一種基于超級電容器的光伏儲能系統(tǒng)設(shè)計

王章堯

摘 要 伴隨著新能源技術(shù)的不斷進步，原本只在書本和網(wǎng)絡(luò)上的新技術(shù)也逐漸走近我們的視野。其中，作為萬物之源的太陽能應(yīng)用技術(shù)已日趨成熟。太陽能的應(yīng)用通常情況下有兩種方式，一種是取陽光中的輻射熱能來加熱東西（如太陽能灶具、太陽能熱水器），另一種是利用半導(dǎo)體界面的光生伏打效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這種發(fā)電方式是直接轉(zhuǎn)換成我們所用的二次能源中的電能，這樣人類使用太陽能的方式就更為多樣化。傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電需要并網(wǎng)消納或者自備電池組儲能，前者受電網(wǎng)接納能力的限制且政策上也有局限，后者在運行成本上有局限;而本次設(shè)計將結(jié)合當前新型的儲能方式，使用超級電容器來儲存電能，這種方式可以有更快速的充電速率，更強的負載能力以及更經(jīng)濟的運行維護成本。

關(guān)鍵詞 太陽能 超級電容 功率變換

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0001-08

本系統(tǒng)設(shè)計是基于光伏供電的場合，系統(tǒng)整體可滿足小功率負載在離線情況下連續(xù)供電的需求;設(shè)計應(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?；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)計和人機交互的需求，設(shè)計時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)計兩種方案。

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

ADC0809是51單片機中經(jīng)典的模數(shù)裝換芯片，硬件資源最大可提供分時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候需要額外的時鐘，同時數(shù)據(jù)的傳輸是8位并行，所以在一定程度上會較多占用MCU的硬件資源，且實際使用時需要用到高精度參考電壓源，實際的硬件電路會有更多的開銷，因此對于此方案，在本次項目中不予采用。

1.1.2 STC12CA60S2增強型單片機測量電路參數(shù)

STC12C5A60S為國產(chǎn)單片機，對于本次的系統(tǒng)設(shè)計更為實用，該單片機是采用51內(nèi)核的8位單片機，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。這里的兩個關(guān)鍵功能本次系統(tǒng)設(shè)計都可以直接使用，一個是自帶的AD，另一個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)計上，外部時鐘都可以直接省略，因為其內(nèi)部自帶了RC時鐘源在頻率精度要求不高的場合可以完全適用。本次設(shè)計時還是參照了傳統(tǒng)51單片機的外圍電路設(shè)計，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，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、價格、工藝等問題，此次的系統(tǒng)設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機作為信號采集、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)計的重點是對太陽能電池所發(fā)電能的存儲，由于電池輸出的電壓與當前環(huán)境下的光照強度有直接關(guān)系，而超級電容器在充電時是不能夠超過其上限電壓的，因此就需要設(shè)計一個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行充電。本次設(shè)計試驗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)計時既要可以對直流電源進行升壓也要可以降壓才行。根據(jù)文獻資料可以知道，經(jīng)典的電路拓撲結(jié)構(gòu)中有BOOST—BUCK電路和SEPIC電路可以滿足要求。

1.2.1 Boost buck拓撲電路結(jié)構(gòu)分析

Boost buck拓撲電路是開關(guān)電源三大基本拓撲結(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拓撲電路功能上確實可以完成電壓的升降，但卻有一個嚴重的缺陷，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)計在這種情況下難以使用單片機對其電壓進行測量，因為參考點的選取不好處理。但該電路可以應(yīng)用在需要負壓的場合。

1.2.2 SEPIC拓撲電路結(jié)構(gòu)分析

SEPIC拓撲電路是在三種基本拓撲電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變的另外三種（Cuk、Zeta、Sepic）之一，其電路的基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示，Multisim仿真升降壓效果如圖7、圖8所示。

從圖7、圖8中可以知道SEPIC拓撲電路可以完成直流電壓的升降，同時不改變電壓的極性，功能上可以達到系統(tǒng)設(shè)計的要求。而且該電路在搭建的時候可以適用的電源IC種類很多，可以說只要支持Boost拓撲結(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，SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)更適合。

2 系統(tǒng)理論分析與計算

在系統(tǒng)方案里，確定了STC12C5A60S2為系統(tǒng)MCU，負責系統(tǒng)中幾個關(guān)鍵點的AD轉(zhuǎn)換工作，同時通過特定的算法將其解算成當前電路的實際電壓值，并在顯示模塊上顯示出來?；赬L6009的三路SEPIC功率拓撲電路，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;將超級電容器存儲的電能經(jīng)過變換后供給測量電路，由于超級電容存儲電量有限，對此電路獨立控制，以查詢的方式可以實時了解當前系統(tǒng)的工作情況。這里對關(guān)鍵的計算點進行分析。

2.1 ADC轉(zhuǎn)換電壓值算法

STC12C5A60S2單片機內(nèi)置8路10位AD，這里只需要選擇三個通道即可。該單片機的AD工作的時候沒有單獨參考電壓，它直接使用電源作為測量參考。因此在電路設(shè)計的時候需要注意單片機供電電路的穩(wěn)定性。單片機的AD采集之后，得到的是二進制數(shù)據(jù)，這里如果測量電壓是5V，那么從AD返回的值就為二進制“1111111111”，如果是0V，那么AD返回的值就為二進制“0000000000”，對應(yīng)十進制數(shù)就為1023和0。這里涉及到將0到1023和0到5進行一個線性的對應(yīng)操作，設(shè)計時使用一個一元一次的函數(shù)表達式就可以計算出當前的電壓值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，這里在解算的時候就預(yù)先將值擴大了100倍（所以看到的是500而不是5），這樣在顯示的時候只要將得到的值逐個分離出來顯示即可，然后人為的除以100保證數(shù)據(jù)的準確性。

2.2 超級電容器存儲電量計算

在進行超級電容器電量計算的時候，需要先對電路中常用的公式做一個了解，然后推算得出超級電容電量的計算公式。

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

電量=電壓（V）x電荷量（C）

這里以本次系統(tǒng)設(shè)計為例，選用的是100F、2.5V的單體超級電容6個串聯(lián)組成的模組。根據(jù)計算，這里的實際電容量應(yīng)該為100/6≈16.7F，由于電容的實際容量差別很大，所以這里在計算的時候只取整數(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。當然實際應(yīng)用的時候，由于電路的效率問題，肯定不會有這么多的能量被使用到。

對于功率變換電路，因為是參考成熟的方案設(shè)計，對于電子元件的參數(shù)就沒有做詳細的計算。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

3.1 電路的設(shè)計

3.1.1 系統(tǒng)總體框圖

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

3.1.2 功率拓撲電路原理圖

本次的系統(tǒng)設(shè)計根據(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 單片機最小系統(tǒng)及顯示電路原理圖

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

3.2 程序的設(shè)計

3.2.1 程序功能描述與設(shè)計思路

本次系統(tǒng)設(shè)計的程序編寫是基于STC12C5A60S2單片機進行的，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行配置才可以。

功能上，程序完成指定的3個AD通道進行AD采集。同時對得到的AD值進行解算得到當前電路的實際電壓值，進一步計算可得到超級電容器存儲的電量值。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，也采用單獨函數(shù)的方式進行，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字符一個字符的方式發(fā)送給液晶屏顯示，大循環(huán)中直接調(diào)用各個功能函數(shù)，來執(zhí)行相應(yīng)的功能，對于計算的處理直接在主函數(shù)中以數(shù)學表達式的方式完成。

3.2.2 程序流程圖

程序流程圖如上圖12所示。

4 測試方案與測試結(jié)果

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

4.1 測試方案

本次系統(tǒng)設(shè)計針對硬件測試時，主要是對功率電路部分進行測試，測試時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)時主要測試，測量電路測量數(shù)據(jù)的準確性。

4.1.1 硬件測試

在測試電路輸出帶載能力的時候，根據(jù)日常低壓用電設(shè)備的情況，大多數(shù)為5V的用電，因此在實物搭建時特別增加了USB接口，方便USB設(shè)備使用，USB設(shè)備使用時大多需要滿足1A以上的電流負載能力。因此測試時調(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，這時根據(jù)歐姆定律電流（I）=電壓（U）/電阻（R），可知此時的輸出電流為1.25A。由于模組存儲電量有限，因此重載時間不應(yīng)過長。（詳細測試效果如圖13、圖14所示）

這里的電流測量值不為1.25A，也不是標準的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，但其負載能力也達到了將近6W，所以這樣的設(shè)計結(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，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（實測效果如圖15、圖16）。

從圖15和圖16中可以看出，系統(tǒng)測量電壓可以達到±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。當然，在太陽能電池充電測試的時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)，同時匹配的太陽能電池板功率應(yīng)該滿足設(shè)計要求。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)對測量時系統(tǒng)輸出的幾次不同的電壓列表對比，詳細如表1所示。

4.3.2 測試分析與結(jié)論

通過表1可以看出，系統(tǒng)測得誤差是可以達到0.2V的設(shè)計要求。而且在硬件調(diào)試的時候?qū)崪y輸出電壓范圍可以是3V-30V，該技術(shù)指標也是完全可以達到常規(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這個供電區(qū)間對超級電容完成充電，當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被直接拉低至3V以下，這個時候是不能完成充電的。同時如果在陽光充足時，該系統(tǒng)在不掛接超級電容的情況下也是可以直接驅(qū)動小功率負載。

5 結(jié)論

從本次的系統(tǒng)設(shè)計可以知道，超級電容和光伏發(fā)電這兩者的結(jié)合是完全可行的。同時較傳統(tǒng)的光伏項目來說該系統(tǒng)具有充電快、短時負載能力強的優(yōu)點，特別適合在功率負載轉(zhuǎn)移時的過渡使用。超級電容作為新的儲能方式其具有充電速度快、負載能力強的優(yōu)點，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，這也是超級電容儲能的優(yōu)勢所在。最后，系統(tǒng)在布局設(shè)計時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行二次開發(fā)[3]。

參考文獻：

[1] 桑勝舉，沈丁.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2010：45-52.

[2] Sanjaya Maniktala，王健強.精通開關(guān)電源設(shè)計（第二版）[M]. 北京：人民郵電出版社，2019.

[3] 何賓.STC單片機原理及應(yīng)用—從器件、匯編、C到操作系統(tǒng)的分析和設(shè)計（立體化教程）（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2019.

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