为镍氢电池构建太阳能电池充电器

您可以购买太阳能电池充电器，但自己制造更便宜，更有趣。

如果您像我一样，并且想在野外度过很多时间，则意味着您没有任何方法可以为设备充电。您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，这些充电器的价格很容易达到100美元甚至更高。那为什么不自己建一个呢？

电池充电器以其最简单的形式向电池的正极端子施加电压或电流。这将导致电池充电并且其电压将增加。我唯一知道有人用这种简单的系统给电池充电是跳车。仅对电池施加电压可能会对其充电，但它没有保护电池的系统。每种电池的化学性质都有其独特的性质，包括但不限于：标称电压，最大电压，能量密度，自放电率，内阻和寿命周期。由于每种电池化学物质的独特要求，因此首先指定我们要使用的电池化学物质非常重要。

当前，有3种常见的可充电电池化学物质用于消费类设备。我们有锂离子，镍金属氢化物（Ni-MH）和镍镉（NiCd）。让我们从锂离子的标称电压开始。它的电压范围为3.2 V至3.7 V，Ni-MH为1.2 V，NiCd也为1.2 V.由于大多数消费类设备使用内置电池，AA或AAA电池。让我们消除锂离子，因为它的标称电压是AA或AAA电池电压的两倍以上。如果再比较Ni-MH和NiCd的能量密度，我们会发现Ni-MH的能量密度为140-1,000 Wh / L，NiCd的能量密度为50-150 Wh / L。因此，我将使用Ni-MH以获得更好的能量密度。

所有电池化学物质的充电方法都有详细信息，我建议您为选择使用的任何化学物质找到良好的信息来源。对于镍氢电池，松下和劲量都提供了出色的材料。

为了快速（在几个小时内）给电池充电，通常使用一个微处理器来监视电池电压和温度。如果电压开始下降，则表明电池已达到过充电状态，充电器将关闭。如果温度开始迅速升高，则可能意味着电池损坏，或者已经达到过充电状态，并且充电器会关闭。

如果不用担心时间，则另一种方法是使用计时器缓慢地为电池充电，以在12到14小时后将其关闭。为避免过充电，电池充电器要求电池的容量最小。但是，如果电池容量大于充电器设计的最低容量，则电池将无法充满电。一个简单的解决方案，但几乎需要由充电器指定电池容量。

另一种选择是对电池进行trick流充电。按照Energizer的建议为空的电池充满电需要60个小时。为电池完全充电不是很实用，而是经常用作二次充电方法。电池充满后，将开始a流充电，以保持电池“处于关闭状态”。

让我们考虑一下什么是我们太阳能充电器的最佳方法。 charge流充电将花费太长时间，因此请给它折价。基于时间的充电器也会很快出现问题;如果太阳能充电器断电，计时器将重置，导致过度充电。这可以通过为计时器添加电池来解决。但是，如果断电，计时器仍会继续工作，但不会给电池充电，导致电池未充电。由于计时器方法的充电时间较长，因此几乎总是会断电。因此，计时器方法退出了。使用微控制器似乎是一个不错的选择，但这是一个复杂得多的系统。每个电池插槽都必须有一个热敏电阻，并需要一个热敏电阻来测量环境温度。然后，我们还必须测量每个电池上的电压，由于太阳能电池板的功率限制，它可能无法进行快速充电。

所提出的每种方法似乎都有引起关注的局限性。我提出了一种不只使用这些方法之一的方法，而是采用了计时器和微控制器方法的组件。我们使用比较器来监视电压并防止过充电，但是使用计时器的低充电速率来保护电池。这确实存在一些限制，但提供了易于扩展的更简单设计;不需要持续供电且安全的系统

由于此设备不会处于温度受控的环境中，因此我建议所有组件的最高工作温度至少为70C，最低至少为-25C。尽管70°C高于任何预期的空气温度，但充电器仍会坐在阳光下，从而将设备的温度推高，并且很容易达到50°C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5 W的面板，它的开路电压（Voc）为22 V，短路电流（Isc）为300 mA。该面板的高电压使其可用于为12 V汽车电池充电，这是我认为所希望的。这也是相当实惠的。 300 mA电流确实限制了我们可以同时为一对小电池或一个大电池充电的电池数量。

我们之前曾讨论过电池化学，但并未讨论容量或外形。您可能会想到形状系数（AA，AAA等），因为您可能想要为电池充电的特定设备。我将设计1100 mAh AAA镍氢电池，但化学性质和容量确实定义了电气特性。根据一般经验，电池越大，容量越大。但是，包装和技术上的细微差异意味着一个AAA可能与另一个AAA具有不同的容量。

我们有一个电源和要充电的电池，因此让我们开始其余的设计工作。我之前提到过，我将使用比较器，这意味着我们需要一个参考电压。通常，这可以通过分压器完成，但是由于我们的电源变化很大，因此我选择使用稳压器。 LM317是一种通用稳压器，易于使用，价格便宜且具有较高的工作温度。输出电压由2个电阻控制。我将使用第二个Second LM317来制作一条12 V线，并将其用作其余电路的VCC。

对于用于LED的晶体管，我使用了2N3904，其发射极与限流电阻和LED串联连接。这可以指示电池何时充电以及何时电池充满电。

对于控制电池电流的晶体管，我使用了IRF840功率晶体管。它超出了规格并且价格便宜，但是可以用您选择的功率晶体管代替。晶体管与限流电阻器和电池串联连接。

现在，这将为您的电池充电，但是我决定走得更远，并添加另一个系统来限制电流。我添加了另一个功率晶体管，并将门连接到555计时器。 555定时器配置为占空比为80％，频率为1KHz。这限制了平均电流，但同时也保证了指示灯LED会在一段时间内具有足够的电流以足够亮以在阳光直射下看到。

我在一块面包板上构造了电路原型，并为单个AAA电池充电。在一个阳光明媚的冬日，流经电池的时间平均电流为90 mA。我先放完电，然后用太阳能充电器给四节电池充电，然后再用金霸王制造的商用充电器为四节电池充电。测量每个电池上的电压以进行有限的比较。

太阳能充电器电池的平均电压为1274mV，金霸王充电器电池的平均电压为1295mV。稍低的电压不足为奇，因为太阳能充电器设计为在最大电压下终止充电周期30mV。现在，您已经拥有了自己的太阳能充电器的完整设计。

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