段雨帆，向長城，朱紫茵，王培元

（湖北文理學院，湖北襄陽，441053）

1 背景需求及意義

隨著社會的發(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，不僅會給我們的工作帶來極大不便，也會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。因此，在野外時，需備一個應急電源，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，希望可以解決人們在野外出行的能源需求問題。同時，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，儲能能力強，技術發(fā)展成熟，早已廣泛應用于人們生活中的移動設備，且成本降低。利用柔性太陽能板、51單片機和鋰電池設計一款野外便攜式太陽能應急電源，能夠保證在野外時緊急用電。

該應急電源模塊化設計，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，轉換效率為8~10%，整體厚度僅為1.5mm?？梢宰屓藗兝锰柲転樵O備提供續(xù)航能力，同時方便攜帶。其節(jié)能led的附加，讓人們在野外的夜晚隨時隨地享受光明。USB口可以為多種設備供電，減少無電可用的尷尬。

2 系統(tǒng)設計方案

野外便攜式太陽能應急電源設計方案如圖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計，彌補普通太陽能板不能折疊，占用面積大的缺點。實現(xiàn)了能在背包上掛載的便攜特點。

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

(3)采用可調壓放電電路，能滿足野外設備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設備安全。

3 單元電路分析及設計

■3.1 電源充電模塊

太陽能應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，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，太陽能應急電源采用51單片機控制，可以進行LED照明，同時可以實現(xiàn)擴展功能。采用按鍵輸入，51單片機對按鍵的信號進行采集。繼電器控制通斷。我們這里用的是一個5V的繼電器，電路如圖3、圖4所示。

圖3 太陽能板擴展電路

■3.2 照明電路模塊

此太陽能應急電源有一個可開關的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 外接設備用電模塊

此太陽能應急電源有一個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，可以靈活的為多種小型設備供電，保證人們基本的用電需求。在便攜性上實用性也同樣不低，它的外接用電設備電路如圖5所示，與usb充電電路為同一個電路模塊。

圖5 外接設備用電原理圖

4 系統(tǒng)軟件設計

由于51芯片的加入，使得所設計的太陽能應急電源具有極為廣闊的擴展能力，考慮到實用性與擴展功能的功率損耗等問題，只加入兩個由51單片機芯片作為控制的擴展功能。

■4.1 充電控制

此太陽能應急電源的充電控制主要是指在充電過程中，因某些原因導致電池溫度過高或過低而造成電池不正常工作時，采取的必要控制措施，由51芯片配合TP4056完成。通過DSP2812采集得到的電池準確溫度數(shù)據(jù)與設定范圍比較，若超過范圍，通過51控制TP4056的TEMP端對地電阻進行降低充電電流。若超過最大溫度設定范圍，則斷開充電過程。

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

■4.2 藍牙通信

51單片機配合ADC0809完成對電池電壓數(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，由于藍牙模塊具有低功耗特點，因此可以選用藍牙模塊作為數(shù)據(jù)的發(fā)送器。在手機中安裝藍牙上位機軟件，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)測試

設計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，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)線對設計中的鋰電池進行充電，以代替太陽能充電達到充電的目的。

使用太陽能充電時，在陽光充足條件下，充電電流可達1.6A，充電功率接近7W，當光照較弱時，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。當電池溫度超過45℃，則開始對充電電流進行限制。放電上，采用電壓可調控制輸出模式，正常情況下為5V的輸出電壓，可通過調節(jié)器將電壓轉換為5V~12V的電壓輸出。滿足不同用電設備對電壓的需求。

6 總結

將高效率太陽能充電裝置與背包結合的便攜式設計，主要改進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。使得系統(tǒng)擁有更為廣泛的實用性，并為野外探索，外出活動，應急救援提供一種穩(wěn)定、高效的能源解決方案。