽命。

2 設(shè)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(jīng)過對各類光伏電池的核心指標(biāo)進(jìn)行測試對比，結(jié)合應(yīng)急充電器高速充電的要求，選擇了環(huán)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(shè)備電量、充電速度等指標(biāo)，最終選擇了6V5.5W 的單晶硅太陽能電池。該光伏電池轉(zhuǎn)化效率為15%左右，輸出電壓約為6V，輸出電流最高可達(dá)900mA，滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求。

在超級電容儲能單元的設(shè)計過程中，為均衡儲能時間和放電速度兩大指標(biāo)，在通過大量實(shí)驗(yàn)全面了解超級電容主要參數(shù)和工作性能的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)采取了6 個單體電壓2.7V 電容500F 的超級電容器兩兩串聯(lián)、三組并聯(lián)的混連方式構(gòu)成儲能單元。

2.2 超級電容充電模塊設(shè)計

為保證光伏電池穩(wěn)定向超級電容充電，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換成值為5.29V 的穩(wěn)定直流電壓。在設(shè)計過程中，我們基于開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596，設(shè)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(wěn)定性；利用電阻R2 和R1 構(gòu)成分壓電路為LM2596 提供反饋信號；利用肖特基二極管D1 實(shí)現(xiàn)隔離和前衛(wèi)保護(hù)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(gòu)成反激式降壓（back）電路?？梢赃_(dá)到3A 的最大輸出電路，實(shí)現(xiàn)了光照快速儲能。

2.4 智能充電控制電路

為實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換電路TP3605 為核心設(shè)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(hù)、關(guān)斷保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)機(jī)制，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)94%以上。

為充分利用超級電容大電流充放電的優(yōu)點(diǎn)，我們還基于TP4056設(shè)計一款并聯(lián)大電流充電電路（見圖5），該電路可以根據(jù)被充電設(shè)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(hù)功能，我們還根據(jù)其充電模式設(shè)置了LED 指示燈，以紅色LED2 顯示充電工作狀態(tài)，以綠色LED1 顯示充電完成工作狀態(tài)，電阻R4 為熱耗散功率電阻。

3 總結(jié)

綜上所述，在超級電容光伏充電裝置設(shè)計完成后我們進(jìn)行了系統(tǒng)集成、仿真調(diào)試并制作出了實(shí)物模型。在對模型的實(shí)測過程中，基本實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急充電的預(yù)期設(shè)計功能。在實(shí)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(yōu)點(diǎn)，但是目前超級電容還存在能量密度相對較低等缺點(diǎn)，受制于材料等因素，超級電容技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)致超級電容大電流充放電的優(yōu)點(diǎn)無法體現(xiàn)；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(jìn)一步的研究解決。此次便攜式移動電源的開發(fā)設(shè)計，是對新型能源和環(huán)保儲能元件應(yīng)用的有益嘗試，且具有一定的社會實(shí)用價值。我們也希望通過該設(shè)計，探索一條應(yīng)對能源危機(jī)、解決環(huán)境污染問題的技術(shù)革新之路。

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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；

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