智能化宿舍改造项目 之 供电篇

对于每一个住宿生来说,宿舍应该是一天中待的时间最长的一个地方。拿我们学校来说,每天上课加上晚自习的时间约是 10 个小时。算上社团活动和打球的时间,我们也还是有近乎 12 小时的时间要在宿舍中度过。所以,宿舍与我们的生活息息相关。很多同学可能尝试过在宿舍里做些精心装饰,以此来增添学习之余的乐趣。而我作为一个技术宅,当然不能错过这个大好机会啦!于是便开始对宿舍进行一番智能化大改造……

供电篇

几乎所有的住宿制高中都装备了一两名生辅老师,她们每天晚上都会定时到走道拉闸,风雨无阻。

没电寸步难行啊!这样不是不能愉快地玩耍了?

如果你是学生党,肯定会有宿舍熄灯后还在用手电筒或是带电池的台灯偷偷照明苦读的经历。我心想这样不行,实在是太不方便了。要想个长久之计来搞定万物之本——供电问题。

既然面对的是人工拉闸,要想从电闸上下手几乎不可能。当然也会有同学作死地自己跑出去开闸,结果其他宿舍的灯光突然划破天际,然后被抓……看来只能对自己宿舍里的供电系统进行改造了。

假如有一个电池就可以将电能转化为化学能存储起来,需要用的时候再逆向转换出来。我认为这个想法可行,于是便开始考虑一些相关因素。

电池种类

常见的长时间供能电池有锂电池和铅蓄电池两种。

锂电池

优点

1. 比能量大

质量很轻。这也是为什么智能手机,笔记本电脑这样的移动设备都采用锂电池的原因。

2. 自放电小

电量可以储存较长时间,不易被自身损耗。

3. 使用寿命长,无记忆效应

在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过 500 次。而且不像早期的镍镉电池的容量会随着使用而不断减少。

4. 充电速度快

单节 3.6V 锂电池在 4.2V 的恒压恒流的充电条件下,通常 1 至 2 个小时就能充满。

不足

1. 价格十分高昂

淘宝上一节标称容量为 3000mAh 的全新 A 等品 18650 锂电池售价在 15 元左右。

2. 电压不稳

随着不断放电,电动势会波动较厉害。

铅蓄电池

优点

1. 价格非常低廉

12V 20Ah 的铅蓄电池售价仅为 130 元。用每节 3000mAh 的 18650 锂电池要想做到 12V 20Ah,需 3 节串联成一组,7 组并联,总价格则是 3*7*15=315 元。

2. 电压稳定

放电时电动势比较平稳,不会出现太大波动。

3. 耐用性强

能适应更极端的环境,接受的环境温度与放电电流范围广。

不足

1. 比能量低

太过笨重,同等容量下铅蓄电池的质量要远大于锂电池。

为了最好的满足我的需求,锂电池将会是最好的选择,但它过高的价格令我望而生畏。

仔细想想,它的一些特性我并不需要。例如比能量大:作为宿舍里的蓄电模块,我并不需要经常移动它。所以质量与体积大并不会影响太多;自放电小:宿舍里基本都是不断循环使用,自放电的快慢在平常并没有很大影响。仅仅是当放假时间较长时,内部的电能不会因丧失太快而缩短电池的使用寿命。

所以,我最后选择了铅蓄电池。

电池电压

既然确定了使用铅蓄电池,那么要考虑的一大参数就是它的电压。

单节铅蓄电池的电压是 2V,日常生活中通常会被设计为多节一组,从而实现不同的输出电压。

生活中最为常见的是 12V 的铅蓄电池,它被广泛用在汽车与电动自行车上。

根据我的经验,铅蓄电池的 12V 电压可以驱动很多日用电子产品。原因有以下几点:

1. 大部分电子产品最终都使用直流电来工作

例如手机充电器:输入端连接的是家庭电源——220V 50Hz 交流电(AC),经过内部变压转换,可以输出 5V 直流电(DC)。

2. 人体安全电压是 36V,12V 接近于它的中间值

当我们使用 DC-DC 直流调压板时,基本可获取 36V 以内的所有电压。虽然调压板的转换效率一般不是很高,但铅蓄电池容量可以做到很大,相比可以不用太在意。

3. 铅蓄电池的放电电流很大

铅蓄电池的最大放电电流一般可达到以安时(Ah)为单位的容量的 2 至 3 倍,尽管经过调压板会有能量损耗,但也还是可以应付 90% 以上的电器。

4. 可搭配 12V 逆变器来直接驱动 220V 的低功率电器

如果你想使用铅蓄电池来给一些低功率的家用电器供电,只需使用一个汽车逆变器即可。将其输入端接在铅蓄电池上,然后直接将电器的插头插进逆变器的输出插座上就能直接使用了。要注意的是,有些电器在启动瞬间需要很大的电流。这类电器是无法在逆变器上使用的。

所以,我选择了 12V 的铅蓄电池。

电池容量

这其实没什么好说的,条件允许的情况下肯定是越大越好。

我预计 12V 20Ah 的铅蓄电池已经够我玩了,于是便购买了一块。

手上还有一块 7Ah 的实验用铅蓄电池,电压一样也是 12V,于是我干脆并联上去做电池组。

这种情况下电量叠加,共 27Ah。

以上三点聊完后,供电部分的讲解就大致结束了。

且慢!刚才一直都在说电池的放电方面,还有充电呢!

好,现在开始说说充电部分~

充电方式

铅蓄电池的充电方式有很多种:恒流充电,恒压充电,阶段式充电,脉冲式充电等。

充电需要考虑的因素不是太多,通常购买最常见的现成的三段式智能充电器。它能自动根据铅蓄电池的特性来自动调节充电方式。

下面我来简述一下三段式充电的主要过程:

1. 恒流充电阶段

此时充电电流恒定且较大,系快速充电阶段。当电池电压上升到一定程度时,自动进入第 2 阶段。

2. 恒压充电阶段

此时电压恒定且略高于电池电压。在这个过程中,随着电量不断饱和,电流会不断下降。电流下降到一定值的时候,进入第 3 阶段。

3. 结束阶段

此时充电已基本完成,继续使用微小电流进行充电,延长电池寿命。这个阶段也被称为涓流充电,智能手机充电到 99% 时也有这么一个阶段。

为了避免麻烦,我把铅蓄电池与智能充电器长期连接。

也就是说宿舍电闸一合,连接在电池上的用电器马上由从铅蓄电池变成充电器进行供电。此时存在两种情况:

1. 如果放电电流还没达到充电器的最大输出电流,则此时大部分电流流向用电器,而铅蓄电池还是能分到小电流并缓慢充电。

2. 当充电器最大电流不够时,此时转变为铅蓄电池和充电器一起向用电器供电。虽然充电器连接在蓄电池上,但此时铅蓄电池正处于放电阶段。

16 条评论

郭清扬进行回复 取消回复

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  • 绝大多数开关电源都是交直流两用的,所以你根本不需要逆变器就可以用电脑,Led台灯什么的。另外你说的锂电池价格也不正确,底盘模组拆机三元电芯价格接近铅酸,沃特玛32650磷酸铁锂的价格比铅酸还低,2~300元足够存一度电了。只是锂电池必须要配保护板,这个还有几十元额外开销。

    • 没想到这么久远的文章还能得到回复,感动啊!
      不过对于你的评论,我有以下两条想说:
      1. 逆变器之所以现在还在被广泛使用,很主要的一个原因是它不需要修改电器方面的电路。把原装电源适配器的插头像插在墙壁上的插座一样插在逆变器上,电器就能正常工作。所以它相比于其他改装方案,对于各式各样的电器来说更具普适性。
      2. 锂电池的种类与价格我是在15年做的调研,不知道你给的数据是不是当下的。科技飞速发展,如果不是同一时期的数据,直接批判数据是不正确的未免有失偏颇?
      欢迎继续讨论~

  • 隔壁宿舍表示造福人类…猿题库不卡了。6 😎

  • 😳 一个高中僧竟然有电脑可以在寝室用,而且还有交流电用

  • 桌上的小电脑是树莓派吗?装的什么系统 😆

    • 眼尖!那是树莓派 Model B~跑 Raspbian 系统。 😎

  • 以后写的时候能不能写一下材料的价位区间

  • 哇唔觉得写的好棒呀,把优缺点列出比较,但是为什么没有天猫链接什么的,比较不懂怎样购买选择,还有安全问题……应该不会出现供电模块短路烧坏什么的吧,小白啊求大神指导……

    • 谢谢你的建议!至于安全问题,谨慎操作的话是不会出现你说的这些问题的~ 🙂