太阳能供电模块

基于Solar Cell的锂电池充放电模块

  • 由于一些需求,最近做了一款基于太阳能的锂电池充放电模块。该模块能够利用太阳能为锂电池充电和为负载提供5V的电压,在太阳能不充足的条件下,由锂电池提供需要的能量。

  • 主要思路是将太阳能板获得的能量存储在超级电容中,超级电容存储了一定能量后,再利用后续的TP5400(1A 锂电池充电和 5V/1A 升压控制芯片)对单节锂电池进行充电。

  • 经过测试,若太阳能充足的条件下,给锂电池充0.5V电压需要大概8小时( 3.7 V − > 4.2 V 3.7V->4.2V 3.7V>4.2V), (由于光照条件不是很好, 采用的是外部接6V的电源),晚上十一点左右开始充电 (锂电池电压约3.78V),第二天早上七点充电完成指示灯亮(此时锂电池电压为4.17V)

  • 之后太阳能板到后,又进行了一次测量。直接将模块放到窗台上,由于转秋阳光不是很充足,一个午睡的时间(大约两小时),锂电池电压只升高了0.01V ( 4.17 V − > 4.18 V 4.17V->4.18V 4.17V>4.18V)

  • 下面是实物图,以及测试的一些情况

太阳能供电模块_第1张图片

太阳能供电模块_第2张图片

  • 超级电容储能不够,未接电池仅红灯亮(正常应该是绿灯亮,红灯闪烁)

太阳能供电模块_第3张图片

  • 接上电池后充电指示灯直接熄灭

太阳能供电模块_第4张图片

  • 在进行一定时间的光照后,当超级电容有足够能量后,接上电池,充电指示灯(红灯)亮

  • 下面将分为两部分电路,介绍该模块原理

电路原理

太阳能充电电路

基本原理: 利用超级电容储存太阳能板转换的能量

电路原理图

太阳能供电模块_第5张图片

  • SOLOR+ : 外接6V太阳能板 (输出电流约150mA)

  • BD4954G,电压检测芯片,当电压到达5.4V, VOUT输出高电平 (最后两位标明阈值电压)

  • Q1和BD4954G,Q1为PMOS管,当超级电容(C4)电压超过5.4V时,断开与太阳能板的连接

  • D1、D2、D3为肖特基二极管,防止电流倒灌对器件寿命造成的影响

  • C4: 超级电容 5.5V 4F 输出电流约100mA

  • 参考文章: 太阳能充电电路基本原理与设计 - 知乎 (zhihu.com)

TP5400锂电池充放电路

  • 集成 3.7 V − > 5.0 V 3.7V->5.0V 3.7V>5.0V升压功能

TP5400

工作原理 (szlcsc.com)

典型电路

  • 由于原理图画的比较丑,拿参考手册的典型电路进行讲解
    太阳能供电模块_第6张图片

  • C H R G ‾ 和 S T D B Y ‾ \overline {CHRG}和\overline{STDBY} CHRGSTDBY两端接电源指示灯

  • PROG: 外接一个一定阻值的电阻,可以控制充电时电流的大小(最大1A)
    太阳能供电模块_第7张图片

  • LX: 升压电路内部功率管输出端, 在LX和BAT直接接一个电感用来提供升压时所需的能量

  • 剩下的细节,参考手册即可

太阳能供电模块_第8张图片

电路原理图

太阳能供电模块_第9张图片

由于太阳能模块和超级电容输出电流能力有限,这里在PROG引脚外接一个 10 k Ω 10kΩ 10kΩ的电阻,将电流限制在大约 130 m A 130mA 130mA

整体PCB

太阳能供电模块_第10张图片太阳能供电模块_第11张图片
太阳能供电模块_第12张图片

太阳能供电模块_第13张图片

  • 用的嘉立创的EDA

总结

该模块做出来是想给单片机供电,测试过当超级电容储存满后,断电情况下,仍能使STM32F103C8T6和一块OLED显示屏工作大约一分钟左右(正常工作,主频72MHz)。而接入锂电池后(3.7V), 也不用担心在阳光充足的情况下模块不能工作。若配合STM32的低功耗模式,则理论上可以实现锂电池充放电的自动循环。

参考资料

太阳能充电电路基本原理与设计 - 知乎 (zhihu.com)

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