一種基于超級電容器的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（彭水苗族土家族自治縣職業(yè)教育中心，重慶 彭水 409600）

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于光伏供電的場合，系統(tǒng)整體可滿足小功率負(fù)載在離線情況下連續(xù)供電的需求；設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的帶載能力，能夠滿足一般電壓等級的用電器使用，自身功耗低，有一定的硬件資源冗余以方便產(chǎn)品迭代等特點(diǎn)?；谏鲜鲆?，系統(tǒng)至少應(yīng)該具有一定的智能性，具備可靠的功率變換電路，能夠?qū)崿F(xiàn)較為友好的人機(jī)交互等功能[1]。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)MCU 的選擇及方案論證

基于智能設(shè)計(jì)和人機(jī)交互的需求，設(shè)計(jì)時(shí)就必須使用微控制器或嵌入式芯片。根據(jù)系統(tǒng)功能需求的分析，現(xiàn)設(shè)計(jì)兩種方案。

1.1.1 ADC0809 和AT89C51 組合實(shí)現(xiàn)電路參數(shù)測量

ADC0809 是51 單片機(jī)中經(jīng)典的模數(shù)裝換芯片，硬件資源最大可提供分時(shí)8 路8 位精度的AD 轉(zhuǎn)換功能，8 位AD數(shù)據(jù)并行傳輸，可滿足一般場合AD 要求。其典型應(yīng)用電路如圖1 所示，從圖中可以看到該芯片在工作的時(shí)候需要額外的時(shí)鐘，同時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸是8 位并行，所以在一定程度上會(huì)較多占用MCU 的硬件資源，且實(shí)際使用時(shí)需要用到高精度參考電壓源，實(shí)際的硬件電路會(huì)有更多的開銷，因此對于此方案，在本次項(xiàng)目中不予采用。

1.1.2 STC12CA60S2 增強(qiáng)型單片機(jī)測量電路參數(shù)

STC12C5A60S 為國產(chǎn)單片機(jī)，對于本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為實(shí)用，該單片機(jī)是采用51 內(nèi)核的8 位單片機(jī)，但STC12 C5A60S2 有8 路10 位AD，帶PWM 功能，具有SPI 接口可在線編程，內(nèi)部ROM 為64K。這里的兩個(gè)關(guān)鍵功能本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)都可以直接使用，一個(gè)是自帶的AD，另一個(gè)就是超大的程序空間。在硬件電路上該單片只需要少量的外圍器件即可工作，在最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，外部時(shí)鐘都可以直接省略，因?yàn)槠鋬?nèi)部自帶了RC 時(shí)鐘源在頻率精度要求不高的場合可以完全適用。本次設(shè)計(jì)時(shí)還是參照了傳統(tǒng)51 單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)，其最小系統(tǒng)如圖2 所示。

此外除了上述的兩種方案之外，還可以使用ST（STM32）的單片機(jī)，功能上也能夠兼容，但綜合功能開發(fā)的難易程度、市場存量、價(jià)格、工藝等問題，此次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為信號采集、處理芯片。并且在市場上STC 的產(chǎn)品存量大，成本有優(yōu)勢，對于工程開發(fā)來說，這也是一種最優(yōu)化的選擇。

1.2 系統(tǒng)功率變換電路方案選擇

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對太陽能電池所發(fā)電能的存儲(chǔ)，由于電池輸出的電壓與當(dāng)前環(huán)境下的光照強(qiáng)度有直接關(guān)系，而超級電容器在充電時(shí)是不能夠超過其上限電壓的，因此就需要設(shè)計(jì)一個(gè)電源變換電路將太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換成相對固定的電壓再對電容器進(jìn)行充電。本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)所采用的超級電容器模組的充電上限是12V，因此對應(yīng)的功率變換電路可以在太陽能電池輸出電壓高于或者低于12V時(shí)將電容器的充電電壓穩(wěn)定到12V 的上限值。該電路在設(shè)計(jì)時(shí)既要可以對直流電源進(jìn)行升壓也要可以降壓才行。根據(jù)文獻(xiàn)資料可以知道，經(jīng)典的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有BOOST—BUCK 電路和SEPIC 電路可以滿足要求。

1.2.1 Boost buck 拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)分析

Boost buck 拓?fù)潆娐肥情_關(guān)電源三大基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Boost、Buck、Boost—buck）中的一種，前兩者只能升壓或者降壓，這種既可以升壓也可以降壓。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，Multisim 仿真升降壓效果如圖4、圖5 所示。

從圖4 和圖5 中可以看出，Boost buck 拓?fù)潆娐饭δ苌洗_實(shí)可以完成電壓的升降，但卻有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，輸出的電壓與輸入側(cè)電壓極性相反。而本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)在這種情況下難以使用單片機(jī)對其電壓進(jìn)行測量，因?yàn)閰⒖键c(diǎn)的選取不好處理。但該電路可以應(yīng)用在需要負(fù)壓的場合。

1.2.2 SEPIC 拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)分析

SEPIC 拓?fù)潆娐肥窃谌N基本拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變的另外三種（Cuk、Zeta、Sepic）之一，其電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示，Multisim 仿真升降壓效果如圖7、圖8 所示。

圖1 ADC0809 與單片機(jī)典型電路連接

圖2 STC12C5A60S2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

從圖7、圖8 中可以知道SEPIC 拓?fù)潆娐房梢酝瓿芍绷麟妷旱纳?，同時(shí)不改變電壓的極性，功能上可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。而且該電路在搭建的時(shí)候可以適用的電源IC 種類很多，可以說只要支持Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（只升壓）的IC 基本都可以搭建此電路。市場上常用的電源芯片有芯龍半導(dǎo)體的XL60XX 系列、TI 公司的LM25XX 系列等。這種芯片的最大輸出電流可以達(dá)到3A，內(nèi)置MOS，只需要少量的外圍器件即可工作，電路的搭建上要相對容易一些。

由以上兩種方案中對比可知，此次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

在系統(tǒng)方案里，確定了STC12C5A60S2 為系統(tǒng)MCU，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的AD 轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)通過特定的算法將其解算成當(dāng)前電路的實(shí)際電壓值，并在顯示模塊上顯示出來?；赬L6009 的三路SEPIC 功率拓?fù)潆娐?，將太陽能電池產(chǎn)生的電能經(jīng)過變換后給超級電容器充電；將超級電容器存儲(chǔ)的電能經(jīng)過變換輸出，使之可以匹配外接用電器的工作電壓；將超級電容器存儲(chǔ)的電能經(jīng)過變換后供給測量電路，由于超級電容存儲(chǔ)電量有限，對此電路獨(dú)立控制，以查詢的方式可以實(shí)時(shí)了解當(dāng)前系統(tǒng)的工作情況。這里對關(guān)鍵的計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖3 boost—buck 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 boost—buck 電路升壓效果

圖5 boost—buck 電路降壓效果

圖6 SEPIC 拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)

圖7 SEPIC 拓?fù)潆娐方祲盒Ч?/p>

圖8 SEPIC 拓?fù)潆娐飞龎盒Ч?/p>

2.1 ADC 轉(zhuǎn)換電壓值算法

STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)置8 路10 位AD，這里只需要選擇三個(gè)通道即可。該單片機(jī)的AD 工作的時(shí)候沒有單獨(dú)參考電壓，它直接使用電源作為測量參考。因此在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意單片機(jī)供電電路的穩(wěn)定性。單片機(jī)的AD 采集之后，得到的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這里如果測量電壓是5V，那么從AD 返回的值就為二進(jìn)制“1111111111”，如果是0V，那么AD 返回的值就為二進(jìn)制“0000000000”，對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)就為1023 和0。這里涉及到將0 到1023 和0 到5進(jìn)行一個(gè)線性的對應(yīng)操作，設(shè)計(jì)時(shí)使用一個(gè)一元一次的函數(shù)表達(dá)式就可以計(jì)算出當(dāng)前的電壓值V。

V=（AD_value*500）/1023（這里AD_value為AD返回值）

基于C 語言處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，這里在解算的時(shí)候就預(yù)先將值擴(kuò)大了100 倍（所以看到的是500 而不是5），這樣在顯示的時(shí)候只要將得到的值逐個(gè)分離出來顯示即可，然后人為的除以100 保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 超級電容器存儲(chǔ)電量計(jì)算

在進(jìn)行超級電容器電量計(jì)算的時(shí)候，需要先對電路中常用的公式做一個(gè)了解，然后推算得出超級電容電量的計(jì)算公式。

聯(lián)立式1 到式5 即可將容量、電壓轉(zhuǎn)為等效電量表達(dá)式如下：

電量=電壓（V）x 電荷量（C）

這里以本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，選用的是100F、2.5V 的單體超級電容6 個(gè)串聯(lián)組成的模組。根據(jù)計(jì)算，這里的實(shí)際電容量應(yīng)該為100/6 ≈16.7F，由于電容的實(shí)際容量差別很大，所以這里在計(jì)算的時(shí)候只取整數(shù)16。由于模組自身有均壓電路存在，因此充電上限電壓只有12V。SEPIC 功率變換部分的最低輸入電壓實(shí)測為3.5V。因此這里超級電容器的有效電壓為12V-3.5V=8.5V，所以電量（能量）=8.5*16=136A·S，也就是如果以136A 的電流放電，那么可以維持1 秒鐘。當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，由于電路的效率問題，肯定不會(huì)有這么多的能量被使用到。

對于功率變換電路，因?yàn)槭菂⒖汲墒斓姆桨冈O(shè)計(jì)，對于電子元件的參數(shù)就沒有做詳細(xì)的計(jì)算。而對XL6009 來說，輸出電壓由反饋電阻調(diào)節(jié)，根據(jù)反饋引腳的電壓始終為1.25V，來配置反饋電路的電阻即可[2]。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路的設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)總體框圖

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)由功率變換、MCU、顯示等模塊構(gòu)成，詳細(xì)組成及連接關(guān)系如圖9 所示。

3.1.2 功率拓?fù)潆娐吩韴D

本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)需要基于XL6009 搭建了三組SEPIC 功率變換電路以滿足，超級電容器充電、電能輸出、系統(tǒng)自供電三部分的需求。電容充電電路中為避免太陽能電池接線極性接反，在輸入側(cè)加裝了二極管（M7）防止反接，在電能輸出部分和系統(tǒng)自供電部分，考慮到節(jié)能需求加裝了獨(dú)立開關(guān)控制電路的啟閉，總體電路結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)及顯示電路原理圖

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2 單片機(jī)，雖然在功能上相對于傳統(tǒng)51 強(qiáng)勁了很多，但其外圍電路基本上沿用傳統(tǒng)51 單片機(jī)的電路即可，基本上就是復(fù)位和時(shí)鐘電路，這里由于單片機(jī)內(nèi)置RC 振蕩器，在要求不高的地方可以直接使用，而不需要外部的時(shí)鐘電路。顯示電路，使用的是12864 液晶屏。本次設(shè)計(jì)采用并口的方式傳輸數(shù)據(jù)，電路沿用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案。單片機(jī)最小系統(tǒng)及顯示電路原理圖如圖11 所示。

圖9 系統(tǒng)總框圖

圖10 SEPIC 拓?fù)潆娐罚ǔ潆婋娐罚?/p>

圖11 單片機(jī)最小系統(tǒng)及顯示電路原理圖

3.2 程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序編寫是基于STC12C5A60S2 單片機(jī)進(jìn)行的，功能上使用了內(nèi)部AD，這樣在程序代碼上需要對特定寄存器進(jìn)行配置才可以。

功能上，程序完成指定的3 個(gè)AD 通道進(jìn)行AD 采集。同時(shí)對得到的AD 值進(jìn)行解算得到當(dāng)前電路的實(shí)際電壓值，進(jìn)一步計(jì)算可得到超級電容器存儲(chǔ)的電量值。除此之外，系統(tǒng)對外輸出采用12864 液晶屏，這里單片機(jī)與屏的通信方式為并行，數(shù)據(jù)口在P0，同樣程序需要配置相應(yīng)的引腳，來控制液晶屏正常顯示字符信息。

思路上，根據(jù)程序功能需求，完成AD 采集函數(shù)代碼的編寫，這樣在使用時(shí)可以直接調(diào)用。在液晶屏顯示數(shù)據(jù)的處理上，也采用單獨(dú)函數(shù)的方式進(jìn)行，液晶屏的寫命令和寫數(shù)據(jù)函數(shù)分開，在主函數(shù)中可以直接調(diào)用。主函數(shù)中，由于本人的能力有限，字符的顯示采用一個(gè)字符一個(gè)字符的方式發(fā)送給液晶屏顯示，大循環(huán)中直接調(diào)用各個(gè)功能函數(shù)，來執(zhí)行相應(yīng)的功能，對于計(jì)算的處理直接在主函數(shù)中以數(shù)學(xué)表達(dá)式的方式完成。

3.2.2 程序流程圖

程序流程圖如上圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)程序流程圖

4 測試方案與測試結(jié)果

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)在測試時(shí)分為兩部分進(jìn)行，一個(gè)是以XL6009 構(gòu)成SEPIC 功率電路進(jìn)行測試，其中包括電壓調(diào)節(jié)、帶載能力和穩(wěn)定性。另一個(gè)是以STC12C5A60S2 構(gòu)成的電壓測量電路的準(zhǔn)確性的測試。

4.1 測試方案

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對硬件測試時(shí)，主要是對功率電路部分進(jìn)行測試，測試時(shí)使用萬用表測試輸出電壓的穩(wěn)定性和輸出電流的大小。硬件軟件聯(lián)調(diào)時(shí)主要測試，測量電路測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.1.1 硬件測試

在測試電路輸出帶載能力的時(shí)候，根據(jù)日常低壓用電設(shè)備的情況，大多數(shù)為5V 的用電，因此在實(shí)物搭建時(shí)特別增加了USB 接口，方便USB 設(shè)備使用，USB 設(shè)備使用時(shí)大多需要滿足1A 以上的電流負(fù)載能力。因此測試時(shí)調(diào)節(jié)電位器將輸出電壓調(diào)至5V，將4Ω 的電阻接到輸出端口，使用萬用表測量電路輸出電壓依舊為5V，這時(shí)根據(jù)歐姆定律電流（I）=電壓（U）/電阻（R），可知此時(shí)的輸出電流為1.25A。由于模組存儲(chǔ)電量有限，因此重載時(shí)間不應(yīng)過長。（詳細(xì)測試效果如圖13、圖14 所示）

圖13 系統(tǒng)萬用表測試5V 輸出

圖14 系統(tǒng)在5V 輸出時(shí)電流超過1A

這里的電流測量值不為1.25A，也不是標(biāo)準(zhǔn)的5V，其原因可能是重載情況下，反饋端到電源芯片處產(chǎn)生的壓降所引起，但其負(fù)載能力也達(dá)到了將近6W，所以這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果是可以接受的。

4.1.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)

硬件軟件聯(lián)調(diào)時(shí)，將萬用表接到系統(tǒng)輸出端口，調(diào)整輸出電壓看液晶屏顯示的數(shù)據(jù)和萬用表的測數(shù)據(jù)是否一致。反復(fù)調(diào)節(jié)變送電路，直至測量電路顯示的數(shù)據(jù)和萬用表的測試讀數(shù)大體相同（實(shí)測效果如圖15、圖16）。

圖15 系統(tǒng)15V 電壓對比測試

圖16 系統(tǒng)4V 電壓對比測試

從圖15 和圖16 中可以看出，系統(tǒng)測量電壓可以達(dá)到±0.05 的范圍，而且測試可以輸出4-15V 的直流電壓。滿足更多電壓等級用電設(shè)備的用電需求。

4.2 測試條件與儀器

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的環(huán)境使用要求不高，普通場合即可。因此在普通的測試場地即可完成測試。當(dāng)然，在太陽能電池充電測試的時(shí)候最好是選擇晴朗的天氣，保持太陽能電池板在陽光的直射狀態(tài)，同時(shí)匹配的太陽能電池板功率應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)要求。儀器選擇普通的三位半萬用表即可完成所有測試。

4.3 測試結(jié)果及分析

4.3.1 測試結(jié)果(數(shù)據(jù))

測試結(jié)果在前文的硬件和軟件調(diào)試的附圖中均由體現(xiàn)，現(xiàn)對測量時(shí)系統(tǒng)輸出的幾次不同的電壓列表對比，詳細(xì)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)輸出電壓測量對比

4.3.2 測試分析與結(jié)論

通過表1可以看出，系統(tǒng)測得誤差是可以達(dá)到0.2V 的設(shè)計(jì)要求。而且在硬件調(diào)試的時(shí)候?qū)崪y輸出電壓范圍可以是3V-30V，該技術(shù)指標(biāo)也是完全可以達(dá)到常規(guī)用電設(shè)備的需求。在系統(tǒng)充電電壓上，只要保證發(fā)電功率，也完全可以在5V-22V 這個(gè)供電區(qū)間對超級電容完成充電，當(dāng)然這里如果是光照條件不好的情況下，太陽能電池的電壓會(huì)被直接拉低至3V 以下，這個(gè)時(shí)候是不能完成充電的。同時(shí)如果在陽光充足時(shí)，該系統(tǒng)在不掛接超級電容的情況下也是可以直接驅(qū)動(dòng)小功率負(fù)載。

5 結(jié)論

從本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以知道，超級電容和光伏發(fā)電這兩者的結(jié)合是完全可行的。同時(shí)較傳統(tǒng)的光伏項(xiàng)目來說該系統(tǒng)具有充電快、短時(shí)負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，特別適合在功率負(fù)載轉(zhuǎn)移時(shí)的過渡使用。超級電容作為新的儲(chǔ)能方式其具有充電速度快、負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且由于其充電過程是物理變化，所以電容的性能衰減速度慢，這也是超級電容儲(chǔ)能的優(yōu)勢所在。最后，系統(tǒng)在布局設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了硬件上的冗余，其它的功能需求完全可以基于此進(jìn)行二次開發(fā)[3]。