太陽電池能量采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)*

李正陽, 鮮 帥, 穆繼亮

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著社會(huì)工業(yè)現(xiàn)代化的全面推進(jìn)，人們對(duì)于能源的需求也與日俱增。目前能源供給以石油、煤、天然氣為主，從能源消耗狀況以及環(huán)境安全等多方面考慮，清潔、微弱能量的收集在近年來受到了廣泛的關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)[1]。同時(shí)，隨著光伏電池產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，太陽能也成為了最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉碵2]，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、能源補(bǔ)給等領(lǐng)域[3]。在能量采集過程中，電路系統(tǒng)的工作時(shí)間、電池電壓、采集電量等諸多信息成為能量采集系統(tǒng)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此,將電量信息發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的能量采集電路主要包括有橋式整流電路、電荷同步獲取電路和電感同步開關(guān)電路，能量存儲(chǔ)裝置主要采用超級(jí)電容或者鋰電池。以上的能量采集電路，存在電路壓降大、自身功耗大、輸出電壓不穩(wěn)定、能量采集電路效率低等問題[4,5]，這些情況都會(huì)影響微弱能量的采集、管理及應(yīng)用。

本文針對(duì)太陽能采集電路的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)瓶頸，設(shè)計(jì)了一種基于BQ25570電路的太陽能采集與能源存儲(chǔ)系統(tǒng)，收集不同天氣條件下的太陽能為電路系統(tǒng)供電，同時(shí)將多余的電能存儲(chǔ)到鋰電池中，并將鋰電池中的電量信息通過無線傳輸模塊在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示[6,7]。本文設(shè)計(jì)的太陽能采集系統(tǒng)可穩(wěn)定輸出3.3 V電壓，BQ25570模塊的最大輸出功率可達(dá)采集能量的70 %～80 %，實(shí)現(xiàn)了太陽能的高效采集、智能存儲(chǔ)與電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

太陽能采集及能源存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括：太陽能光伏電池板、BQ25570能源管理電路、儲(chǔ)能單元以及數(shù)據(jù)接收傳輸單元，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)能量由太陽能光伏電池板提供，太陽能光伏電池板與BQ25570能源管理芯片相連，通過能源管理電路可將收集到的太陽能直接為系統(tǒng)供電，并將多余的電能通過鋰電池進(jìn)行存儲(chǔ)；電池電量信息通過主控芯片以及無線通信模塊發(fā)送到接收器。最終將采集到的電量信息進(jìn)行處理與實(shí)時(shí)顯示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能采集及能源管理芯片選用BQ25570，將收集到的太陽能轉(zhuǎn)換為3.3 V穩(wěn)定電壓并為后端電路供電，具體電路如圖2所示。圖中Solar Cell為太陽能光伏電池板接入端，BAT為鋰電池接入端。為最大程度優(yōu)化太陽能采集效率，利用BQ25570芯片最大功率點(diǎn)跟蹤采樣特性，在電路中，將VOC_SAMP引腳與VSTOR引腳相連，使最大功率輸出可達(dá)采集能量的70 %～80 %?？紤]到鋰電池深度放電、損壞以及防止存儲(chǔ)元件完全耗盡等因素，BQ25570芯片內(nèi)部采用欠壓(VBAT_UV)閾值設(shè)計(jì)，當(dāng)鋰電池電壓值下降至VBAT_UV時(shí)，芯片與鋰電池?cái)嚅_連接，其中，VBAT_UV典型值為1.95 V。同時(shí)，為了防止鋰電池以及存儲(chǔ)元件過度充電，芯片內(nèi)部設(shè)有過壓(VBAT_OV)閾值。VBAT_OV由如下公式給出

圖2 BQ25570能源管理芯片接線圖

(1)

為滿足系統(tǒng)3.3 V供電要求，通過對(duì)式(2)中電阻值進(jìn)行設(shè)置，以調(diào)節(jié)BQ25570芯片輸出電壓

(2)

式中 偏置電壓VBIAS均為1.21 V。

太陽能光伏電池板采用微型高效三結(jié)砷化鎵(GaAs)電池，峰值電壓可達(dá)7.26 V，峰值電流可達(dá)21.4 mA，功率為155.3 mW，轉(zhuǎn)化效率約為25%～30 %；光伏電池板作為系統(tǒng)輸入部分接入電路后，峰值電壓約為2 V，滿足BQ25570芯片中輸入電壓低于5.5 V、輸入功率低于510 mW的要求。系統(tǒng)存儲(chǔ)元件采用20 mm×30 mm的耐高溫鋰電池，電池容量為140 mAh，最大充放電電流為140 mA，小于太陽能采集系統(tǒng)充放電電流，符合本文電路設(shè)計(jì)的電流要求。太陽能板及鋰電池如圖3所示。

圖3 太陽能板及鋰電池

2.2 信息采集傳輸設(shè)計(jì)

2.2.1 微處理器電路

由于太陽能采集系統(tǒng)易受天氣等因素影響，采集效率具有不確定性，因此,將采集到的電量信息進(jìn)行處理與顯示就顯得尤為重要。太陽能采集系統(tǒng)采用ESP32作為主控芯片，外圍電路如圖4所示。ESP32將能源管理模塊對(duì)鋰電池的存儲(chǔ)電壓進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線模塊。在此芯片電路設(shè)計(jì)中，ADC引腳采集BQ25570能源管理鋰電池端的電壓值，CSn,SI,SO,SCLK,GDO0引腳連接CC1101無線傳輸模塊。

圖4 ESP32外圍電路

2.2.2 無線傳輸模塊

為確保太陽能采集系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，需要盡可能減小系統(tǒng)內(nèi)的功耗[8,9]，常見低功耗無線通信如ZigBee及Lora的工作電流在30 mA以上，而本文選用的CC1101為低于1 GHz的低功耗射頻芯片[10,11]，當(dāng)芯片工作為433 MHz時(shí)，0 dBm發(fā)送模式下，電流消耗為16 mA，待機(jī)模式下電流僅為200 nA，極大地降低了系統(tǒng)的功耗。發(fā)射端的CC1101通過SPI通信協(xié)議將ESP32傳送來的鋰電池電壓值信號(hào)發(fā)送到接收端的CC1101，接收端再與上位機(jī)連接并將電壓信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)時(shí)顯示。無線傳輸電路如圖5所示。

圖5 CC1101無線傳輸模塊電路

2.3 系統(tǒng)電路實(shí)物設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路整體實(shí)物圖如圖6所示。左上部分為BQ25570太陽能采集電路，左下為ESP32及外圍電路，右側(cè)為CC1101無線通信模塊。該系統(tǒng)在完成太陽能采集及能量存儲(chǔ)功能外，在電路板中還集成了多個(gè)通信接口，其中包括：串口引腳、IIC引腳、SPI引腳、單線數(shù)字通信引腳、單線模擬通信引腳，這可為后續(xù)傳感器開發(fā)使用和數(shù)據(jù)傳輸提供多種選擇。

圖6 整體設(shè)計(jì)實(shí)物圖

3 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果

測(cè)試結(jié)果分為兩部分，在不同天氣條件下的太陽能采集測(cè)試和系統(tǒng)充放電測(cè)試。

3.1 不同光照條件下的太陽能采集

首先，在無外接ESP32、CC1101負(fù)載電路時(shí)，通過BQ25570直接連接太陽能電池板測(cè)量太陽光模擬器(CME—Sol8150—3A)、晴天、陰天三種不同條件下對(duì)鋰電池的充電情況。鋰電池起始電壓為2.7 V，最高電壓可達(dá)4.2 V。在鋰電池充電初期，采用涓流充電，這種充電模式用于對(duì)低于3 V的鋰電池進(jìn)行補(bǔ)充充電；當(dāng)鋰電池超過3 V時(shí)，采用恒流的方式充電，使電池電壓可以快速上升；隨著電池飽和程度的增加，采用恒壓的方式對(duì)鋰電池進(jìn)行充電；鋰電池趨于飽和時(shí)，充電電流會(huì)往下降直至充電過程結(jié)束。在太陽光模擬器條件下對(duì)鋰電池充電，約7.5 h可將140 mAh的鋰電池充滿；在晴天條件下，約11 h將鋰電池充滿；而在陰天時(shí)，則需要近18 h。不同天氣條件下充電時(shí)間與電壓對(duì)照如圖7所示。

圖7 太陽能充電時(shí)間與電壓對(duì)照

鋰電池電壓與電池容量并不是呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，具體的鋰電池電壓與電池容量對(duì)照關(guān)系見表1。

表1 鋰電池電壓與容量對(duì)比

根據(jù)太陽光模擬器、晴天、陰天不同光照條件下的太陽能充電測(cè)試，充電時(shí)間與鋰電池容量百分比如圖8所示。

圖8 充電時(shí)間與鋰電池百分比對(duì)照

3.2 太陽能能源管理系統(tǒng)充放電測(cè)試

BQ25570在采集太陽能時(shí)，可穩(wěn)定輸出3.3 V為外部電路供電，同時(shí)還能將多余的電量存儲(chǔ)到鋰電池中。ESP32及CC1101工作時(shí)的電壓電流如表2所示。

表2 鋰電池電壓與容量對(duì)比

ESP32工作時(shí)的平均電流達(dá)80 mA，CC1101待機(jī)模式下電流為200 nA，0 dBm發(fā)送模式時(shí)電流為16 mA。在本系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，程序設(shè)定無線模塊30 s發(fā)送一次鋰電池電壓信息，其余時(shí)間均為待機(jī)模式。

系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量充電耗電情況如圖9所示，在無光照時(shí)，系統(tǒng)耗電時(shí)間約為3 h，在太陽光模擬器照射時(shí)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)充電和放電時(shí)間約為4.5 h，而在無外部電路連接時(shí)，太陽光模擬器充電時(shí)間約為7.8 h。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的BQ25570自供電能源管理系統(tǒng)可為鋰電池充電并對(duì)外部電路穩(wěn)定供電，保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的工作。

圖9 系統(tǒng)實(shí)測(cè)耗電情況

在無光照條件下系統(tǒng)耗電情況在上位機(jī)采集電壓信號(hào)界面如圖10所示[12]，可見鋰電池電壓較為平穩(wěn)的均勻下降。

圖10 上位機(jī)界面顯示結(jié)果

4 結(jié) 論

本文針對(duì)現(xiàn)有太陽能采集及能源管理電路壓降大、輸出電壓不穩(wěn)定、效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種基于BQ25570的太陽能采集及能源管理電路，電路可以高效采集太陽能并存儲(chǔ)到鋰電池中實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)自供能，同時(shí)將鋰電池電量信息通過無線傳輸方式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示。本文設(shè)計(jì)將采集到的太陽能作為鋰電池的一個(gè)電量補(bǔ)充，解決了因環(huán)境條件而不便更換電池的問題。在該電路中，采用兩片太陽能板對(duì)鋰電池充電，也可將多片太陽能板串并連接增大充電效率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能的智能采集、存儲(chǔ)及電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有很高的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景。