便携式负离子发生装置的制作方法

本实用新型涉及一种负离子发生装置，尤其是涉及一种便携式负离子发生器。

背景技术：

负离子发生器作为改善空气质量的重要器件，是用于家庭或办公室,具有清新空气、杀菌、消毒、除尘等功能的家电产品。随着人们生活的不断提高,人们对生活环境的要求也越来越高。室内空气的污染要比室外空气的污染严重得多,特别是装有空调的房间,室内空气与室外空气不产生对流,空气的污染更为严重。因此,人们对负离子发生器逐步产生兴趣。

中国专利(申请号：CN201521054957.0)公开了一种正负离子发生器和电器设备，其包括直流电源、控制器和正负离子发生模块，所述直流电源用于为所述正负离子发生模块和控制器供电，还包括连接在所述直流电源和正负离子发生模块之间的调压电路，所述调压电路在所述控制器输出的PWM信号控制下，调节输出到所述正负离子发生模块的工作电压。通过设置调压电路，可根据需要及整机设计要求，输出不同的电压，从而释放不同的负离子浓度。再如中国专利申请(申请号CN201710654196.X)公开一种尖端型负离子发生器，其包括塑料罩、金属圆筒、工频高压电源和金属丝尖端，所述工频高压电源，包括自耦调压器、隔离变压器、高压二极管、高压电容、电晕放电线和接地网电极，所述隔离变压器的原边与所述自耦调压器连接，所述高压二极管串联在所述隔离变压器的副边的正端，所述高压电容并联在所述隔离变压器的副边的正端和所述隔离变压器的副边的负端之间，所述电晕放电线与所述高压二极管的正端连接，所述接地网电极位于所述电晕放电线的对端。此外，诸如中国专利，其申请号：CN92211440.4公开了一种微功率负离子发生器、申请号：CN201010122547.0公开了一种氧负离子发生器。

上述现有技术虽然都能够产生负离子，并对人们的生活、生产提供了极大的便利，但是上述负离子发生器及其控制系统存在如下缺陷：诸如或设备笨重不利于携带或是定值输出负离子或虽然采用PWM脉宽调制控制负离子的输出，可以实现输出浓度的调节，但是由于控制策略的差异导致检测参数输出负离子浓度标准存在误差、或供电系统单一仅仅采用市电供电。

技术实现要素：

基于现有技术中负离子发生装置的不足，本实用新型设计一种便携式负离子发生装置以解决现有技术中的不足。其技术方案如下：

一种便携式负离子发生装置，包括箱体，其特征为：所述箱体包括箱盖、箱主体，所述箱盖与箱主体铰接，所述箱盖上设有提手；箱主体中包括蓄电池、太阳能发电系统、风力发电系统以及负离子发生系统、控制系统；所述箱主体前面板上包括电源开关、LED显示器以及USB接口，所述电源开关控制负离子发生装置的上电，LED显示器通过控制系统显示装置状态参数，所述USB接口用于与外界的数据传输；所述太阳能发电系统、风力发电系统通过控制系统为负离子发生器提供电能。

优选地，所述太阳能发电系统包括太阳能电池组件、DC/DC型降压变换器、蓄电池充电路、蓄电池充电控制电路；所述太阳能电池组件中包括太阳能电池板的串并联控制电路；太阳能电池组件将太阳能转换的直流电输入到DC/DC型降压变换器中；DC/DC型降压变换器输出端通过蓄电池充电电路并经过蓄电池充电控制电路的控制，将经过降压的直流电输入到蓄电池中。

优选地，所述风力发电系统包括风力发电机、不可控桥式整流器、DC/DC变换器、蓄电池、以及控制系统；风力发电机发出的电经整流后变成直流电输入DC/DC升压型变换器，DC/DC升压型变换器将升压后的电压通过控制系统的控制输入到蓄电池中。

优选地，负离子发生系统包括负离子发生电路以及控制电路；负离子发生电路通过控制电路输出负离子；所述负离子发生电路中元件的链接关系如下：蓄电池输出+12V的直流电,可将+12V的直流电源转变为几千伏的高压直流电源；该+12V直流电输入到三极管Qc的集电极，Qc的基极与控制电路链接，Qc的发射极与电阻R1一端链接；电阻R1另一端与电阻R2、二极管D1阳极链接；电阻R2另一端与电阻R3链接，同时经过电容C1与地链接；三极管Q的发射极接地，三极管Q的基极接变压器T原边一绕组的输入端，该绕组的输出端接R4一端；Q的集电极接变压器T原边另一绕组的输出端，同时三极管Qc的发射极接该绕组的输入端；变压器T的副边输出端接二极管D2阴极、电阻R5、电容C3的一端，变压器T副边另一输出端通过电容C2与二极管D2的阳极、二极管D3的阴极链接；电阻R6的一端与电阻R5另一端链接，另一端与电阻R7的一端、二极管D3的阳极链接。

本实用新型的装置便于携带，多种环保电源供电，控制精确。

附图说明

图1为本实用新型负离子发生装置外观图。

图2为本实用新型负离子发生器中控制系统结构框图。

图3为本实用新型负离子发生装置中太阳能发电系统结构图。

图4为本实用新型负离子发生装置中风力发电系统结构图。

图5为本实用新型负离子发生装置中太阳能发电系统中光伏电池输出特性曲线。

图6为本实用新型负离子发生装置中太阳能发电系统中降压式DC/DC变换器电路。

图7为本实用新型太阳能发电系统中降压式DC/DC变换器输出波形示意图。

图8为本实用新型太阳能发电系统中太阳能电池板串并联电路原理图。

图9为本实用新型太阳能发电系统中蓄电池充电控制原理图。

图10为本实用新型负离子发生装置蓄电池放电控制原理图。

图11为本实用新型负离子发生装置负离子发生电路原理图。

图12为本实用新型风力发电系统中推挽式DC/DC变换器原理图。

图13为本实用新型负离子发生装置DC/AC逆变器主电路原理图。

其中：1为箱盖；2为箱主体；3为LED显示器；4为USB接口；5为开关；6为风机；7为太阳能光伏组件；8为把手

具体实施方式

现详细说明本实用新型的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本实用新型的限制，而应理解为是对本实用新型的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

参见图1所示。一种便携式负离子发生装置，包括箱体，所述箱体包括箱盖、箱主体，所述箱盖与箱主体铰接，所述箱盖上设有提手；箱主体中包括蓄电池、太阳能发电系统、风力发电系统以及负离子发生系统、控制系统；所述箱主体前面板上包括电源开关、LED显示器以及USB接口，所述电源开关控制负离子发生装置的上电，LED显示器通过控制系统显示装置状态参数，所述USB接口用于与外界的数据传输；所述太阳能发电系统、风力发电系统通过控制系统为负离子发生器提供电能。所述箱主体两侧面设置光伏组件。

实施例1

负离子发生装置电源组成，包括太阳能发电系统、风能发电系统。

1、太阳能发电系统中主要器件参数及其控制策略的设计，参见图2-3，5-10所示：

(1)蓄电池的充放电控制电路：太阳能电池板在太阳光能下所产生的电能是时刻在变化的，但是系统需要一个稳定的电能来进行蓄电池的充电工作，这样对蓄电池的性能维护和使用寿命的延长都是有益的，所以选用DC/DC降压型变换器作为蓄电池的充电电路。

DC/DC降压型变换器，其电路原理图参见附图6，电路中开关管Q、二极管D、电感L和电容C，Von为电源电压，R为负载电阻，V0为输出电压。在工作状态下,开关管反复的导通和截止,两种不同状态的切换,将直流电压转换为脉冲形式的电压,再经过L、C滤波,形成直流电压输出。在开关管导通时,电源给储能元件电感充电,电感L上的电流逐渐增大,而在开关管截止时电感放电,电感L上的电流逐渐减小。电容起滤波作用,使负载上的电压的纹波减小。图6显示了电感L、电容C上的电流的变换波形和负载R上的输出电压波形：在t＝0时,开关管Q导通,电源电压通过开关管加到二极管D和输出滤波电感L、输出滤波电容上C,故二极管D截止。由于输出滤波电容保持不变,因此加在L上的电压为V_on-V_o。因为V_on大于V_o，所以输出滤波电感电流i_L线性增长

当t＝T_on时，达到最大值I_Lmax。在开关管导通期间，增长量Δi_L(+)为：

式中D_y＝T_on/T_s，为占空比。在t＝T_on时刻，开关管Q关断，i_L通过热二极管D继续流通。此时加载上的L电压为-V_O，i_L线性减少。

在t＝T_s时，i_L达到最小值I_Lmax。在开关管Q截止期间，i_L的减小量Δi_L(-)为：

在t＝T_s时刻，开关管Q再次导通，重新开始下一个开关周期。在开关管Q导通期间，流过它的电流就是电感电流i_L；在Q截止期间，流过二极管D的电流也是i_L。流过开关管Q的电流也是电源的输入电流，为了减小电源输入电流的脉动，在降压式变换器的输入侧应并接输入滤波电容。根据能量守恒，Q导通器件i_L的增长量Δi_L(+)等于它在Q截止器件的减小量Δi_L(-)。即：Δi_L(+)＝Δi_L(-)＝Δi_L

因此，根据本装置要求，设计DC/DC输入电压为40V，输出电压为12V，负载功率50W，开关频率为50KHZ，占空比D＝0.3，设计电感L值为：

考虑输出纹波电压为输出电压的0.5％,可确定输出电容大小为：

蓄电池充电控制电路参见附图9所示，该电路主要包括了控制蓄电池充电的继电器、蓄电池的电压电流采集电路和充电状态指示电路。图中的继电器3就是控制蓄电池充电与否的关键，该继电器的初始状态为常闭，说明其默认DC/DC电路与蓄电池的连接状态中，如果控制器对控制继电器的三极管基极I/O口设置为高电平，那么DC/DC降压型变换器与蓄电池就断开了，并且指示灯会点亮。

蓄电池的放电控制电路参见附图10所示。在蓄电池的放电控制电路中主要是控制蓄电池和负载之间的连接状态。蓄电池与负载之间的继电器默认模式为导通模式，如果控制器控制三极管的IO口设置为高电平时，蓄电池与负载就是断开模式。

(2)太阳能电池板的串并联控制电路：由于箱主体两侧设置太阳能电池板，因此需要将两侧电池板进行串并联设计，其电路图参见如图8所示：从图8中可以看到，一共用2个太阳能电池板，其中电池板A和电池板B的串并联方式由两个继电器进行控制。当继电器1接通，继电器2接常闭触点2脚时，两组的太阳能电池板为串联方式组合(如图8所示，串联方式为默认模式)；当继电器1接通，继电器2接常开触点3脚时，两块太阳能电池板为并联方式组合。继电器1和继电器2的导通和关断由ARM9控制芯片直接根据两个电池板的电压值和电流值进行控制。

(3)最大功率点的跟踪MPPT控制策略

太阳能发电系统中太阳能电池板输出功率具有非线性特性，受温度、光照强度、负载等多种因素影响，为了提高太阳能电池板的利用效率，需要对其最大功率点进行跟踪(MPPT)，如果系统工作点恰好处于最大功率点上，那么系统处于最佳的匹配状态，太阳能板以最大功率输出；否则，太阳能板将以较低的功率输出，如果系统严重不匹配，那么太阳能电池板输出功率将会变大很小。从图5负载特性曲线可得：k越大，太阳能板输出电压越小；反之，输出电压越大。其中：

式中K为负载特性曲线斜率，Rm为太阳能板输出等效电阻。

图6表示太阳能电池板经过Buck变换器与负载连接，电路工作在电流连续工作模式。对于理想的Buck变换器，其等效输入电阻为：

式中：D为功率开关管的占空比；L R为系统实际的负载。由上述两公式得出如下：

因此，当R_L一定时，可以通过改变D来改变k，最终实现系统的最佳匹配，且有：增大D，k变大，u₀变小；减小D，k变小，u₀变大；因此，通过改变D来改变u₀，最终实现最大功率跟踪。

本实用新型采用现有技术中工程上常常采用的自学习MPPT控制方法以实现太阳能转化率的最大化，当然也可以采用其他现有技术的控制方法以最终实现太阳能转化率的最大化。由于太阳能板最大功率点对应的电压值在局部时间段内线性变化，这里假设该电压值线性减小，那么在下次扰动时只需要给太阳能板一个减小电压扰动即可，因此实现了电压扰动的方向性，减小了电压扰动次数，提高系统的快速性。自学习MPPT控制方法通过改变功率开关管的占空比D来改变输出电压U0，最终实现最大功率点跟踪。根据经验，设定光伏电池最大功率点对应电压约为开路电压的0.78倍，因此将光伏电池开路电压值乘以0.78作为首个最大功率点电压，即：u₀＝0.78u_0c，取系统扰动步长为

且

假设系统已经跟踪到某一时刻最大功率点，且取这一时刻最大功率点对应电压为u₀，前一个最大功率点对应电压为u，那么在下一次跟踪最大功率点时，

首次扰动步长如下：

如果u₀>u，那么：

如果u₀<u，那么：

在实现某处最大功率点跟踪过程中，取当前时刻太阳能板输出功率为oP，前一时刻为P，且扰动方向为

如果P0>P，那么：

即：若前后两次功率相差较大时，系统以较大步长扰动；若前后两次功率相差较小时，系统以一个较小步长扰动；若前后两次功率相差在系统误差范围内，则表明跟踪到最大功率点。

自学习MPPT控制方法根据前后两次最大功率点对应电压变化趋势以及在某一次跟踪过程中前后两次功率变化大小，采用变步长扰动D，使得太阳能板在较短时间内跟踪上最大功率；同时由于在功率变化较小时采用小步长扰动，使得系统的稳态误差较小。

(4)数据采集模块的设计

数据采集模块主要包括太阳能电池板和蓄电池的电压电流采集、光照强度的采集。

在电压数据的采集中采用分压采集方式。在太阳能电池板的两端用两个电阻串联的方式进行分压，例如两个电阻的阻值分别是90K和10K，根据串联分压原理，采集10K电阻两端的电压就是太阳能电池输出电压的0.1倍，把采集到的电压进行A/D转换后再乘10就可得到太阳能电池板的真实输出电压了。

对电流数据的采集用的是闭环霍尔电流传感器来完成的，该传感器是用霍尔器件作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品，其工作原理是霍尔磁平衡式的，即原边电流所产生的磁场通过一个副边线圈的电流所产生的磁场进行补偿。由于太阳能电池板的短路电流为1.02A，在并联的情况下，最大电流也在2A左右，本装置采用型号为HNC-05SY可以满足系统对测量电流的范围要求。

光照强度的采集模块选用TAOS公司的光频转换器TSL230R作为光照强度采集的前向通道传感器，它在内部集成了一个可配置的硅光电二极管和一个电流/频率转换器。

2、风力发电系统的设计

参见图2，图4以及图12所示。风力发电系统主要包括风力发电机、不可控桥式整流器、DC/DC变换器、蓄电池、以及控制系统。风力发电机发出的电经整流后变成直流电输入DC/DC升压型变换器，该DC/DC升压型变换器用来改变风力发电机的负载特性，调节发电机输出功率和控制蓄电池充放电。

DC/DC升压型变换器

采用推挽式DC/DC升压型变换器，该变换器电路结构图参见附图12所示。电路中的两个开关管Ql、Q2接在带有中心抽头的变压器初级两端,在电路工作中,两个开关管交替导通,在匝数均为Nl的绕组两端分别形成相位相反的方波电压,此电路可以看成完全对称的两个单端正激变换器组合而成。由于输出电压为高压,所以采用了全桥整流电路,以降低每个整流管的反向承受电压,Dl、D2、D3、D4为整流二极管,L、C为输出滤波电感和滤波电容。该电路中元件的选取为：变压器：变比为9，磁芯型号为EE65，绕线匝数为4:4:36；开关管型号为IRF55N25；副边整流二极管选取为MC33151功率二极管；滤波电感L＝1.5MH；

输出滤波电容选用470Uf/450V电解电容；输入滤波电容C＝200UF。

3、DC/AC逆变器的设计

采用电压型全桥逆变电路,其输出侧采用工频变压器升压和LC滤波电路滤波。本装置要求为自流侧输入电压350VDC、额定交流电压输出为22OV/50Hz、额定容量800VA,其完整的主电路拓扑结构如图13所示。

C1为直流侧的大滤波电容,能有效减少工作时直流母线电压中的脉动交流幅值,并能短时贮存负载开关切换时反馈的电感电流贮能,抑制由此引起的过压；C2为高频无极性滤波电容,因为在高频逆变电路中,电解电容的等效串联阻抗会影响开关电流的能量吸收,所以有必要在Cl两端再并联此电容。该逆变器采用单电压极性的SPWM调制,逆变器同一桥臂的上下两个开关器件交替通断,并处于互补工作方式,即功率管Ql和Q2互补、Q3和Q4互补，Ql和Q3在相位上相差180度电角度。根据设计要求，该逆变器电路参数值如下：IGBT，电压、电流等级为600V/150A，型号为日本三菱CM150DY-12H；电容＝1000uF/400V电解电容以及0.47uf无极性电容；电感L选取1.4mh，电容选取5uf。经过DC/AC逆变器将直流电转换为交流电后为本装置交流负载供电。

4、风光互补供电的工作原理：

风光互补发电系统由风力发电机、太阳能板、蓄电池、逆变器和控制系统等部分组成。本系统中,风力发电部分采用垂直轴永磁同步风力发电机,将风能转换成电能,经过不可控整流桥电路把风机发出的交流电转变为直流电,经过控制器调节DC/DC变换器占空比后,将电能储存在蓄电池中或供给负载；光伏发电部分将太阳能转换为电能,也釆用DC/DC变换器来实现功率变换和调节,电能最终储存于蓄电池中或直接供给负载。控制系统是风光互补发电系统的核心,是以控制器ARM9为控制核心。

根据风机、太阳能板的运行状态、负载变化以及蓄电池的盈亏,通过调节DC/DC变换器逆变器的占空比,实现各部分的运行模式的切换。蓄电池经过外围电路供给整个系统直流电压，此外，蓄电池通过DC/AC逆变器实现对负离子发生装置的交流电源供应。

实施例2

负离子发生器工作原理

由于空气中有不受原子束缚的自由电子存在，这些自由电子在电场力的作用下，沿电场的反方向作加速运动，如果电场达到一定的强度，使自由电子沿电场反方向运动的自由程中，将其能量增加到足以与其它分子碰撞时,可将其它分子的外层电子轰击掉的程度,则空间中将会不断出现被轰击掉电子的分子，即正离子，同时空间中又不断地增多自由电子。如果自由电子的能量还不足以将其它分子的外层电子轰击掉的程度就与其它分子相碰撞,很有可能将被其它分子所俘获，使其分子变成负离子。这样电场所在的空间中既有大量的正离子存在，同时又有大量的负离子及自由电子存在。

负离子发生器一般包括高压电源部分、电晕线发射端、鼓风装置、接地部分；电晕线发射端通常采用金属针或碳纤维。高压电源部分通过电晕线发射端以及接地部分的电链接形成一个电场，其电场强度越强产生的负离子越多。

本实用新型采用了现有技术中的负离子发生电路，然而，现有技术中采用的负离子发生电路存在如下缺陷，负离子产生单元的电源VCC处于受控制状态。如果使负离子产生单元一直供电，则耗电量较高，且会产生较多的臭氧。因此本负离子发生装置中增加了控制策略，在输入电源+12V前增加一个三极管，同时三极管的基极通过Vcontol端与控制模块电连接。

具体电路结构参见附图11所示。负离子发生系统包括负离子发生电路以及控制电路；负离子发生电路通过控制电路输出负离子；所述负离子发生电路中元件的链接关系如下：蓄电池输出+12V的直流电,可将+12V的直流电源转变为几千伏的高压直流电源；该+12V直流电输入到三极管Qc的集电极，Qc的基极与控制电路链接，Qc的发射极与电阻R1一端链接；电阻R1另一端与电阻R2、二极管D1阳极链接；电阻R2另一端与电阻R3链接，同时经过电容C1与地链接；三极管Q的发射极接地，三极管Q的基极接变压器T原边一绕组的输入端，该绕组的输出端接R4一端；Q的集电极接变压器T原边另一绕组的输出端，同时三极管Qc的发射极接该绕组的输入端；变压器T的副边输出端接二极管D2阴极、电阻R5、电容C3的一端，变压器T副边另一输出端通过电容C2与二极管D2的阳极、二极管D3的阴极链接；电阻R6的一端与电阻R5另一端链接，另一端与电阻R7的一端、二极管D3的阳极链接。蓄电池输出+12V的直流电，可将+12V的直流电源转变为几千伏的高压直流电源,电路中元件电阻R1、R2、R3、R4、二极管D1、电容C1、三极管Q及变压器T的原边两线圈组成振荡电路。在T的副边产生交流高压。在高压的负半周时,为电容C2充电；正半周时，其电压与电容C2两极间的电压方向相同，两电压叠加后为电容C8充电，则电容C3两极间电压的最大值应是变压器T副边电压最大值的两倍。电阻R5、R6、R7起限流及保护电路的作用。

实施例3

负离子发生装置工作原理如下：该装置通过风力发电以及太阳能发电为蓄电池供电，蓄电池输出+12V到三极管Qc的集电极，控制系统经过对空气中负离子浓度、臭氧浓度等参数的采集，并对采集的参数采用模糊控制理论模糊化后输出控制信号给Qc基极，以时刻改变占空比比值的PWM波以控制Qc的导通关断时间，进而精确调整负离子发生器产生负离子浓度。

此外，控制系统对采集的上述参数也可以采用模糊控制理论等控制方法以更加精确的控制负离子的浓度。

在不背离本实用新型的范围或精神的情况下，可对本实用新型说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本实用新型的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。