如何为镍氢电池制作太阳能电池充电器？

2022-4-6 16:38:22

你可以买一个太阳能电池充电器，但是自己做一个更便宜，更有趣。
如果你像我一样喜欢在偏远地区呆很长时间，这意味着你没有任何方法给你的设备充电。你可以去看看商用太阳能电池充电器，但是对于流行品牌来说，这些充电器很容易就要100元或者更多。那么为什么不自己造一个呢？
电池充电器最简单的形式是向电池的正极施加电压或电流。这将导致电池充电，其电压将增加。据我所知，唯一一次有人用这样一个简单的系统给电池充电就是发动汽车。仅仅给电池施加一个电压就可以给它充电，但是它没有保护电池的系统。每个电池的化学特性都是独一无二的，包括但不限于: 额定电压、最大电压、能量密度、自放电率、内阻和寿命周期。由于每种电池化学成分的独特要求，首先确定我们要使用哪种电池化学成分是很重要的。

给单节 AAA 电池充电

电池选择
目前，有3种常见的蓄电池用于消费设备。我们有锂离子，镍金属氢化物(镍氢)和镍镉(镍镉)。让我们从锂离子的标称电压开始。它从3.2 v 到3.7 v 不等，镍氢电池是1.2 v，镍镉电池也是1.2 v，因为大多数消费电子设备要么使用内置电池，AA 电池，要么使用 AAA 电池。让我们排除锂离子电池，因为它的标称电压超过 AA 或 AAA 电池电压的两倍。然后比较 Ni-MH 和 NiCd 的能量密度，我们发现 Ni-MH 的能量密度为140-1,000 Wh/l，NiCd 的能量密度为50-150 Wh/l。所以我打算使用 Ni-MH 来获得更好的能量密度。
电池充电方法
为了快速给电池充电(在几个小时以内) ，通常使用微控制器来监控电池电压和温度。如果电压开始下降，那么电池已经达到过充的状态，充电器关闭。如果温度开始迅速上升，这可能意味着电池损坏，或者已经达到过度充电的状态，充电器关闭。
如果时间不是问题，另一种方法是用计时器慢慢给电池充电，12到14小时后关机。为了避免过充，电池充电器要求电池有最小容量。但是如果电池的容量大于充电器设计的最小容量，它们就不能充满电。一个简单的解决方案，但几乎需要电池容量由充电器指定。
另一种选择是滴流式给电池充电。按照 Energizer 的建议充满电池需要60个小时。对于电池来说，充满电不是很实用，而是经常作为二次充电的方法。一旦电池充满，就开始滴流充电以保持电池“充满”。
让我们考虑一下什么可能是我们的太阳能充电器的最佳方法。滴流充电将花费太长时间，所以让我们折现它。基于时间的充电器也很快遇到问题，如果太阳能充电器失去电源，定时器将重置，导致充电过量。这可以通过为计时器添加一个电池来解决。然而，如果电力中断，计时器仍然会继续工作，但没有给电池充电，导致电池没有充电。由于定时器方法的充电时间较长，它几乎总是会失去电源。所以定时器方法已经过时了。使用微控制器似乎是一个不错的选择，但它是一个更加复杂的系统。它将必须有一个热敏电阻为每个电池槽，和一个测量环境温度。我们还需要测量每块电池的电压，由于太阳能电池板的能量限制，它可能无法进行快速充电。
现有的每一种方法似乎都有其局限性，这引起了人们的关注。不仅仅是使用这些方法之一，我提出了一种方法，采用定时器和微控制器的方法组件。我们使用一个比较器来监测电压和防止过充，但使用低充电率的定时器来保护电池。这的确存在一些局限性，但是提供了一个更简单的设计，易于扩展，系统不需要连续电源，是安全的。
设计
由于该设备不会处于温控环境中，我建议所有部件的最高工作温度至少为70摄氏度，最低为 -25摄氏度。虽然70摄氏度高于任何预期的空气温度，但充电器将放置在太阳下，使设备温度升高，可以轻松达到50摄氏度以上的温度。
首先，我们需要选择一块太阳能电池板。我选择了一个5w 面板，它有一个22伏的开路电压(Voc)和一个300毫安的短路电流(Isc)。这个面板的高电压使它可以用来给12伏的汽车电池充电，这是我想要的。它也是相当实惠的。300ma 的电流确实限制了电池的数量，我们可以同时充电一对夫妇小电池或一个大电池。
我们之前讨论过电池的化学性质，但是我们没有讨论容量或形状因素。您可能有一个形式因素(AA，AAA 等)在脑海中，因为您可能有一个特定的设备，您想要充电的电池。我将设计我的1100毫安 AAA 镍氢电池，但化学和容量真正确定了电特性。一般的经验法则是，电池越大，容量越大。然而，包装和技术上的细微差别意味着一个 AAA 可能具有不同于另一个 AAA 的容量。
我们有一个电源，和电池充电，所以让我们开始其余的设计工作。我之前提到过，我将使用一个比较器，这意味着我们需要一个参考电压。通常情况下，这可以用分压器来完成，但是因为我们的电源是高度可变的，我选择使用稳压器。Lm317是一种常见的稳压器，使用方便，价格低廉，工作温度高。输出电压由两个电阻器控制。我将使用第二次 LM317，使12 v 线，我将使用作为 VCC 为其余的电路。

Lm317配置为1.47 v 的输出

Lm317配置为12v 输出

对于 LED 的晶体管，我使用了一个2n3904，发射器连接到一个限流电阻和 LED 串联。这提供了一个指示，当电池充电和当我们的电池是充满。
对于控制电池电流的晶体管，我使用了 irf840功率晶体管。它超过了规格，而且价格不贵，但是可以用你选择的大功率晶体管替代。晶体管与限流电阻器和电池串联连接。
现在，这将为你的电池充电，但我决定走得更远一点，并添加另一个系统，以限制电流。我添加了另一个功率晶体管，并将门连接到一个555定时器。555定时器配置为80% 的占空比，频率为1khz。这限制了平均电流，同时也保证了 LED 指示灯有充足的电流时间，足以在明亮的太阳下运行。

555定时器配置为80% 的占空比在1khz

我在一块有空间给单节 AAA 电池充电的实验板上构建了一个电路原型。在冬季阳光明媚的日子里，电池的时间平均电流流量被测量为90ma。我先用太阳能充电器给四节电池充电，然后用金霸王公司生产的商用充电器给四节电池充电。测量了每个电池的电压，以便进行有限的比较。

电池电压

太阳能充电器电池的平均电压为1274 mv，金霸王充电器电池的平均电压为1295 mv。稍低的电压并不令人惊讶，因为太阳能充电器的设计目的是结束充电周期30mv 的最高电压。你现在有了自己的太阳能充电器的完整设计。

单电池太阳能充电器示意图

下一步的建议
添加更多的电池添加一个指示灯 LED 的电力充电器
在充电后添加一个滴流充电器