作品內(nèi)容簡介
通過實驗設(shè)計了一套太陽能集成電源箱，屬于應(yīng)急電源箱。該電源箱采用便攜式設(shè)計，內(nèi)置儲能電池與超級電容組，使用電源安全控制策略，可實現(xiàn)超級電容與儲能電池獨立輸出或并網(wǎng)輸出，以適用于不同功率的場合。有完善的人機交互界面，可以對電源的實時狀態(tài)進行監(jiān)測。充電策略合理，可以由用戶自主充電或者通過自帶太陽能電池板恒流充電。多種電壓等級輸出，根據(jù)不同的用電設(shè)備，選擇不同的輸出電壓。可升降太陽能板，使太陽能充電功率達到最大，提高充電效率。帶有12W無線供電模塊，可給一些帶有無線充電功能的電器，進行充電。內(nèi)部電源輸出控制全部采用繼電控制，系統(tǒng)不開機，則接口無輸出。如圖（1）所示為系統(tǒng)硬件框圖。
圖(1) 系統(tǒng)框圖
1 研制背景及意義
目前，有眾多的商家都在做應(yīng)急電源，主要有以下幾種。家庭UPS（不間斷電源）、戶外電池盒、汽車應(yīng)急啟動電源、充電寶（移動電源）等。家庭UPS主要功能為家庭停電備用電源，其輸出為AC220V，但是，其內(nèi)部自帶電池組容量小、輸出功率低、價格高。戶外電池盒是一種可自行組裝的電源提供裝置，根據(jù)用戶需求，放置不同的蓄電池，已得到不同的使用電壓，組裝麻煩，攜帶不便，需要外接電源變換裝置。汽車應(yīng)急啟動電源是一種能夠提供瞬時大電流的電源裝置，當(dāng)汽車自帶電池過放電，不能啟動時，外接汽車應(yīng)急電源，可實現(xiàn)汽車應(yīng)急啟動，但是，其容量小、價格高、功能單一。充電寶主要為一些數(shù)碼產(chǎn)品提供電能，在這里不再贅述。
我們所設(shè)計的這款太陽能集成電源箱，利用儲能電池與超級電容組進行電能的儲存，內(nèi)置多種電源變換器，提供常用的多種電壓，可以對使用不同電源的設(shè)備提供電能。內(nèi)部各個輸出口均采用繼電器控制，系統(tǒng)不開機，各個接口就沒有輸出電壓，保證了電源的安全性，通過按鍵輸入，控制各個接口及設(shè)備的電能提供。外置一塊10W的太陽能電池板，通過恒流充電模塊給鋰電池組和超級電容供電，充電效率高達80%。通過液晶顯示器，顯示內(nèi)部電壓以及各個接口處電壓，方便用戶得到電源箱的實時工作狀態(tài)。帶有12W無線供電模塊，可給一些帶有無線充電功能的電器，進行充電，如圖（2）所示為電源箱控制面板。
圖（2）電源箱控制面板
2 設(shè)計方案
2.1 電氣控制
（1）充電部分
充電部分由太陽能充電與外接充電組成。太陽能充電由太陽能電池加恒流充電板構(gòu)成太陽能恒流充電器，在這部分電路中設(shè)置了保險開關(guān)，在不使用太陽能充電功能時，可關(guān)閉太陽能充電功能。外接充電口為XT60的接口，在給內(nèi)置的電池充電時，作為充電口用，也可作為外接電池端口。
（2）輸出部分
輸出功率等級有5V/40W、220V/400W、12V/1200W、12W無線供電四種，每一路的輸出都通過控制器進行控制?？梢元毩⑤敵?，也可以共同輸出，互不干擾。利用單片機內(nèi)部的ADC外設(shè)進行實時監(jiān)測電池電壓，防止電池過放電。
2.2 機械部分
（1）外殼材料選擇
方案一:外殼的材料使用薄木板，薄木板在制作時比較好裁取，而且電源箱當(dāng)中，電子器件較多，木板可以起到絕緣的作用。
方案二: 外殼的材料使用工程塑料板，工程塑料板其韌性較高，而且電源箱當(dāng)中，電子器件較多，工程塑料板同樣可以起到絕緣的作用。
通過兩種方案的對比與材料的獲取條件，我選擇方案一。
（2）太陽能板支撐裝置選擇
方案一:使用連接杠進行支撐，但是，每次需要撐起或下落時，都需要人工調(diào)節(jié)，使用不方便，而且撐起角度不易控制。
方案二:使用舵機進行控制，通過控制舵機旋轉(zhuǎn)角度，控制撐起高度。
通過兩種方案對比，我選擇方案二。
如圖（3）所示為電源箱整體效果圖及內(nèi)部接線圖。
圖（3）電源箱整體效果圖及內(nèi)部接線圖
3 理論設(shè)計計算
（1）電源箱使用的核心器件參數(shù)
表（1）電源箱使用的核心器件參數(shù)
器件名稱 參數(shù) 器件名稱 參數(shù)
4 工作原理及性能分析
（1）工作原理
該電源箱采用模塊化設(shè)計， 主要由太陽能充電模塊、繼電控制模塊、顯示模塊、升壓模塊、降壓模塊、主控制器模塊、鍵盤輸入模塊構(gòu)成。每部分 發(fā)生故障時都可以獨立更換，幾路輸出互不干擾，其工作原理如下:
太陽能充電過程：太陽能電池板收到光照時，產(chǎn)生電能，通過恒流充電板對儲能電池進行恒流充電，如圖（4）所示為太陽能電池板。
圖（4）太陽能電池板
整機工作過程（放電）：顯示部分實時顯示儲能電池與超級電容的電壓，通過按鍵，可分別控制5V、12V、220V 的輸出，所輸出的電壓等級，根據(jù)用戶需求進行選擇，如圖（5）所示為電源箱外部接口。
圖（5）電源箱外部接口
隨著近幾年電子技術(shù)的發(fā)展，使用和支持無線充電的設(shè)備越來越多，無線充電也成為的電子設(shè)備電源提供的一種趨勢。無線充電器是指不用傳統(tǒng)的充電電源線連接到需要充電的終端設(shè)備上的充電器，采用了最新的無線充電技術(shù)，通過使用線圈之間產(chǎn)生的交變磁場，傳輸電能，電感耦合技術(shù)將會成為連接充電基站和設(shè)備的橋梁，如圖（6）所示為無線充電模塊。
圖（6）無線充電模塊
（2）性能分析
（a）如圖（7）所示為電源箱AC220V的電源輸出波形：
輸出電壓：AC 225V
頻率：50Hz
圖（7）逆變電源輸出波形
（b）如表（2）所示為電源箱各個電源輸出口的輸出電壓測試與充電電流測試。
表（2）輸入/輸出測試
5 創(chuàng)新點及應(yīng)用
（1）創(chuàng)新點：
（a）內(nèi)置儲能電池與超級電容組，使用電源安全控制策略，可實現(xiàn)超級電容與儲能電池獨立輸出或并網(wǎng)輸出，以適用于不同功率的場合；
（b）有完善的人機交互界面，可以對電源的實時狀態(tài)進行監(jiān)測；
（c）可升降太陽能板，使太陽能充電功率達到最大，提高充電效率。
（2）應(yīng)用場景：
（a）野外巡查時，可給一些巡查設(shè)備供電，如：無人機、跟蹤儀、對講機等設(shè)備；
（b）外出野營時，可以使用一些小功率電飯煲做飯，減小森林火災(zāi)發(fā)生的機率；
（c) 社區(qū)緊急停電時，可以作為USP電源在屋內(nèi)使用；
（d）汽車內(nèi)置電池不小心過放電，導(dǎo)致汽車無法啟動時，可使用電源箱進行啟動。
如圖（8）所示，展示的太陽能集成電源箱的幾個應(yīng)用場景。
圖（8）應(yīng)用場景
