水浪发电装置浅析

2020-01-19蒙奕多

中国设备工程 2020年6期

关键词：调压锂电池发电

蒙奕多

（柳州市交通学校，广西柳州 545007）

世界各国目前主要以研究相对较高功率的海洋波浪能为主，而淡水表面小功率波浪能应用研究成果较少，其中，淡水发电与海洋发电的区别在于淡水发电具有低电压、功率小、可移动、可存储等特点。

1 水浪发电装置

水浪发电装置的外部结构设计采用全PC/ABS材质，由三部分组成，分别是液晶屏、PC/ABS外壳和安全隔离片组成，内部结构分为四个部分，即调压系统、储电系统、检测系统和输出系统，拟定收集的淡水发电参数为8～12V直流波动电压和1A波动电流。

（1）调压系统：通过以LM2577芯片为主的集成电路，对收集的8～12V波动直流电压进行自动调压至12V，供储电系统。

（2）储电系统：选用TP5100芯片和锂电池18650组成集成电路，12V的电压输入TP5100，其充电保护作用的同时，转化成7.2～8.4V安全波动电压给锂电池充电；18650型号的锂电池自带充、放电保护系统。

（3）检测系统：选用STC 12c5a60s2芯片和LCD 1602液晶显示组成集成电路，STC 12c5a60s2通过内置反馈控制电压和电流的检测，进而实现LCD 1602液晶数据显示，从而达到充电过程中相关参数的显示。

（4）输出系统：选用LM2596S芯片对进行输出降压，使其达到5V稳定电压，满足负载充电要求后，再通过USB接口输出给负载。

2 外部结构

按照国家标准，一般的储电装置要求外壳应具有防火能力，且达到规定的阻燃等级。水浪发电装置的外部结构应采用全PC/ABS设计，PC即聚碳酸脂，ABS即丙烯腈（A）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）的共聚物，其具有较高的硬度、抗冲击性、耐热性等特点，安全隔离片用铝合金材质，增强了外部结构的安全性。

3 内部结构

（1）调压系统和输出系统。调压系统和输出系统应用原理相似，都是通过芯片组合及其相应的外围电路实现升降压，达到安全稳定的输出效果。水浪发电装置适合采用LM2577作为调压系统的主要芯片，实现将8～12V的输入电压升至12V；LM2596作为输出系统的主要芯片，实现将7.2～8.4V的电压稳定为5V输出给负载。

LM2577是一款可自动升降压的开关电压调整器，可调节输出电压。其电压输入范围是3.5～40V，额定电流为1A，最大可输出电压为60V，根据其封装特性采用LM2577s型号，即TO-263封装，该芯片有软启动功能，可防止启动电流过大、过热保护、过流保护、低压失步保护等。

LM2596是一个降压开关型集成稳压芯片，可提供3.3V、5V、12V及可调（-ADJ）等多个电压档次，输出电流最大为3A，由于它内含固定频率振荡器和基准稳压器，决定了它的功能较一般降压芯片而言更强大。采用LM2596作为输出系统的主要芯片，辅以少数的外围器件，构成了高效的稳压电路，LM2596将TP5100输出7.2～8.4V电压作为输入电压，输出稳定5V、I≤3A电能参数供给负载，其特性如下：①特定条件下，输出电压的误差可以保证在±4%内，振荡频率误差在±15%内；②保护功能强大，即一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路；③可调输出电压范围1.2V～37V±4%，且输出线性好、负载可调节；④封装形式：TO-220（T）和TO-263（S）。

（2）LM2596和LM2577。同样是开关型集成稳压芯片，LM2596也可以输出3.3V、5V、12V稳压，其优点与LM2577相似，都具有安全性高、可拓展外围高效电路的特点，但两者差别在于功能不同，LM2577是一个升压型集成芯片，即将波动电压升到固定值，输出给负载；而LM2596是降压型稳压芯片，即将波动电压降到固定值，尔后输出给负载。水浪发电装置的调压系统要求输入电压是8～12V，输出要求是12V，用LM2577芯片即可达到要求，LM2596可作为负载的降压输出系统，输出5V稳定电压，以满足输出系统要求。

（3）储电系统。水浪发电装置的储电系统由TP5100和锂电池组成。TP5100将12V电压调成7.2～8.4V供锂电池安全充电。一般锂电池都需要设计充放电保护电路，否则，很容易造成短路、电池过热、芯片损坏、电路瘫痪等安全隐患。

TP5100是一款开关降压型充电管理芯片，其输入电压为5～18V，最大充电电流可达2A，能供双节4.2V锂电池安全充电，QFN16超小型封装与简单的外围电路非常适用于便携式设备的大电流充电管理应用，满足输出为3A的负载电路输出要求。TP5100内置具有输入过流、电池反接保护、欠压保护、短路保护、电池温度监控、芯片过温保护等功能。TP5100其充电工作原理包括涓流预充、恒流、恒压三个阶段，频率400kHz的开关工作模式，使它可以在大电流的充电过程中仍保持较小的发热量，通过较小的外围器件就可以实现。由于自身内置有防倒灌电路、功率PMOSFET，因此，无须防倒灌肖特基二极管等外围保护就可以达到安全要求。储电系统适合采用TP5100作为锂电池的充电保护电路，12V的电压供给TP5100工作，输出7.2～8.4V电压，供锂电池安全充电，其他特性如下：

①可编程充电电流：0.1～2A；②可编程预充电电流：10%～100%；③宽工作电压，最大达到18V；④红绿LED充电状态指示；⑤过流保护、欠压保护、芯片温度保护；⑥电池温度保护、短路保护、电池反接停机；⑦PWR_ON-电源、电池供电切换控制；⑧小于1%的充电电压控制精度；⑨静态输入电源电压（VIN）：20V。

锂电池即指一种标准性的锂离子电池型号，常见的18650电池分为锂离子电池和磷酸铁锂电池，18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，“0”表示为圆柱形电池。采用锂电池18650作为储电系统，其保护电路可通过8205A实现。8205A属于共漏极N沟道增强型功率场效应管，具有快速开关、超低导通电阻和高性价比的特点，主要应用于电源管理、负载开关、锂电池充电保护等。

（4）检测系统。检测系统是都是通过信号反馈给单片机，检测数据显示在液晶屏上。由STC 12C5A60S2和LCD 1602组成的检测系统，通过STC 12C5A60S2采集电压数据和检测，进而将电压参数显示在LCD 1602液晶屏上，信号输入A/D转换模块，经A/D转换后，由单片机读取转换后的数据进行采集、数据分解、正负对比（防止负数）、计算功率和数字显示，结合运放电路进行计算电流，从而显示在LCD液晶屏上，实现显示电压、电流、功率、计数。

STC 12C5A60S2单片机具有双串口、高速、低功耗、抗干扰性强的特点，较于51系列单片机，STC单片机的IO口还可以定义成四种状态，同样晶振的情况下，速度是普通51单片机的8—12倍，且内置自带8路高速10位A/D转换(250K/S)和MAX810，多了两个定时器、2路PWM功能、SPI接口、EEPROM、1K内部扩展RAM、WATCH_DOG等优势，无需附加设计A/D转换电路。