儿童电动玩具通用太阳能供电装置

杨影丽，董翠翠，王浩然

（江苏省徐州技师学院，江苏徐州，221151）

0 引言

目前的儿童电动玩具大多数使用的都是一次性电池，即使有少量儿童电动玩具使用可充电电池，其充电器使用的也是220V 的交流市电。我国目前广泛使用的220V 的交流市电大多是用燃煤发电产生的。煤炭属于不可再生资源，且在发电过程中会产生各种污染。我国的二氧化碳排放量已经超过美国，居世界首位，而燃煤发电是我国二氧化碳排放的主要大户。使用清洁能源，实现绿色发展是摆在我们每个人面前刻不容缓的责任。

一次性电池属于有害垃圾，污染环境。如果儿童电动玩具的电池都能改换成可充电电池，就可以从娃娃做起，告别一次性电池的时代，这是符合我们国家绿色发展的理念的。而使用太阳能供电系统给儿童电动玩具的各种充电电池充电，使用的是无污染的清洁能源。让孩子们从小就能够接触清洁能源，使用清洁能源，培养他们的环保意识，也是有助于实现我国向世界承诺的碳达峰、碳综合的既定目标的。为了保护人类的共同家园，使地球环境更加美好宜居，从娃娃做起，让我们一起行动起来。

1 儿童电动玩具太阳能供电系统概括

当前的儿童实时玩具大多使用的是一次性电池，一次性电池属于有害垃圾，对环境有污染，不符合我国绿色发展的理念。且每个电动玩具上面都要安装电池才能使用，电池用完就丢掉，再换上新电池使用，造成非常严重的浪费。

即使使用可充电电池，给充电电池充电也是使用220V的交流市电。我们的市电大多也是使用不可再生资源煤炭产生的，在发电过程中也会产生有害物质污染环境。

而太阳能则是取之不尽用之不竭的清洁能源。太阳能具有资源充足，分布广泛，安全清洁，技术可靠等优点，目前在我国得到了大力的发展。使用太阳能供电装置给可充电电池充电，整个供电与用电环节既没有环境污染又是可持续发展的，应当是我们用电的发展方向。

本装置主要为儿童电动玩具可充电电池进行充电之用。因为本装置具有储电功能，故也可以直接为小型用电器供电。且此装置为模块化设计，发电量与储电量可以随需要增加，以满足不同的用电器，使用起来灵活方便。

本装置为一个小型的太阳能供电系统，如图1 所示。太阳能供电系统一般由发电装置、控制装置与储电装置三部分组成。因为本太阳能供电装置是一种小型供电装置，且是为儿童电动玩具的充电电池充电之用，所以其储电装置使用的是锂电池。具体的说，本装置由太阳能电池板，锂电池充电板，带有保护板及电量显示的锂电池及锂电池升压板四部分组成。

图1 太阳能供电装置示意图

其中太阳能电池板为供电装置的发电部分，它将太阳能转换为电能，为本供电装置提供清洁的电能。本供电装置的储电系统使用的是锂电池。相较于铅酸电池，锂电池的优点是体积小、重量轻，能量密度高，使用寿命长，可以方便的串联、并联使用。且绿色环保无污染，不含有毒有害物质。由于锂原子的化学性质比较活跃，所以锂电池在使用时一定要加保护板，防止电池被过冲过放电。锂电池只要规范使用，其安全性是完全有保障的，所以目前锂电池已经得到了非常广泛的应用。

由于太阳能板的发电特点是其发电量随着光照强度的变化而变化，为了保证太阳能板能够输出最大功率，以充分利用太阳能，故需要在太阳能板与储电电池之间增加充电管理板（简称充电板）。充电板的作用可以对电池进行涓流恒流恒压充电管理，可以保证对电池进行稳定高效地充电。

2 硬件设计

2.1 太阳能充电板

本装置的太阳能充电板电路使用的是基于CN3791 芯片的带MPPT 功能的太阳能充电模块。CN3791 是一种可通过太阳能板提供的PWM 降压模块单节锂电池充电控制集成电路，独立自主地对单节锂动力电池充电进行控制，具有内部封装形式小，外围元器件数量小和应用简单的特性。同时CN3791 还具备了涓流、恒流和恒压充电模块，因此非常适合于锂电池的充电控制。在恒压充电模式,CN3791 的电池电压调节为4.2V；而在恒流状态的充电方式,空载电压则采用了一个外部电流调节系统。在输入电源的电流输出功率减小后，内置电路就可以自动监控太阳能板的最高电源点，客户不需再考虑最坏状态，即可最大程度的使用太阳能板的输出功率，因此非常适合于使用太阳能平板电源的应用。

对深度放电操作的锂动力电池,在当电池电压降到恒压充电电压的66.5%(典型值)时，CN3791 用所设定的恒流充电输出的17.5%对动力电池完成了涓流充电。在恒压充电期间，充电电流慢慢减小，当充电电流减小到恒流充电输出的16%时，充电基本完成了。在完全充电完成情况下，当电池电压减小到恒压充电电压的95.5%，自行开启了新一轮的充电过程。当投入供电突然掉电或投入电压小于电池电压值时，CN3791 自行加入到休眠模式。其它特殊操作还包含在投入低压时锁存，电池后端过电压保护和充电状态闪烁等。目前CN3791 使用了十管脚的SSOP 封装。

此款太阳能充电板模块的主要优点是具备太阳能板最大功率点监控功能，最大输入电流范围为4.5～28V，对单节锂电池完全的容量控制，最大充电电流高达4A，PWM 开关频率300kHz，最大恒压充电电压范围为4.2V±1%，最大恒流充电电流范围可根据外界电压设定，对深度释放的太阳能池实现涓流充电，具备手动再充能力，同时具备充电状况和充电截止状态指示灯，并具备软启动能力，具备太阳能池远端过电压保护，工作温度为-40℃～+85℃。

图2 太阳能充电板模块电路原理图

2.2 锂电池保护板

锂电池保护板的主要功能是如何让电池不过放、不过充、不过流，此外尚有短路保护功能、过温保护功能以及热均衡保险功能。使用的锂电池保护片完全能够保障锂电池的使用安全。

单节锂电池的最大充电截止电压是4.2V，但不要过充，否则由于正极的锂离子流失过多，而导致电池报废。给锂电池充电时，要选择专门的恒流、恒压充电器，先恒流充至锂电池二端电流达到4.2V 时，才进入恒压充电状态；当恒压充电电流降至100mA 以下时，则暂停充电。因为镍氢电池的结构原因，在释放时锂离子无法完全移向正极，因此需要留有小部分的锂离子电池在负极，以确保在下一次充电时锂离子可以更顺利地嵌入通道中。不然，电池寿命就会减少。要确保从石墨层中电池释放后留下的部分锂离子电池，就必须严格控制释放结束的最低电流，也就是说镍氢电池不得过度释放。而单节锂电池的释放结束时电压一般为3.0V，但最低电流不得小于2.5V。而电池释放时限长度则与电池容量大小、释电电流多少直接相关。电池的释放时间(小时)=电池容量/放电电流，且锂电池放电电流(mA)不应大于锂离子电池容量的三倍，比如:1000mAh 的镍氢电池，其放电电流就应该严格控制在3A 之内，不然会使电池功能受损。

保护回路一般由信号IC、MOS 开关管、热融断保险丝、电阻、容量等基本单元所构成。通常的工作状态下，在IC出口的同时进行限制MOS 开关管导通，即电芯与外电路导通，当电芯电压或检测回路的电流大于规定标准后，就应立即限制MOS 管闭合，以保障电芯的安全。

主控IC 内置了高精度电压测量电路和多级电流测量电路。其中，稳压测量电路一是对充电电压加以测试，一经到达其预设阈值范围(一般为3.9～4.4V)，即可步入过充电保护状态;二是对放电电压加以测试，一经到达其预设阈值范围(一般为2.0～3.0V)，即可步入过放电保护状态。

本器件的锂电池保护回路的主控器件为DW01，而MOS 开关管为8205A，如图3 所示，B+、B-依次为接电芯的正、负极；P+、P-依次为保护板电压的正、负极；T 为温度电阻(NTC)接口，但通常都必须和电器的CPU 搭配才能实现温度保护功能。

图3 锂电池保护板电路图

DWO1 是一种锂电池的芯片，包含了高准确度的电压测量和时间延迟电路，主要参数包括：过充测试电压为3V，过充释放电压为4.05V；过放测试电压为2.5V，过放释放电压为3.0V；过流测试电压为5V，而短接电流的测试电压为1V，而DWO1 允许电池发出的最大电流为3.3A。该电路具有过放电保护，过充电保护，过流保护，过温保护的功能。本装置的锂电池保护电路图如图3 所示。

2.3 升压电路

在锂电池上面增加一块电压显示板，可以实时观察到锂电池的电压状态，做到用电心中有数。由于锂电池的标称电压是3.7V，而对儿童电动玩具的可充电电池进行充电的电压需要的是5V 电压，所以在本供电装置的最后需要一块锂电池升压板。其功能是将锂电池3.7V 的电压升高到稳定的5V 电压，以供给儿童电动玩具的可充电电池充电。

本装置的DC-DC 升压电路采用的是PS7516 芯片。S7516 是一种效率极高,稳定在550kHz 的电流制式PWM升压DC-DC 转换器。PS7516 的最小输入电压是2V。PS7516 内部集成有功率低RDS(ON)的MOSFET，而且在外部也不使用肖特基二极管。使用PS7516,可以获得更好的转换效能。而PS7516 非常适合用在为锂电池升压5V1A的高效率过程中。

PS7516可在1.9～ 5.5V宽电压范围内工作的PWM升压直流/直流转换控制器。这款芯片可提供最宽阔的电压操作，尤其适用于太阳能供电的电子系统。PS7516 固定1MHz 频率，在停机模式时的电流极低。此外，PS7516 集成了极低内阻的整流P-MOSFET和开关N-MOSFET，节省了肖特基二极管/PCB 空间。这款芯片外围元件很简单，可以方便地组建一个高效率/输入电压极宽的升压转换系统。

由 于PS7516 可 在1.9～5.5V 的电源范围内操作，因此非常适用于移动电源升压系统中。锂离子电池的最低放电电压不能低于2.7V，否则将可能导致电池报废。一般锂离子电池保护IC 的过放检测电压是3V，PS7516特有的宽输入电压将能更好地应用工作。PS7516 具备组建高效率升压转换器的一切必要功能，且只需极少的外置元件（R/C/L）。还可以确保线路及负载有极快的瞬态响应。因此这款芯片尤其适用于1A 电源。PS7516 芯片采用超小型的SOT23-6 封装。PS7516 大量供货中。PS7516 还具备了转换效率极高(96%),低RDS(ON)集成功率的MOSFET，PMOS 电流限流短接保护功能，低静态输出电压，快瞬态响应速度，以及内置软启动功能、过温保护、自修复功能、过流保护、低输出电压保护等的优点。本装置的DC-DC 升压电路图如图4 所示。

图4 锂电池升压板电路图

3 结论与展望

目前大量使用的一次性电池，如5 号电池、7 号电池和9V 叠层电池，这些型号的电池也已经有可充电电池产品，并且大都设计成用USB 接口充电的。所以这部分电池可以直接用本太阳能供电装置进行充电，完全可以替代一次性电池。除了给儿童电动玩具可充电电池充电之外，本装置也可以直接给小型的用电设备供电。如使用直流电压5V 的电风扇、LED 台灯、数字时钟等。其实，只要加装一个升压或降压的模块，本装置可以给任何使用直流电源的小型用电设备供电。如3V 或6V 的收音机，4.5V 的万用表甚至是1.5V的石英钟，只要电压调整合适，本装置都可以给它们提供电源，使它们能够正常工作。

本装置采用的是模块化的设计方法，太阳能板可以扩展，锂电池储电模块也可以扩展。至于供电应用的领域，使用者尽可以充分发挥他们的想象，将之应用于更加广泛的小型用电设备上，充分发挥其应有的效能。