基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的光伏充電器

韓伶霞

摘 要：超級(jí)電容能夠儲(chǔ)存電能，因此，將光伏發(fā)電設(shè)備和超級(jí)電容進(jìn)行有效連接，就能夠在超級(jí)電容中對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存。本文設(shè)計(jì)了基于超級(jí)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(shí)如何充電的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；太陽(yáng)能；充電器

為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，全世界的國(guó)家都致力于新的能源和節(jié)能產(chǎn)品的開(kāi)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(shí)就被人們廣泛關(guān)注。但是，由于太陽(yáng)電池的制造成本高，連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(dòng)，使得太陽(yáng)光發(fā)電技術(shù)在當(dāng)前應(yīng)用并不廣泛。近年來(lái)隨著新能源儲(chǔ)藏裝置的發(fā)展，超級(jí)電容被研發(fā)出來(lái)，與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置相比，超級(jí)電容具有高速充電、高速放電、長(zhǎng)壽命、耐性良好等特點(diǎn)，因此，在部分領(lǐng)域中超級(jí)電容正在逐漸取代傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置。但是需要注意的是，與鋁電解電容器相比，超級(jí)電容器內(nèi)部阻抗很大，不適合AC電路。同時(shí)，像能量?jī)?chǔ)藏時(shí)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(jì)中有效的的將兩者進(jìn)行巧妙結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，設(shè)計(jì)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(jì)思路

本設(shè)計(jì)的基本想法是設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能發(fā)電和超級(jí)電容特性相對(duì)應(yīng)的智能控制電路，在陽(yáng)光下完成儲(chǔ)能，在連接充電設(shè)備之后，確保其可以對(duì)其進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)過(guò)程中，以超級(jí)電容器為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池緊急充電器，劃分成太陽(yáng)能電池供應(yīng)單元，超級(jí)能量?jī)?chǔ)藏單元以及智能控制電路三個(gè)單元。在太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)各種種類的太陽(yáng)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(yáng)能電池并通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇，根據(jù)充電功率和充電速度的要求計(jì)算太陽(yáng)電池的儲(chǔ)存能量。在超級(jí)電容能量?jī)?chǔ)藏裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)綜合地理解超級(jí)電容的主參數(shù)和動(dòng)作性能，根據(jù)充電容量和充電速度計(jì)算出電流、電壓等參數(shù)。然后在此基礎(chǔ)之上，集合太陽(yáng)電池單元的不穩(wěn)定的輸出特性以及超級(jí)電容儲(chǔ)能的特征，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的電流、電壓、匹配電路、過(guò)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(duì)充電的智能控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)打開(kāi)之后，設(shè)備就會(huì)依據(jù)電能儲(chǔ)存量來(lái)選擇適宜的模式進(jìn)入充電模式，并通過(guò)外接LED指示燈來(lái)對(duì)點(diǎn)亮進(jìn)行顯示。在智能充電控制模塊的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中，要能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)的剩余電力的智能檢測(cè)，然后結(jié)合手機(jī)電池的剩余電力狀況，在3個(gè)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(jì)控制電路時(shí)，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(jí)電容充電，以及防止在光照不足的情況下出現(xiàn)超級(jí)電容向光伏電池產(chǎn)生反灌電流。同時(shí)還要根據(jù)目前市場(chǎng)上手機(jī)電池的參數(shù)設(shè)置一個(gè)超級(jí)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(zhǎng)手機(jī)電池的使用壽命。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 核心器件的選擇

目前，市場(chǎng)上各種型號(hào)的單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽(yáng)能電池種類很多，我們經(jīng)過(guò)對(duì)各類光伏電池的核心指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試對(duì)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(yáng)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(yáng)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(jì)要求。

在超級(jí)電容儲(chǔ)能單元的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為均衡儲(chǔ)能時(shí)間和放電速度兩大指標(biāo)，在通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)全面了解超級(jí)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(gè)單體電壓2.7V 電容500F 的超級(jí)電容器兩兩串聯(lián)、三組并聯(lián)的混連方式構(gòu)成儲(chǔ)能單元。

2.2 超級(jí)電容充電模塊設(shè)計(jì)

為保證光伏電池穩(wěn)定向超級(jí)電容充電，實(shí)現(xiàn)光伏電池與超級(jí)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(jì)過(guò)程中，我們基于開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596，設(shè)計(jì)了光伏電池與超級(jí)電容之間的智能充電控制電路（見(jiàn)圖2）.該電路利用旁路電容C1 的儲(chǔ)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L(zhǎng)M2596 提供反饋信號(hào)；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。可以達(dá)到3A 的最大輸出電路，實(shí)現(xiàn)了光照快速儲(chǔ)能。

2.4 智能充電控制電路

為實(shí)現(xiàn)超級(jí)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(jì)了DC-DC 直流電壓變換電路（見(jiàn)圖4），該電路還具有過(guò)溫保護(hù)、關(guān)斷保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)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(jí)電容大電流充放電的優(yōu)點(diǎn)，我們還基于TP4056設(shè)計(jì)一款并聯(lián)大電流充電電路（見(jiàn)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(jí)電容光伏充電裝置設(shè)計(jì)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(duì)模型的實(shí)測(cè)過(guò)程中，基本實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急充電的預(yù)期設(shè)計(jì)功能。在實(shí)測(cè)中我們也意識(shí)到，雖然超級(jí)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(jí)電容還存在能量密度相對(duì)較低等缺點(diǎn)，受制于材料等因素，超級(jí)電容技術(shù)還有待完善。特別是目前市場(chǎng)上的充電管理芯片輸入電壓范圍較小，導(dǎo)致超級(jí)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(jí)電容大電流充放電的優(yōu)點(diǎn)無(wú)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(wèn)題都需要我們進(jìn)一步的研究解決。此次便攜式移動(dòng)電源的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，是對(duì)新型能源和環(huán)保儲(chǔ)能元件應(yīng)用的有益嘗試，且具有一定的社會(huì)實(shí)用價(jià)值。我們也希望通過(guò)該設(shè)計(jì)，探索一條應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、解決環(huán)境污染問(wèn)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；

身份證號(hào)碼：320681198903111222）