太阳能供电模块

news2024/12/24 12:48:34

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( $3.7 V - > 4.2 V$ ), (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 ( $4.17 V - > 4.18 V$ )
下面是实物图，以及测试的一些情况

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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)

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接上电池后充电指示灯直接熄灭

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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

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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 $3.7 V - > 5.0 V$ 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
$\overline {CHRG}和\overline{STDBY}$ 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)
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

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电路原理图

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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 $10 k Ω$ 的电阻，将电流限制在大约 $130 m A$

整体PCB

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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。