一种户外旅行应急电源的设计

林丽萍 骆婷 王吟舟 方华 孙祥琨

【摘 要】提出了在户外能够容易实现的采用多种源输入应急电源设计方案，用户可以根据户外现场条件，灵活选择手摇发电机、风力发电、太阳能电池板或车载蓄电池，经过DCDC变换获得DC5V电源，通过DCAC逆变，获得AC220V电源，供在户外旅行时的电子产品应急充电、照明以及交流应急供电等功能。

【关键词】应急电源、DC/DC变换、逆变

引言

根据发改综合[2020]1565号文件《关于印发近期扩内需促消费的工作方案》的通知要求[1]，14部委联合发布了户外旅行应急物资储备建议清单，其中将应急电源列为必备物资之一。目前市场上多数便携电源，存在发电方式单一，受环境条件制约等不足。如在我国青海、甘肃、西藏使用广泛的家庭太阳能电源，严重受制于气候条件，恶劣天气或照度不好时发电量会下降很多[2]。采用手摇发电机或者脚踏发电机发电可以满足短时间小容量供电要求，长时间供电则取决于体力因素。

鉴于此，本文设计一种多源输入选择型的家用应急电源设备[2-3]，用户可以根据自身及现场环境条件自主选择发电方式，实现的小容量电能储存和交直流供电功能。

1 设计思路及基本方案

整体方案设计如图1所示。

户外旅行环境，能够取得的能源主要是太阳能、风力、水流、人力还有驾驶车辆自身的电力。输出主要考虑USB 5V输出和交流220V输出，因此使用时根据环境条件，选择合适的来源，徒步时当阳光照度好的时候，采用太阳能电池板发电，阴天选择手摇发电机发电或者风力发电，驾驶车辆时也可采用车辆点烟器给应急电源供电。选择采用18650电池组构成12V蓄能单元，通过DC/DC转换，获得5V直流和12V直流，分别供USB接口输出和逆变器输入。通过ACDC逆变获得AC220V交流，提供220V交流应急使用。

2 主要发电（供电）设备简介

（1）太阳能电池板：

采用单晶硅薄膜太阳能板，输出电压15V，最大功率100W。使用简单，白天对光照要求较高。

（2）手摇发电机：

采用稀土强磁手摇发电机，手摇速度16转/分-50转/分时，输出电压范围为7V-21V，功率3W-30W。随时可以使用，但是必须人力驱动。

（3）风力发电机：

采用垂直轴风力发电机，输出电压1-22V，输出功率最大25W。需要风力驱动，风力太小无法驱动。

（4）车辆点烟器：

输出12V直流，最大电流为30A。

3 DC/DC电压变换电路

由于不同类型的发电方式其输出电压受环境条件影响，电压幅值变换较大，因此，需要设计DC/DC变换电路，将系统电压统一为12V，该DC/DC变换器的电路如图2所示。

该电路核心为FP5139宽电压电源升压直流电源变换器芯片[4]，可以将9-24V宽范围直流变换稳定到12V直流输出。

4 DC/AC逆变电路

设计逆变电路主要考虑到旅行电源的功率较小，因此选用CW3523A作为逆变控制元件[3，5-6]。CW3525A是一款采用脉宽调制型的开关电源芯片，可以输出30W的交流功率，功率可以再次扩展，输出电压频率为2kHz，基本可以满足常规使用。具体电路如图3所示。

5 USB输出电路

采用LM317L作为主控芯片[7]，该芯片为目前使用较为广泛的电源芯片之一，具有宽输入范围（1.25v-37v），输入输出压差范围达到3-40V。

USB输出的具体电路如图4所示。

6、调试结果及结论

太阳能板电池和手摇发电机输出电压波动较大，其中太阳能板输出电压范围为4.3～13.1V，手摇发电机输出电压范围为6.8～23.5V范围，经过电压变换电路FP5139控制调整，电压可以稳定在11.5V-12.1V之间。蓄电池输出的12V直流再经过CW3525A逆变，可以获得频率为2kHz左右的220交流。

该应急电源在户外旅行时，太阳能电池板在日照较好的情况下，基本可以完成手机充电、短时间照明、笔记本电脑供电功能。光线差则无法工作。手摇发电机不受外界环境条件影响，可以提供大约30W左右的功率。风力发电机在风速大于三级时，可以连续提供10W左右电功率。

参考文献：

[1]关于印发《近期扩内需促消费的工作方案》的通知，https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202010/t20201029_1249273.html

[2]傅金洲，孙鸣.基于气候条件的光伏储能一體发电系统的能量管理策略[J].电力系统保护与控制，2018，46（24）：142-149.

[3]王泽平，王旭柱.基于FP5139的可调节电压源适配器[J].中国新技术新产品，2015（11）：32-33.

[4]王明泽，李蔚，郭维波，丁向荣.自适应宽范围直流输入逆变电源设计与实现[J].电源技术，2020，44（11）：1675-1678.

作者简介：

林丽萍，1998.2.6，广西北海人，桂林航天工业学院能源与建筑环境学院学生，研究方向新能源发电技术。

骆婷，1999.8.26，广西融安人，桂林航天工业学院能源与建筑环境学院学生，研究方向太阳能发电。

王吟舟，2000.8.30，河北唐山人，桂林航天工业学院能源与建筑环境学院学生，研究方向电力电子。

方华，1999.2.25，广西横县人，桂林航天工业学院能源与建筑环境学院学生，研究方向自动控制。

孙祥琨，1999.10.12，山东烟台人，林航天工业学院能源与建筑环境学院学

致谢：本项目得到国家大学生创新创业项目资助（项目编号：201911825015）

（作者单位：桂林航天工业学院）