光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

潘野，童玲，田雨

（電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 611731）

潘野（碩士研究生），童玲（教授、博士生導(dǎo)師）：主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉üこ獭y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器；田雨（講師），主要研究方向?yàn)槲⒉ㄅc通信測(cè)試。

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(jiǎn)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(jiǎn)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［1］。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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。

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(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［2］。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12V計(jì)算，鉛酸電池的輸出電壓為12V，蓄電池的最佳充電電流和放電電流一般按10h充、放電率計(jì)算。例如：10Ah的電瓶，其充電電流最佳為1A，最佳放電電流也是1A。若一天要把12V／10Ah的電瓶充滿，需大于12V的電壓、電流為1A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24h內(nèi)的功耗為45.2mAh，主要耗能器件24h消耗電量25mAh，其他器件都具有極低的靜態(tài)電流，這里按照1 mA計(jì)算，24h消耗能量為24h×1mA＝24mAh。每天消耗的總能量約為45.2 mAh＋25mAh＋24mAh＝94.2mAh。按照系統(tǒng)一天的總耗能為100mAh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)12V／1Ah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100mA充電電流下10h則可將電池充滿。因此，兩個(gè)12V額定電容量1Ah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 voltage）主要由充電電池電壓和充電電路負(fù)載決定。12V的鉛酸電池需太陽能電池板提供15V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1 Ah電容量的電池所需要的充電時(shí)間，18V太陽能電池板在輸出電流為100mA時(shí)的輸出功率P＝U·I＝18V·100mA＝1.8W，而100mA的電流充滿1Ah的電池需要10h。

筆者在設(shè)計(jì)中選用了工作電壓18V、開路電壓約20V、輸出功率2W單晶硅太陽能電池板，規(guī)格尺寸大約為213mm×92mm。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(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。

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(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［3］。

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＝18V，過充電壓Uoc＝15V，浮充電壓UF＝14.5V，過充轉(zhuǎn)換電壓為14.25V，浮充轉(zhuǎn)換電壓為11.7V，最大充電電流Imax＝0.5A，過充終止電流50mA。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12V，集電極接太陽能電池板電壓18V，在晶體管上形成了約6V的壓差，因此晶體管的耗散功率要求大于500mA×6V＝3W。而UC3906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)ā３潆娍刂颇K電路如圖3所示。

圖3 充電控制模塊電路

設(shè)定UC3906芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓在溫度為25℃時(shí)Uref＝2.3V，內(nèi)部分流值ID＝50μA。則可確定R3＝Uref／ID＝47kΩ，R1＋R2＝（UF－2.3V）／ID＝90.7kΩ，R4＝2.3V×90.7kΩ／（Uoc－UF）＝348kΩ。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＝22.6kΩ（UT為涓流充電到大電流充電的臨界導(dǎo)通電壓，UT＝13.95V，微小電流It取150mA）。限流電阻 Rs＝0.25V／Imax＝0.5Ω，Rt＝（18V－UT－2.5V）／It＝10Ω。

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＝150mA，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11.7V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（1V）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(shì)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)（standby charge）。

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。

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［4］。

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。

圖4 Buck－Boost電路

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(shì)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，當(dāng)Discharge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10min，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。

圖5 雙電源切換電路

ChargeUpControl和Discharge控制電平均由單片機(jī)根據(jù)電池電壓檢測(cè)結(jié)果而提供。設(shè)定好一定的監(jiān)測(cè)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。

［1］馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［2］周志敏.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［3］Texas Instruments.Sealed Lead－Acid Battery Charger UC3906Datasheet，1999.

［4］趙庚申，王慶章，許盛之.最大功率點(diǎn)跟蹤原理及實(shí)現(xiàn)方法的研究［D］.天津：南開大學(xué)光電子研究所，2006.