光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計 - 全文

　　引言

　　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相應的蓄電池進行持續(xù)充電，同時還需設(shè)計相對簡單、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)往往因為充放電不合理，導致蓄電池使用壽命短，給使用和維護帶來不必要的麻煩。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)計一種結(jié)構(gòu)相對簡單、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，非常適合應用于野外安置、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。

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　　圖1，光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

　　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現(xiàn)，它的設(shè)計遵循通用電路設(shè)計規(guī)則，在第3節(jié)中將詳細介紹。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，針對不同的電池又需要配備不同參數(shù)的太陽能電池板。對于多電壓系統(tǒng)，電源電路還應該包括升/降壓部分。下面以筆者參與的實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)計電壓為12 V計算，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來計算，考慮在實際情況中充電電壓由于外界因素的影響不能保證時刻對鉛酸電池進行有效充電，選取兩個12 V/1 Ah的鉛酸電池構(gòu)成電池組，單個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間得不到充電，也能夠支持相當長的時間，并且在相對較短的時間內(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)計的電源，上述參數(shù)會發(fā)生相應的變化，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。考慮到1Ah電容量的電池所需要的充電時間，18 V太陽能電池板在輸出電流為100 mA時的輸出功率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。

　　3 控制器電路設(shè)計

　　控制器電路是整個光伏發(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。

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　　圖2，控制器電路框圖

　　3.1 充電控制模塊

　　TI公司的UC3906芯片是專門針對鉛酸電池充電設(shè)計的，內(nèi)部的邏輯電路提供多種充電狀態(tài)，并對溫度進行了精確的跟蹤補償，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12V/1Ah鉛酸電池進行充電，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控制晶體管截斷或?qū)?。充電控制模塊電路如圖3所示。

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　　圖3，Buck-Boost電路圖

　　設(shè)定UC3906芯片內(nèi)部基準電壓在溫度為25℃時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個階段：涓流充電、大電流充電、過充電、浮動充電。剛開始充電時，UC3906芯片的11腳通過一個電阻RT輸出一個微小電流It=150 mA，此時晶體管基極電平使晶體管斷路，11腳的微小電流It對鉛酸電池進行涓流充電，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。

　　當充電器輸出電壓上升至UT，或浮充電壓下降到11.7 V時，則進入大電流充電狀態(tài)。大電流Imax由外部PNP晶體管導通輸出至電池，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。電壓達到0.95Uref時，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腳通過一個限流電阻Rd接地，14腳通過旁路電容C1=0.1μF接地。此時充電進入過充電狀態(tài)，過充電指示端腳9輸出低電平。剛進入過充電狀態(tài)時，太陽能充電輸出端繼續(xù)輸出最大電流，當電池電壓升高到Uoc時，電壓放大器控制驅(qū)動級，充電器進行恒壓充電，電壓穩(wěn)定在Uoc，此時UC3906的13腳電壓等于內(nèi)部基準電壓Uref。此后，電池接受的充電電流開始減小。

　　當充電電流下降到過充電終止電流Ioct時，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)的電位升高進入過充電狀態(tài)。當干擾或其他原因使充電電流瞬時下降時，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，狀態(tài)電平輸出關(guān)斷，消除了R4對R1、R2和R3分壓器的旁路作用。電壓放大器控制驅(qū)動晶體管，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，充電進入浮動充電狀態(tài)。當電池接上負載而放電后，充電器將直接提供電源輸出，而電池電壓也勢必下降。當電壓下降至0.9UF時，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。浮動充電程序?qū)τ谘娱L蓄電池的壽命是非常關(guān)鍵的，當蓄電池充電完成后，若移除充電電壓，則蓄電池又會立即自行放電，因此必須對電池施加一個適當電壓以及微小的電流以避免電池放電，浮動充電狀態(tài)又可稱為待機充電狀態(tài)(standbycharge)。

　　從整個充電過程來看，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個階段，既使得充電過程保持較高的效率，又對太陽能電池板和鉛酸電池起到了很好的保護作用。

　　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，當太陽能電池板工作在該點時能輸出當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載、光強、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，即最大功率點時刻在變化，導致光伏系統(tǒng)效率降低。

　　因此，跟蹤太陽能電池板輸出的最大功率點是提高光伏系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。當太陽電池工作電壓小于最大功率點電壓Umax時，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電壓Umax時，輸出功率隨太陽電池端電壓上升而減少。實現(xiàn)最大功率點跟蹤實質(zhì)上是一個自尋優(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。對于線性電路來說，當負載電阻等于電源內(nèi)阻時，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，但在極短的時間內(nèi)可認為是線性電路。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，就可實現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，也就實現(xiàn)了太陽電池的最大功率點跟蹤。當負載電阻等于太陽能電池板內(nèi)阻時，負載兩端的電壓恰好等于輸出電壓的一半，因此在實際應用中，通常采用調(diào)節(jié)負載兩端的電壓來實現(xiàn)最大功率點跟蹤。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)中的單片機對DC-DC變換器的輸入、輸出電壓進行采樣計算，同時產(chǎn)生控制脈沖信號調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部開關(guān)管占空比來改變其負載大小，使得負載電壓為太陽能電池板輸出電壓的1/2來實現(xiàn)最大功率點跟蹤。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。

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　　圖4，雙電源切換電路

　　為使晶體管T工作在開關(guān)狀態(tài)，通過單片機在其基極與發(fā)射極之間施加周期一定、高電平存在時間可調(diào)的驅(qū)動控制信號。在一個周期中晶體管導通時間與周期之比稱為占空比，當太陽能輸出電壓發(fā)生變化時，只要適當調(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。長時間的陰雨天氣，光照時間不足勢必造成鉛酸電池電能耗盡無法補充，導致光伏發(fā)電系統(tǒng)癱瘓，甚至會對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)照成無法逆轉(zhuǎn)的破壞。對于安置在惡劣環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)，它的電源供給需要應對各種極端情況。雙電源切換功能的引入極大地增強了供電的穩(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管的柵極電壓，當ChargeUpControl端口的控制電平為低時，光耦TLP521-1導通，柵極電平為低，MOS管IRLML6402導通;反之MOS管斷開，從而達到控制太陽能電池板電壓輸出的充電電壓對電池充電的效果。放電控制電路同樣利用光耦控制場效應管的柵極電壓，當Diseharge端口的控制電平為低時，光耦導通，柵極電平為低，MOS管導通;反之MOS管斷開，從而達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220μF的旁路電容，在光耦未導通之前，電池通過R2電路對C1進行充電，這個過程大概需要10 min，使得MOS管的柵極保持高電平，讓充電通路保持斷路，從而起到在封裝前保護電池和充電回路的作用;而在光耦導通時，由于柵極沿著光耦接地低電平，使得MOS管導通，此時，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，當電池電壓下降到某個值時控制開啟充電回路關(guān)閉放電回路，當電池電壓上升到某個值時控制開啟放電回路關(guān)閉充電回路。當安置兩路這種充放電電路時，通過控制電平的調(diào)配，即可實現(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。極大地提高了電源供電的效率，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對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值。