户外多能源充电宝方案开发

近年来，随着经济全球化的浪潮席卷全球，能源与环保等问题也日益成为国际间各受瞩目的话题，国际问的环保合作正蓬勃兴起。机械能发电是一种不受环境约束的清洁环保而且便捷的能源，一直受到人们的青睐；风能发电是一种局限性相对较大的但可利用价值非常大的能源，一直不容忽视爪阳能作为一种新型能源具有绿色清洁、无环境污染、取之不尽用之不竭又无地域限制的优势。本文设计的充电器正是从这几个方面出发，集机械能发电、风能发电、太阳能发电于一体，并且充电器采用模块式结构和标准USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。

一、智能充电宝原理

本智能充电宝构成如下图所示，由机械能转化电路、风能转化电路、太阳能转化电路、电源及其管理电路、低功耗单片机、GPS模块以及显示模块组成。充电宝能量转化输入部分：机械能电压变换电路、风能转化电路以及太阳能转化电路。充电宝输出部分：充电器设有标准USB接口、应急照明灯。电源部分：蓄电池管理电路可实时监控蓄电池状况，并显示在LED，并且对莆电池做过压、过流、过充、过放等多重保护；处理部分：单片机通过对GPS模块接收到的数据处理后，把时间、经纬度、海拔实时显示在LED。

二、充电宝各模块的设计

2.1充电能量输入部分

本产品的使用稳压器件为L7805cv。L7805ev是一款三端正电压稳压器，其组成稳压电源不需外接补偿元件，内含限流保护电流，防止负载短路烧毁元件：内含高温过热保护电路：防止结温过热烧毁器件，内含功耗限制电路；防止烧毁输出驱动器晶体管，使用起来可靠、方便。输出电流可达1.5A，输出电压的范围是4.75—5.25V，输入电压范围为7-35V，输出电阻小，非常适合于作为机械能、风能、太阳能转化电路的核心器件。

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器R0M、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能，集成到一块硅片上构成的个小而完善的计算机系统。

本产品采用STC89C52单片机作为核心处理芯片，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8K字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看¨狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个l6位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，商到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

1、机械能部分

当闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动时，导体中就会产生电流。这种利用磁场产生电流的方法叫做电磁感应，产生的回路电流叫做感应电流。通过切割电磁圈的磁感线，可以使机械能转化为电能。利用电磁感应现象可以制成发电机，实现机械能转化为电能。交流发电机最大的感应电动势满足公式Em=nBStotel。

机械能转化电路能够把不稳定的、过大的机械能发电机的输出电压转换为标准的输入电压，防止机械能发电机产生的电压波动过大对其他电路或蓄电池产生严重影响。由于机械能发电机的输出电压及功率波动较大，因此，首先利用全桥整流和电容滤波后得到直流电压输出，再经过稳压器件L7805ev进行稳压，输出稳定的5V电压，并通过标注USB接口输出。其中电容用来滤除芯片输出输入端的高频、低频电压，又由于经由L7805cv输出的电流较大，所以串联一个5n的分压限流电阻，L7805ev输出的是约为5V的直流电压。更加方便地为各种设备充电，为了也能直接给电池充电，在输出端增加1个1N4007二极管，利用二极管压降原理，得到锂电池标准充电电压，可正常为蓄电池充电和供照明灯工作使用。

2、风能部分

风带动风车旋转，将风能转化为机械能，通过电磁感应原理将机械能转化为电能。

风能转化电路原理与机械能电压变换电路原理相似。相比于机械能转化电压，风能转化所得电压波动较小，风能发电机的输出电压及功率相对较低，因此，风能转化电路首先利用全桥整流，再经过稳压器件L78o5ev进行稳压即可输出稳定的5V电压，以供使用。L7805cv输出的是5V的直流电压。在输出端增加1个1N4007二极管利用二极管压降原理提供给得锂电池标准充电电压，进而为蓄电池充电可以正常为蓄电池充电和供照明灯工作使用。

3、太阳能部分

光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象为光伏效应。它首先是由光子转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。形成电流的回路后，可给负载供电。太阳能电池种类很多，目前产品中仍以硅太阳能电池为主。硅太阳能电池对不同波长的入射光有不同的灵敏度，能够产生光生伏特效应的太阳辐射波长范围为0.4一1.1m，硅太阳能电池光谱响应的最大灵敏度为0.8—0.95m。

由于光能转换的电能不稳定需稳压电路来完成电压的稳定工作。此设计中的稳压电路主要由集成稳压CW7805、电容及用于防止电流回流的二极管组成。

2.2充电能量输出部分

本产品配置标准USB输出接口，输出电压为4.75V一5.25V，输出约为500mA。可正常为手机、相机、MP3等设备供电，以备不时之需。其次，本产品带有高效节能照明灯，当夜间光线较暗时，通过开关控制选择使用蓄电池或者把机械能、风能模块的额外能量经过提供照明电路使用，可供应急之需。使照明灯把额外的机械能、风能转化而来的电能利用起来，当机械能、风能转化而来的能量较少，即电压不够，或者机械能、风能部分没有工作，照明电路可自动转为以蓄电池供电模式以维持工作。

2.3充电宝的电源部分

1、电源保护

电源作为一切电子产品的供电设备，除了性能要满足供电产品的要求外，其自身的保护措旋也非常重要，如过压、过流、过热保护等。一旦电子产品出现故障时，如电子产品输入侧短路或输出侧开路时，则电源必须关闭其输出电压，保护设备内部电路等不被烧毁，否则可能引起电子产品的进一步损坏。本产品电源内置了多种保护电路，如过流保护、过压保护、过充电保护和过放电保护等。

(1)过流保护：当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备的方法称为过流保护。当Ql的EB二端电压为O.TV时，Q1导通，c端输出电压，从而过流检测的原理，检测电流的大小取决于RI、R2的值，三极管EB二端电压超过0.7V就导通了，导通后电路就会切断后级的输出，这样起到保护作用。

(2)过压保护：当输出电压超过一定值时，把输出电压限定在安全值的范围内，这就是过压保护。当开关电源内部稳压环路出现故障或者出现输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。

在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且具有比硅整流元件更具有可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅的优点很多，如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒数量级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音等等。

(3)过充电保护：过充电是指在正常充电完毕后，继续高电压充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏液等情况发生，导致电池的性能显著降低甚至电池损坏。过充使正极残余的锂离子继续向负极转移，但负极无法嵌入更多锂离子，使锂离子在负极表面以金属锂析出，造成枝晶等现象，出现隔离膜破损、电池短路、电解液泄露燃烧等危险。

(4)过放电保护：过放电是电池正常放电至截止电压后，继续放电的现象。超过电池放电的截止电压，还继续放电时会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。由于负极中需要保持一定的锂离子才能保持结构的稳定，过放使更多的锂离子迁出，破坏了负极的稳定结构，造成负极不可逆的损坏。

该电路主要由锂电池保护专用集成电路DW01，充、放电控制由MOS—FET等部分组成。在充电过程中，当单体电池的电压超过4.35V时，专用集成电路DW01的OC脚输出信号使充电控制MOSFET关断，锂电池立即停止充电，从而防止锂电池因过充电而损坏。放电过程中，当单体电池的电压降到3.70V时，DW01的OD脚输出信号使放电控制MOSFET关断，锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放电而损坏，DW01的CS脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制MOSFET的导通压降剧增，CS脚电压迅速升高，DW01输出信号使充放电控制MOSFET迅速关断，从而实现过电流或短路保护。

2、电池剩余电量处理

(1)锂电池的充电特性：锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1％。目前使用比较普遍的是额定电压3.7V的电池，该电池的充电终止电压为4.2V，那么允许的误差范围就是0.042V。锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式。充电开始为恒流阶段，电池的电压较低，在此过程中，充电电流稳定不变。随着充电的继续进行，电池电压逐渐上升到4.2V，此时充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小。当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。

(2)锂电池的放电特性：锂电池放电时，一是放电电流不能过大，过大的电流会导致内部发热，有可能会造成永久性的伤害。是电池电压不能低于放电终止电压后，若仍然继续放电，将产生过放现象，这也会造成电池永久性损坏。不同的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电池。电压就越低。根据锂电池充、放电电压与电量对应关系可测量电池容量。根据电池正常使用的充、放电曲线，对充放电过程进行4等分，以充电限制电压为4.2V的锂电池为例，可以列出电压一剩余电量百分比对应关系如下：4.20V一100％，3.85V一75％，3.75V一50％，3.60V一25％，3.40V一5％，显然，这种精度最高只有25％。另外.电池电压会随着RFPA的功率发射发生突变，通常会变小0.2V一0.3V。为了解决电池电压突然变小的测量问题，普遍方法是利用软件算法进行均值滤波，对一段时间内的电池电压进行均值化，如果该时间段的平均电池电压下降，则说明预估电量减少，否则即认为电量并未发生实际变化。

电池电压模拟剩余电量的方法存在着缺陷，通过库仑计实时监测电池消耗电量而计算剩余电量的方法则可以改善这一缺陷。FAN4010是一颗电流检测芯片，专门用于检测便携式设备电池的充电，放电电流，能将通过精密检测电阻的电流信号转换为ADC可以检测到的电压信号，从而计算一段时间内消耗的真实电量。

总结

虽目前已有很多用于给手机等电子设备充电的自行车，但是大多数的产品主要有如下两个缺点。一方面，多数改造的自行车所利用的能源单一，需要长时间进行充电；另一方面由于其价格昂贵，多数用户难以接受，因此无法普及。本产品从生活出发，充分利用了自然资源，将风能、太阳能、机械能结合考虑，不仅实现了充电功能，而且最大程度的利用了自然资源。综上所述，本产品可以充分利用风能、太阳能以及机械能，适合去海边、登山等骑行爱好者，并且清洁环保健康，是未来发展的趋势，有较好的应用前景。

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