戶外多能源充電寶方案開發(fā)

近年來，隨著經(jīng)濟全球化的浪潮席卷全球，能源與環(huán)保等問題也日益成為國際間各受矚目的話題，國際問的環(huán)保合作正蓬勃興起。機械能發(fā)電是一種不受環(huán)境約束的清潔環(huán)保而且便捷的能源，一直受到人們的青睞；風(fēng)能發(fā)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(huán)境污染、取之不盡用之不竭又無地域限制的優(yōu)勢。本文設(shè)計的充電器正是從這幾個方面出發(fā)，集機械能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電于一體，并且充電器采用模塊式結(jié)構(gòu)和標準USB接口，可對手機、MP3、攝像機等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。

一、智能充電寶原理

本智能充電寶構(gòu)成如下圖所示，由機械能轉(zhuǎn)化電路、風(fēng)能轉(zhuǎn)化電路、太陽能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化輸入部分：機械能電壓變換電路、風(fēng)能轉(zhuǎn)化電路以及太陽能轉(zhuǎn)化電路。充電寶輸出部分：充電器設(shè)有標準USB接口、應(yīng)急照明燈。電源部分：蓄電池管理電路可實時監(jiān)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(shù)據(jù)處理后，把時間、經(jīng)緯度、海拔實時顯示在LED。

二、充電寶各模塊的設(shè)計

2.1充電能量輸入部分

本產(chǎn)品的使用穩(wěn)壓器件為L7805cv。L7805ev是一款三端正電壓穩(wěn)壓器，其組成穩(wěn)壓電源不需外接補償元件，內(nèi)含限流保護電流，防止負載短路燒毀元件：內(nèi)含高溫過熱保護電路：防止結(jié)溫過熱燒毀器件，內(nèi)含功耗限制電路；防止燒毀輸出驅(qū)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(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)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(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)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(tǒng)、定時器/計時器等功能，集成到一塊硅片上構(gòu)成的個小而完善的計算機系統(tǒng)。

本產(chǎn)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(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看¨狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個l6位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，商到下一個中斷或硬件復(fù)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(dǎo)體在磁場中作切割磁感線運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流。這種利用磁場產(chǎn)生電流的方法叫做電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的回路電流叫做感應(yīng)電流。通過切割電磁圈的磁感線，可以使機械能轉(zhuǎn)化為電能。利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象可以制成發(fā)電機，實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)化為電能。交流發(fā)電機最大的感應(yīng)電動勢滿足公式Em=nBStotel。

機械能轉(zhuǎn)化電路能夠把不穩(wěn)定的、過大的機械能發(fā)電機的輸出電壓轉(zhuǎn)換為標準的輸入電壓，防止機械能發(fā)電機產(chǎn)生的電壓波動過大對其他電路或蓄電池產(chǎn)生嚴重影響。由于機械能發(fā)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(jīng)過穩(wěn)壓器件L7805ev進行穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)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(jīng)由L7805cv輸出的電流較大，所以串聯(lián)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(shè)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(fēng)能部分

風(fēng)帶動風(fēng)車旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，通過電磁感應(yīng)原理將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

風(fēng)能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化電壓，風(fēng)能轉(zhuǎn)化所得電壓波動較小，風(fēng)能發(fā)電機的輸出電壓及功率相對較低，因此，風(fēng)能轉(zhuǎn)化電路首先利用全橋整流，再經(jīng)過穩(wěn)壓器件L78o5ev進行穩(wěn)壓即可輸出穩(wěn)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(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象為光伏效應(yīng)。它首先是由光子轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)生光生伏特效應(yīng)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(yīng)的最大靈敏度為0.8—0.95m。

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

2.2充電能量輸出部分

本產(chǎn)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?？烧槭謾C、相機、MP3等設(shè)備供電，以備不時之需。其次，本產(chǎn)品帶有高效節(jié)能照明燈，當夜間光線較暗時，通過開關(guān)控制選擇使用蓄電池或者把機械能、風(fēng)能模塊的額外能量經(jīng)過提供照明電路使用，可供應(yīng)急之需。使照明燈把額外的機械能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化而來的電能利用起來，當機械能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化而來的能量較少，即電壓不夠，或者機械能、風(fēng)能部分沒有工作，照明電路可自動轉(zhuǎn)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(chǎn)品的供電設(shè)備，除了性能要滿足供電產(chǎn)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(chǎn)品出現(xiàn)故障時，如電子產(chǎn)品輸入側(cè)短路或輸出側(cè)開路時，則電源必須關(guān)閉其輸出電壓，保護設(shè)備內(nèi)部電路等不被燒毀，否則可能引起電子產(chǎn)品的進一步損壞。本產(chǎn)品電源內(nèi)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(shè)定電流時候，設(shè)備自動斷電，以保護設(shè)備的方法稱為過流保護。當Ql的EB二端電壓為O.TV時，Q1導(dǎo)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(dǎo)通了，導(dǎo)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(nèi)，這就是過壓保護。當開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)輸出過壓現(xiàn)象時，過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設(shè)備。

在性能上，可控硅不僅具有單向?qū)щ娦裕揖哂斜裙枵髟哂锌煽匦?。它只有?dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)?？煽毓璧膬?yōu)點很多，如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒數(shù)量級內(nèi)開通、關(guān)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(xù)高電壓充電，可能導(dǎo)致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏液等情況發(fā)生，導(dǎo)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(xù)向負極轉(zhuǎn)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(xiàn)象，出現(xiàn)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(xù)放電的現(xiàn)象。超過電池放電的截止電壓，還繼續(xù)放電時會造成電池內(nèi)壓升高，正、負極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，使電池的容量產(chǎn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，過放使更多的鋰離子遷出，破壞了負極的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，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(guān)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(guān)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(dǎo)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(guān)斷，從而實現(xiàn)過電流或短路保護。

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(zhuǎn)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(wěn)定不變。隨著充電的繼續(xù)進行，電池電壓逐漸上升到4.2V，此時充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)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(xù)補充電荷，最后使電池處于充足狀態(tài)。

(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(dǎo)致內(nèi)部發(fā)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(xù)放電，將產(chǎn)生過放現(xiàn)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(qū)別。放電率越大，相應(yīng)剩余容量下的電池。電壓就越低。根據(jù)鋰電池充、放電電壓與電量對應(yīng)關(guān)系可測量電池容量。根據(jù)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(yīng)關(guān)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(fā)射發(fā)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(nèi)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(yù)估電量減少，否則即認為電量并未發(fā)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(jiān)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(shè)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(zhuǎn)換為ADC可以檢測到的電壓信號，從而計算一段時間內(nèi)消耗的真實電量。

總結(jié)

雖目前已有很多用于給手機等電子設(shè)備充電的自行車，但是大多數(shù)的產(chǎn)品主要有如下兩個缺點。一方面，多數(shù)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(shù)用戶難以接受，因此無法普及。本產(chǎn)品從生活出發(fā)，充分利用了自然資源，將風(fēng)能、太陽能、機械能結(jié)合考慮，不僅實現(xiàn)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(chǎn)品可以充分利用風(fēng)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(huán)保健康，是未來發(fā)展的趨勢，有較好的應(yīng)用前景。

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