作品内容简介
通过实验设计了一套太阳能集成电源箱，属于应急电源箱。该电源箱采用便携式设计，内置储能电池与超级电容组，使用电源安全控制策略，可实现超级电容与储能电池独立输出或并网输出，以适用于不同功率的场合。有完善的人机交互界面，可以对电源的实时状态进行监测。充电策略合理，可以由用户自主充电或者通过自带太阳能电池板恒流充电。多种电压等级输出，根据不同的用电设备，选择不同的输出电压。可升降太阳能板，使太阳能充电功率达到最大，提高充电效率。带有12W无线供电模块，可给一些带有无线充电功能的电器，进行充电。内部电源输出控制全部采用继电控制，系统不开机，则接口无输出。如图（1）所示为系统硬件框图。
图(1) 系统框图
1 研制背景及意义
目前，有众多的商家都在做应急电源，主要有以下几种。家庭UPS（不间断电源）、户外电池盒、汽车应急启动电源、充电宝（移动电源）等。家庭UPS主要功能为家庭停电备用电源，其输出为AC220V，但是，其内部自带电池组容量小、输出功率低、价格高。户外电池盒是一种可自行组装的电源提供装置，根据用户需求，放置不同的蓄电池，已得到不同的使用电压，组装麻烦，携带不便，需要外接电源变换装置。汽车应急启动电源是一种能够提供瞬时大电流的电源装置，当汽车自带电池过放电，不能启动时，外接汽车应急电源，可实现汽车应急启动，但是，其容量小、价格高、功能单一。充电宝主要为一些数码产品提供电能，在这里不再赘述。
我们所设计的这款太阳能集成电源箱，利用储能电池与超级电容组进行电能的储存，内置多种电源变换器，提供常用的多种电压，可以对使用不同电源的设备提供电能。内部各个输出口均采用继电器控制，系统不开机，各个接口就没有输出电压，保证了电源的安全性，通过按键输入，控制各个接口及设备的电能提供。外置一块10W的太阳能电池板，通过恒流充电模块给锂电池组和超级电容供电，充电效率高达80%。通过液晶显示器，显示内部电压以及各个接口处电压，方便用户得到电源箱的实时工作状态。带有12W无线供电模块，可给一些带有无线充电功能的电器，进行充电，如图（2）所示为电源箱控制面板。
图（2）电源箱控制面板
2 设计方案
2.1 电气控制
（1）充电部分
充电部分由太阳能充电与外接充电组成。太阳能充电由太阳能电池加恒流充电板构成太阳能恒流充电器，在这部分电路中设置了保险开关，在不使用太阳能充电功能时，可关闭太阳能充电功能。外接充电口为XT60的接口，在给内置的电池充电时，作为充电口用，也可作为外接电池端口。
（2）输出部分
输出功率等级有5V/40W、220V/400W、12V/1200W、12W无线供电四种，每一路的输出都通过控制器进行控制。可以独立输出，也可以共同输出，互不干扰。利用单片机内部的ADC外设进行实时监测电池电压，防止电池过放电。
2.2 机械部分
（1）外壳材料选择
方案一:外壳的材料使用薄木板，薄木板在制作时比较好裁取，而且电源箱当中，电子器件较多，木板可以起到绝缘的作用。
方案二: 外壳的材料使用工程塑料板，工程塑料板其韧性较高，而且电源箱当中，电子器件较多，工程塑料板同样可以起到绝缘的作用。
通过两种方案的对比与材料的获取条件，我选择方案一。
（2）太阳能板支撑装置选择
方案一:使用连接杠进行支撑，但是，每次需要撑起或下落时，都需要人工调节，使用不方便，而且撑起角度不易控制。
方案二:使用舵机进行控制，通过控制舵机旋转角度，控制撑起高度。
通过两种方案对比，我选择方案二。
如图（3）所示为电源箱整体效果图及内部接线图。
图（3）电源箱整体效果图及内部接线图
3 理论设计计算
（1）电源箱使用的核心器件参数
表（1）电源箱使用的核心器件参数
器件名称 参数 器件名称 参数
4 工作原理及性能分析
（1）工作原理
该电源箱采用模块化设计， 主要由太阳能充电模块、继电控制模块、显示模块、升压模块、降压模块、主控制器模块、键盘输入模块构成。每部分 发生故障时都可以独立更换，几路输出互不干扰，其工作原理如下:
太阳能充电过程：太阳能电池板收到光照时，产生电能，通过恒流充电板对储能电池进行恒流充电，如图（4）所示为太阳能电池板。
图（4）太阳能电池板
整机工作过程（放电）：显示部分实时显示储能电池与超级电容的电压，通过按键，可分别控制5V、12V、220V 的输出，所输出的电压等级，根据用户需求进行选择，如图（5）所示为电源箱外部接口。
图（5）电源箱外部接口
随着近几年电子技术的发展，使用和支持无线充电的设备越来越多，无线充电也成为的电子设备电源提供的一种趋势。无线充电器是指不用传统的充电电源线连接到需要充电的终端设备上的充电器，采用了最新的无线充电技术，通过使用线圈之间产生的交变磁场，传输电能，电感耦合技术将会成为连接充电基站和设备的桥梁，如图（6）所示为无线充电模块。
图（6）无线充电模块
（2）性能分析
（a）如图（7）所示为电源箱AC220V的电源输出波形：
输出电压：AC 225V
频率：50Hz
图（7）逆变电源输出波形
（b）如表（2）所示为电源箱各个电源输出口的输出电压测试与充电电流测试。
表（2）输入/输出测试
5 创新点及应用
（1）创新点：
（a）内置储能电池与超级电容组，使用电源安全控制策略，可实现超级电容与储能电池独立输出或并网输出，以适用于不同功率的场合；
（b）有完善的人机交互界面，可以对电源的实时状态进行监测；
（c）可升降太阳能板，使太阳能充电功率达到最大，提高充电效率。
（2）应用场景：
（a）野外巡查时，可给一些巡查设备供电，如：无人机、跟踪仪、对讲机等设备；
（b）外出野营时，可以使用一些小功率电饭煲做饭，减小森林火灾发生的机率；
（c) 社区紧急停电时，可以作为USP电源在屋内使用；
（d）汽车内置电池不小心过放电，导致汽车无法启动时，可使用电源箱进行启动。
如图（8）所示，展示的太阳能集成电源箱的几个应用场景。
图（8）应用场景
