光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

摘要：基于光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源，利用鉛酸電池、太陽能電池板和相應(yīng)電路，調(diào)控光能采集并進(jìn)行儲(chǔ)存。通過UC3906鉛酸電池充電管理芯片及外圍電路構(gòu)成智能充電模塊，最大限度延長了鉛酸電池的使用壽命；利用Buck-Boost電路和單片機(jī)控制回路提供太陽能電池板最大功率跟蹤，保證了供電效率；采用光電耦合器提供雙電源切換功能，確保在極端條件下供電的持久性。電源能量來自太陽，具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢；電源電路相對(duì)簡單，利于搭建，僅需單片機(jī)提供基本的控制電平，非常適合作為安置在野外的嵌入式系統(tǒng)電源。
關(guān)鍵詞：太陽能；鉛酸電池；充電管理芯片；最大功率跟蹤；光耦切換電路

引言
    隨著人類對(duì)能源需求的日益增加和環(huán)保意識(shí)的逐漸提高，新能源使用正在成為最重要的能源課題之一。安置在野外的嵌入式系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用廣泛，太陽能電源不僅解決了野外長時(shí)間、無人值守工作的嵌入式系統(tǒng)的能源問題，并且具有持久、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
    光伏發(fā)電的核心結(jié)構(gòu)是通過一定規(guī)格的太陽能電池板對(duì)相應(yīng)的蓄電池進(jìn)行持續(xù)充電，同時(shí)還需設(shè)計(jì)相對(duì)簡單、高效的輔助電路來確保發(fā)電過程的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介
    光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、控制器構(gòu)成。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)往往因?yàn)槌浞烹姴缓侠?，?dǎo)致蓄電池使用壽命短，給使用和維護(hù)帶來不必要的麻煩。太陽能電池板輸出電壓不穩(wěn)定的特點(diǎn)又使得傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率較低，能源供給的持續(xù)性差，無法作為惡劣環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)電源。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的光伏電源來滿足不同工作環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)非常重要。
    本設(shè)計(jì)中，控制器電路集充電控制模塊、最大功率跟蹤模塊、雙電源切換模塊為一體，采用可充電鉛酸電池作為儲(chǔ)能單元，很好地解決了傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)存在的問題，讓嵌入式系統(tǒng)脫離了人工能源的束縛，具備穩(wěn)定、可靠、高效、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于野外安置、無人值守的嵌入式系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 光伏設(shè)備選取
    光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器主要通過集成電路來實(shí)現(xiàn)，它的設(shè)計(jì)遵循通用電路設(shè)計(jì)規(guī)則，在第3節(jié)中將詳細(xì)介紹。而鉛酸電池和太陽能電池板組成的光伏設(shè)備則具有特殊的參數(shù)，不同的嵌入式系統(tǒng)供電電壓、功率一般不同。因此，光伏電源首先需要選取適合特定嵌入式系統(tǒng)的鉛酸電池，針對(duì)不同的電池又需要配備不同參數(shù)的太陽能電池板。對(duì)于多電壓系統(tǒng)，電源電路還應(yīng)該包括升／降壓部分。下面以筆者參與的實(shí)際工程為例加以說明。
2．1 鉛酸電池參數(shù)選取
    按嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓為12 V計(jì)算，鉛酸電池的輸出電壓為12 V，蓄電池的最佳充電電流和放電電流一般按10 h充、放電率計(jì)算。例如：10 Ah的電瓶，其充電電流最佳為1 A，最佳放電電流也是1 A。若一天要把12 V／10 Ah的電瓶充滿，需大于12 V的電壓、電流為1 A的太陽能電池板。
    筆者在工程中所使用的嵌入式系統(tǒng)核心處理芯片在24 h內(nèi)的功耗為45．2 mAh，主要耗能器件24 h消耗電量25 mAh，其他器件都具有極低的靜態(tài)電流，這里按照1mA計(jì)算，24 h消耗能量為24 h×1 mA=24 mAh。每天消耗的總能量約為45．2mAh+25 mAh+24 mAh=94．2 mAh。按照系統(tǒng)一天的總耗能為100 mAh來計(jì)算，考慮在實(shí)際情況中充電電壓由于外界因素的影響不能保證時(shí)刻對(duì)鉛酸電池進(jìn)行有效充電，選取兩個(gè)12 V／1 Ah的鉛酸電池構(gòu)成電池組，單個(gè)電池在飽和電量可以連續(xù)支持系統(tǒng)工作10天，在100 mA充電電流下10 h則可將電池充滿。因此，兩個(gè)12 V額定電容量1 Ah的鉛酸電池輪流供電可為系統(tǒng)提供長期穩(wěn)定的能源，即使極端條件下長時(shí)間得不到充電，也能夠支持相當(dāng)長的時(shí)間，并且在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)即可迅速被充滿。
    需要說明的是，為不同的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源，上述參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，但基本原理相同。
2．2 太陽能電池板參數(shù)選取
    太陽能電池板的兩個(gè)電壓參數(shù)：最大輸出電壓(maximum power voltage)和開路電壓(open circuit volrage)主要由充電電池電壓和充電電路負(fù)載決定。12 V的鉛酸電池需太陽能電池板提供15 V以上的輸出電壓，而最大輸出電流(maximum power current)決定了電池的充電時(shí)
間。通常來說充電控制芯片的功耗很小，因此太陽能電池板的電流參數(shù)不宜過大，功率亦不需要太大?？紤]到1Ah電容量的電池所需要的充電時(shí)間，18 V太陽能電池板在輸出電流為100 mA時(shí)的輸出功率P=U·I=18 V·100 mA=1．8 W，而100 mA的電流充滿1 Ah的電池需要10h。
    筆者在設(shè)計(jì)中選用了工作電壓18 V、開路電壓約20 V、輸出功率2 W單晶硅太陽能電池板，規(guī)格尺寸大約為213 mm×92 mm。值得一提的是，在滿足充電要求的前提下，功率較小的太陽能電池板體積也較小，安置野外更為方便。[!--empirenews.page--]

3 控制器電路設(shè)計(jì)
    控制器電路是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，它直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、持久性和高效性。如前文所提，控制器電路包括3個(gè)模塊，分別是以UC3906芯片為核心搭建的充電控制模塊、Buck-Boost電路構(gòu)成的最大功率跟蹤模塊、光電耦合器搭建的雙電源切換模塊。電路具有兩條相同的供電通路，通過切換模塊可以讓兩塊獨(dú)立的鉛酸電池輪流充電、供電，控制器電路所需要的控制信號(hào)則通過其供電的嵌入式系統(tǒng)提供?？刂破麟娐房驁D如圖2所示。

3．1 充電控制模塊
    TI公司的UC3906芯片是專門針對(duì)鉛酸電池充電設(shè)計(jì)的，內(nèi)部的邏輯電路提供多種充電狀態(tài)，并對(duì)溫度進(jìn)行了精確的跟蹤補(bǔ)償，可以發(fā)揮電池的最大容量，延長電池的使用壽命。
    利用18V／2W的太陽能電池板對(duì)12V／1Ah鉛酸電池進(jìn)行充電，輸入電壓Uin=18 V，過充電壓Uoc=15 V，浮充電壓UF=14．5 V，過充轉(zhuǎn)換電壓為14．25 V，浮充轉(zhuǎn)換電壓為11．7 V，最大充電電流Imax=0．5 A，過充終止電流50 mA。由于充電電路始終接在電池上，為了防止蓄電池電流倒流入太陽能電池板造成其損壞，在晶體管與輸出電路之間接入二極管1N4001，晶體管TIP42C本身則起到穩(wěn)壓降壓的作用。發(fā)射極接電池電壓12 V，集電極接太陽能電池板電壓18 V，在晶體管上形成了約6 V的壓差，因此晶體管的耗散功率要求大于500 mA×6 V=3 W。而UC39 06芯片的16腳則控制晶體管的基極電壓，根據(jù)反饋回路所提供的反饋信號(hào)控制晶體管截?cái)嗷驅(qū)?。充電控制模塊電路如圖3所示。

    設(shè)定UC3906芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓在溫度為25℃時(shí)Uref=2．3 V，內(nèi)部分流值ID=50μA。則可確定R3=Uref／ID=47 kΩ，R1+R2=(UF-2．3V)／ID=90．7kΩ，R4=2．3V×90．7kΩ／(Uoc-UF)=348 kΩ。又設(shè)Rx=R3與R4的并聯(lián)阻值，則Ra=(R1+R2+Rx)(1-2．3V／UT)=68．1kΩ，Rb=22．6 kΩ(UT為涓流充電到大電流充電的臨界導(dǎo)通電壓，UT=13．95 V，微小電流It取150 mA)。限流電阻Rs=0．25 V／Imax=0．5Ω，Rt=(18 V-UT-2．5 V)／It=10 Ω。
    鉛酸電池充電分為4個(gè)階段：涓流充電、大電流充電、過充電、浮動(dòng)充電。剛開始充電時(shí)，UC3906芯片的11腳通過一個(gè)電阻RT輸出一個(gè)微小電流It=150 mA，此時(shí)晶體管基極電平使晶體管斷路，11腳的微小電流It對(duì)鉛酸電池進(jìn)行涓流充電，這樣可以避免在涓流充電階段鉛酸電池反接造成回路短路。
    當(dāng)充電器輸出電壓上升至UT，或浮充電壓下降到11．7 V時(shí)，則進(jìn)入大電流充電狀態(tài)。大電流Imax由外部PNP晶體管導(dǎo)通輸出至電池，蓄電池主要的電量亦在此階段回充。在正常情況下，隨著電池充電，電池兩端的電壓逐漸升高，電壓經(jīng)R1、R2、R3分壓后加到電壓取樣比較器反向輸入端13腳。電壓達(dá)到0．95Uref時(shí)，電壓取樣比較器在14腳，15腳輸出低電平，由于內(nèi)部分流值電流的存在，15腳通過一個(gè)限流電阻Rd接地，14腳通過旁路電容C1=0．1μF接地。此時(shí)充電進(jìn)入過充電狀態(tài)，過充電指示端腳9輸出低電平。剛進(jìn)入過充電狀態(tài)時(shí)，太陽能充電輸出端繼續(xù)輸出最大電流，當(dāng)電池電壓升高到Uoc時(shí)，電壓放大器控制驅(qū)動(dòng)級(jí)，充電器進(jìn)行恒壓充電，電壓穩(wěn)定在Uoc，此時(shí)UC3906的13腳電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Uref。此后，電池接受的充電電流開始減小。
    當(dāng)充電電流下降到過充電終止電流Ioct時(shí)，電流取樣比較器的輸出中斷。UC3906內(nèi)部的10μA提升電流使過充終止端(8腳)的電位升高進(jìn)入過充電狀態(tài)。當(dāng)干擾或其他原因使充電電流瞬時(shí)下降時(shí)，為避免充電器過早地轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，在UC3906的第8腳與地之間接入1只電容器。當(dāng)8腳電壓上升到規(guī)定的門限值(1 V)后，充電狀態(tài)邏輯電路使充電器轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。此時(shí)，狀態(tài)電平輸出關(guān)斷，消除了R4對(duì)R1、R2和R3分壓器的旁路作用。電壓放大器控制驅(qū)動(dòng)晶體管，使充電器輸出電壓保持在VF。
    充電電壓由Uoc下降，并維持在UF，電池充電程序近乎完成時(shí)，充電進(jìn)入浮動(dòng)充電狀態(tài)。當(dāng)電池接上負(fù)載而放電后，充電器將直接提供電源輸出，而電池電壓也勢必下降。當(dāng)電壓下降至0．9UF時(shí)，則充電模式重新設(shè)定回涓流充電階段，重新執(zhí)行新的充電循環(huán)程序。浮動(dòng)充電程序?qū)τ谘娱L蓄電池的壽命是非常關(guān)鍵的，當(dāng)蓄電池充電完成后，若移除充電電壓，則蓄電池又會(huì)立即自行放電，因此必須對(duì)電池施加一個(gè)適當(dāng)電壓以及微小的電流以避免電池放電，浮動(dòng)充電狀態(tài)又可稱為待機(jī)充電狀態(tài)(standbycharge)。
    從整個(gè)充電過程來看，UC3906充電芯片利用其自身的邏輯電平控制將充電過程分為4個(gè)階段，既使得充電過程保持較高的效率，又對(duì)太陽能電池板和鉛酸電池起到了很好的保護(hù)作用。[!--empirenews.page--]
3．2 最大功率跟蹤模塊
    光伏發(fā)電系統(tǒng)中的太陽能電池板在一定的條件下具有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)太陽能電池板工作在該點(diǎn)時(shí)能輸出當(dāng)前條件下的最大功率。但由于太陽能電池板的輸出特性受負(fù)載、光強(qiáng)、溫度等因素的影響，其輸出電壓和電流均在發(fā)生變化，從而使輸出功率不穩(wěn)定，即最大功率點(diǎn)時(shí)刻在變化，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)效率降低。
    因此，跟蹤太陽能電池板輸出的最大功率點(diǎn)是提高光伏系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。當(dāng)太陽電池工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨太陽電池端電壓上升而增加；工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨太陽電池端電壓上升而減少。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過程，即通過控制太陽電池端電壓，使電池能在各種不同外部環(huán)境下智能地輸出最大功率，不斷獲得最大功率輸出。
    DC-DC變換器是一種通過控制電壓將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅淖儞Q電路。對(duì)于線性電路來說，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，電源有最大功率輸出。雖然太陽電池和DC-DC變換電路都是非線性的，但在極短的時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻使它始終等于太陽能電池板的內(nèi)阻，就可實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，也就實(shí)現(xiàn)了太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。當(dāng)負(fù)載電阻等于太陽能電池板內(nèi)阻時(shí)，負(fù)載兩端的電壓恰好等于輸出電壓的一半，因此在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。光伏發(fā)電系統(tǒng)中將DC-DC變換器接入太陽能電池板的輸出回路，并通過嵌入式系統(tǒng)中的單片機(jī)對(duì)DC-DC變換器的輸入、輸出電壓進(jìn)行采樣計(jì)算，同時(shí)產(chǎn)生控制脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部開關(guān)管占空比來改變其負(fù)載大小，使得負(fù)載電壓為太陽能電池板輸出電壓的1／2來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。由于采用升降壓式(Buck-Boost)DC-DC轉(zhuǎn)換電路，這種最大功率功率跟蹤電路又稱為Buck-Boost電路，如圖4所示。

    為使晶體管T工作在開關(guān)狀態(tài)，通過單片機(jī)在其基極與發(fā)射極之間施加周期一定、高電平存在時(shí)間可調(diào)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。在一個(gè)周期中晶體管導(dǎo)通時(shí)間與周期之比稱為占空比，當(dāng)太陽能輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)Buck-Boost電路的占空比就可保證太陽能電池板輸入鉛酸電池的電壓穩(wěn)定。
3．3 雙電源切換模塊
    太陽能綠色環(huán)保，取之不盡用之不竭，但卻受到環(huán)境因素的制約。長時(shí)間的陰雨天氣，光照時(shí)間不足勢必造成鉛酸電池電能耗盡無法補(bǔ)充，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)癱瘓，甚至?xí)?duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)照成無法逆轉(zhuǎn)的破壞。對(duì)于安置在惡劣環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)，它的電源供給需要應(yīng)對(duì)各種極端情況。雙電源切換功能的引入極大地增強(qiáng)了供電的穩(wěn)定性。

    雙電源切換電路包括充電電路和放電電路，如圖5所示。充電控制電路利用光耦控制場效應(yīng)管的柵極電壓，當(dāng)ChargeUpControl端口的控制電平為低時(shí)，光耦TLP521-1導(dǎo)通，柵極電平為低，MOS管IRLML6402導(dǎo)通；反之MOS管斷開，從而達(dá)到控制太陽能電池板電壓輸出的充電電壓對(duì)電池充電的效果。放電控制電路同樣利用光耦控制場效應(yīng)管的柵極電壓，當(dāng)Diseharge端口的控制電平為低時(shí)，光耦導(dǎo)通，柵極電平為低，MOS管導(dǎo)通；反之MOS管斷開，從而達(dá)到控制電池輸出電壓的效果。
    需要注意的是在放電電路中接入了一個(gè)220μF的旁路電容，在光耦未導(dǎo)通之前，電池通過R2電路對(duì)C1進(jìn)行充電，這個(gè)過程大概需要10 min，使得MOS管的柵極保持高電平，讓充電通路保持?jǐn)嗦?，從而起到在封裝前保護(hù)電池和充電回路的作用；而在光耦導(dǎo)通時(shí)，由于柵極沿著光耦接地低電平，使得MOS管導(dǎo)通，此時(shí)，充電電路正常工作，而電容C1則不發(fā)揮作用。
    ChargeUpControl和Discharge控制電平均由單片機(jī)根據(jù)電池電壓檢測結(jié)果而提供。設(shè)定好一定的監(jiān)測電壓值，當(dāng)電池電壓下降到某個(gè)值時(shí)控制開啟充電回路關(guān)閉放電回路，當(dāng)電池電壓上升到某個(gè)值時(shí)控制開啟放電回路關(guān)閉充電回路。當(dāng)安置兩路這種充放電電路時(shí)，通過控制電平的調(diào)配，即可實(shí)現(xiàn)兩塊電池輪流充電供電。
    雙電源切換模塊的引入極大地提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。

結(jié)語
    本文以光伏發(fā)電為基礎(chǔ)，配合集成電路搭建了一種嵌入式系統(tǒng)電源。在傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上加入了智能充電控制芯片、最大功率跟蹤、雙電源切換功能，最大限度地延長了蓄電池的使用壽命，極大地提高了電源供電的效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)于工作在野外極端環(huán)境、惡劣條件下的嵌入式系統(tǒng)具有較高的使用和推廣價(jià)值。