基于超级电容的太阳能应急手机充电器设计

苗永康周燕王健张群

（徐州工程学院数学与物理科学学院，江苏徐州 221000）

【摘要】为解决手机等数码产品外出期间电池续航能力不足的困扰，我们将新型能源应用和新型环保技术结合，开发设计了一套“基于超级电容的太阳能应急手机充电器”。该系统利用光伏技术将太阳能转化为电能，利用新型环保的超级电容进行储存，在需要的时候方便快速的完成手机充电。该手机充电器的研发将太阳能这种绿色能源的利用和超级电容新兴储能技术有机结合，具有便捷、高效、环保等优越性。

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关键词超级电容；太阳能；充电器

0引言

为应对日益严重的能源危机和环境污染问题，世界各国均致力于新型能源和节能产品的开发应用。太阳能作为一种公认的新型、环保、可再生能源受到了广泛的关注，但由于光伏电池生产成本高、并网时的逆变成本高以及输出电压随光照强度波动较大等技术瓶颈，太阳能发电技术尚未得到普及应用。而超级电容作为近几年新兴的储能器件，具有充放电速度快、使用寿命长、温度特性好、不存在记忆效应、不会因过充过放而损坏等优点，正在逐步取代传统高污染、高能耗的储能产品，成为未来储能器件的首选。但超级电容和铝电解电容器相比内阻较大，不适于交流电路，同时储能时间等技术瓶颈也在限制着它的普及应用。本设计将两者巧妙结合，充分利用应急充电器平时长期闲置，应急时快速向手机充电的应用特点，避开了太阳能逆变以及超级电容储能时间有限等技术瓶颈，对两种新兴技术的应用进行了有效的探索。

1设计思路

该设计的基本思路是针对光伏电池、超级电容性的性能特点设计相应的智能控制电路，实现在光照充足时智能储能，在连接手机后快速充电的功能。在设计过程中，将这款“基于超级电容的太阳能应急手机充电器”分为光伏电池供能单元、超级电容储能单元和智能控制电路三部分，进行模块化开发设计。（见图1）在光伏电池供能单元的设计过程中对目前市面上各类光伏电池的性能指标进行分析对比，通过实验选择合适的光伏电池类型，并根据对充电电量、充电速度的需求计算需要光伏电池的功率。在超级电容储能单元的设计过程中，在通过大量实验全面了解超级电容主要参数和工作性能的基础上，根据充电电量、充电速度计算出所需容量，并着重解决超级电容电池输出电流不稳定、输出电压较低等技术难题。在此基础上，针对光伏电池输出不稳定和超级电容电池的工作特点设计相应的电压匹配电路、过充保护电路、充电指示电路等周边电路，重点设计充电智能控制电路，使系统能够智能化运行，实现打开关后，智能控制电路即检测超级电容储存电量，选择合适的模式进行充电，同时以LED指示灯直观显示超级电容储存电量。在智能充电控制环节的开发设计中，要实现智能检测手机剩余电量，并根据手机电池剩余电量，在大电流恒流充电、恒电压充电和涓流充电三种模式中选择合适模式对手机充电。

除此之外，在设计控制电路时，还要保证在光照充足的情况下光伏电池快速高效的向超级电容充电，以及防止在光照不足的情况下出现超级电容向光伏电池产生反灌电流。同时还要根据目前市场上手机电池的参数设置一个超级电容向手机电池充电的充电控制电路，该电路电压电流必须合适、稳定，在保证能够快速充电的前提下有效延长手机电池的使用寿命。

2设计过程

2.1核心器件的选择

目前，市场上各种型号的单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池种类很多，我们经过对各类光伏电池的核心指标进行测试对比，结合应急充电器高速充电的要求，选择了环能效率最高的单晶硅太阳能电池，并综合考虑充电器体积、充电设备电量、充电速度等指标，最终选择了6V5.5W的单晶硅太阳能电池。该光伏电池转化效率为15%左右，输出电压约为6V，输出电流最高可达900mA，满足本系统设计要求。

在超级电容储能单元的设计过程中，为均衡储能时间和放电速度两大指标，在通过大量实验全面了解超级电容主要参数和工作性能的基础上，本系统采取了6个单体电压2.7V电容500F的超级电容器两两串联、三组并联的混连方式构成储能单元。

2.2超级电容充电模块设计

为保证光伏电池稳定向超级电容充电，实现光伏电池与超级电容的电压匹配，须将光伏电池输出直流电压转换成值为5.29V的稳定直流电压。在设计过程中，我们基于开关型集成稳压芯片LM2596，设计了光伏电池与超级电容之间的智能充电控制电路（见图2）.该电路利用旁路电容C1的储能特性提高输入电压的稳定性；利用电阻R2和R1构成分压电路为LM2596提供反馈信号；利用肖特基二极管D1实现隔离和前卫保护作用；利用C2减小输出纹波的作用；电感L1和肖特基二极管构成反激式降压（back）电路。可以达到3A的最大输出电路，实现了光照快速储能。

2.3储能环节的保护电路设计

为防止超级电容组过充我们还设计了双重保护电路，并以LED灯指示充电状态（见图3）。电路以LM358为核心进行电压比较，利用电阻器R4与稳压二极管D3串联产生5.3V的电压输入电压比较器的同相输入端，利用电阻器R6与R7构成串联分压电路，采集超级电容组电压并送入电压比较器的反相输入端。当超级电容组电压低于5.3V时，比较器输出高电平，三极管Q1导通，CEN节点被拉低，使充电电路中的LM2596工作，同时红色发光二极管亮，表示正在充电；当超级电容组电压高于5.3V时，比较器输出低电平，三极管Q1截止，CEN节点被拉高，使充电电路中的LM2596停止工作，绿色发光二极管亮，表示已经充满。（下转第４７页）

2.4智能充电控制电路

为实现超级电容输出电压与充电电路输入电压的匹配，我们以电压转换电路TP3605为核心设计了DC-DC直流电压变换电路（见图4），该电路还具有过温保护、关断保护、欠压保护、过流保护等保护机制，转换效率可达94%以上。

为充分利用超级电容大电流充放电的优点，我们还基于TP4056设计一款并联大电流充电电路（见图5），该电路可以根据被充电设备的剩余电量选择大电流充电或者浮充充电模式，具有防止倒充的保护功能，我们还根据其充电模式设置了LED指示灯，以红色LED2显示充电工作状态，以绿色LED1显示充电完成工作状态，电阻R4为热耗散功率电阻。

3总结

在模块设计完成后我们进行了系统集成、仿真调试并制作出了实物模型。在对模型的实测过程中，基本实现了应急充电的预期设计功能。在实测中我们也意识到，虽然超级电容具有充放电速度快、功率密度高等优点，但是目前超级电容还存在能量密度相对较低等缺点，受制于材料等因素，超级电容技术还有待完善。特别是目前市场上的充电管理芯片输入电压范围较小，导致超级电容利用率低；此外，电压变换电路输出电流偏低也导致超级电容大电流充放电的优点无法体现；如果一味提升充电电流，受到锂电池性能的影响又存在一定的安全隐患。这些问题都需要我们进一步的研究解决。

此次便携式移动电源的开发设计，是对新型能源和环保储能元件应用的有益尝试，且具有一定的社会实用价值。我们也希望通过该设计，探索一条应对能源危机、解决环境污染问题的技术革新之路。

［责任编辑：汤静］