聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控智能分配光伏電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉蓮，藍(lán)國財(cái)，鄧福林，梁琦，李沛敏，周紫茵，康家榮

（廣西民族師范學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

我國是一個(gè)人口大國，資源耗用量較大，如何提高能源利用率，減少不必要能耗，成為當(dāng)前重點(diǎn)研究內(nèi)容。而太陽能作為—種綠色生態(tài)能源，具有高效、無污染、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，但是目前國內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)都存在一定的問題，如發(fā)電量過低、轉(zhuǎn)換效率低、蓄電池充電異常、蓄電池蓄能過低、輸出功率過高、電池溫度過高、無法實(shí)時(shí)觀測電池充放電等一系列問題，這就使得家庭光伏發(fā)電管理系統(tǒng)不能完全普及。為解決這一系列問題本文提出一款基于GD32F450ZGT6 單片機(jī)為主控核心的家庭光伏發(fā)電管理系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏發(fā)電電流、電壓、溫度的有效監(jiān)控，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作和對用戶的財(cái)產(chǎn)的保護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)組成其硬件設(shè)計(jì)主要由溫度檢測系統(tǒng)、WiFi 模塊、SIM 卡模塊、LCD 顯示屏、GD32F450ZGT6 主控、太陽能板組合輸入、輸出轉(zhuǎn)換電路組合而成。軟件設(shè)計(jì)包含手機(jī)APP 開發(fā)和單片機(jī)程序相結(jié)合。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 GD32F450ZGT6 單片機(jī)

GD32F450ZGT6 單 片機(jī)內(nèi)核是由ARM Cotex-M4 可 通 最 大CPU 最 大 主頻率為200MHz，可工作電壓范圍是2.6V~3.6V，芯片的時(shí)鐘可以由內(nèi)部RC 振蕩電路產(chǎn)生或者通過 外 部4MHz~32MHz 輸入，進(jìn)入芯片內(nèi)部的時(shí)鐘系統(tǒng)后將時(shí)鐘分頻、倍頻后供給各個(gè)外設(shè)系統(tǒng)，該芯片有豐富的外設(shè)系統(tǒng)，如ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓、電流的檢測，并通過顯示器顯示，并且芯片具有LCD 外設(shè)接口，通過硬件支持，可以實(shí)現(xiàn)以較高的刷新率實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)界面。

■2.2 溫度傳感器

在整個(gè)設(shè)備的大功率轉(zhuǎn)換電路部分如輸入電壓轉(zhuǎn)換部分的MOS 管，每塊電池的表面和輸出轉(zhuǎn)換電路區(qū)域和電壓轉(zhuǎn)換芯片上均放置溫度傳感器，隨系統(tǒng)各個(gè)點(diǎn)的溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)刻保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性?？紤]到轉(zhuǎn)換電路的溫度屬于高di/dt 電路，所以根據(jù)歐姆定律，其所產(chǎn)生的熱量將會(huì)在電路上產(chǎn)生約30℃的溫升大約使得功率轉(zhuǎn)換電路達(dá)到50℃左右。但是如果電流過大，產(chǎn)生的溫度過高，將會(huì)使得電路損壞嚴(yán)重的更會(huì)引發(fā)起火，所以本設(shè)備同時(shí)在所有電池上安裝溫度傳感器，如果存在4 塊電池將會(huì)安裝4個(gè)溫度傳感器探頭，以此類推。

■2.3 太陽能板組合輸入

太陽能板的電源轉(zhuǎn)換芯片選型上采用了來自南芯公司的SC8721，這是一顆超高效率，集成了4 顆功率管的同步Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器，SC8721的輸出電壓能夠高于，等于或低于輸入電壓。并且SC8721 擁有超寬的輸入及輸出電壓范圍，輸入輸出電壓范圍能夠達(dá)到2.7 ～25V，并且擁有較大的輸入輸出電流能力。SC8721 轉(zhuǎn)換電路圖如圖2所示。

圖2 SC8721轉(zhuǎn)換電路圖

■2.4 WiFi 模塊

無線通信模塊是使用WiFi 連接主控芯片再由顯示屏顯現(xiàn)或是在手機(jī)上監(jiān)控用電量，再通過短信模塊SIM 卡傳輸。在此設(shè)計(jì)中是運(yùn)用在WiFi 連接主系統(tǒng)，無需接入有線網(wǎng)絡(luò)，做到添加聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266 是一款低功耗性價(jià)比好的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)控制核心處理器，可滿足此設(shè)計(jì)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控智能分配光伏電源管理系統(tǒng)應(yīng)用的需求。WiFi 模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 WiFi模塊電路原理圖

■2.5 LCD 顯示屏

本設(shè)計(jì)采用4.3的LCD 顯示屏，顯示器的分辨率為800×480，可以顯示整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)電力參數(shù)如當(dāng)前光伏板的輸入功率，電池的輸出/輸入電流，電池電壓和溫度，輸出電力的實(shí)時(shí)電流和電壓以及功率等一系列重要的系統(tǒng)參數(shù)，并通過觸摸面板與用戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互，電容觸摸點(diǎn)數(shù)最多5 點(diǎn)同時(shí)觸摸，可供用戶設(shè)定溫度報(bào)警的上下報(bào)警閾值，電池類型選擇，電池電壓保護(hù)閾值以及功率限制閾值等一系列系統(tǒng)參數(shù)。支持24位并口通訊方案，可接納電源3 ～5V的正極，工作環(huán)境溫度可在-20℃~70℃,存儲(chǔ)溫度為-30℃~80℃。這款LCD 顯示屏在省,電省能方面可顯示有大優(yōu)勢,所以本設(shè)計(jì)采用這款4.3 寸的LCD 顯示屏。

■2.6 SIM 模塊

SIM 模塊通過用戶插入SIM 卡實(shí)現(xiàn)發(fā)送短信、接收短信、接聽電話和撥出電話等功能，模塊具有小體積，低功耗的優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中，使用模塊的短信發(fā)送功能，可以在設(shè)備異常以及各類需要通知用戶的情況下向其發(fā)送通知短信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警功能。SIM 短信模塊工作流程圖如圖4所示。

圖4 SIM短信模塊工作流程圖

■2.7 輸出轉(zhuǎn)換電路

輸出轉(zhuǎn)換電路由SC8721 切換方向從電池輸出到用電器如逆變器，手機(jī)充電器等一系列負(fù)載設(shè)備，輸出電路的性能可以在電池性能允許的情況下支持最大輸出DC24V20A 共計(jì)480W的功率輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含硬件程序設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。硬件程序設(shè)計(jì)是基于主控芯片GD32F450ZGT6的C 語言程序設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)則是采用App Inventor 圖形化編程。

■3.1 GD32 主控程序設(shè)計(jì)

GD32 主控主要負(fù)責(zé)接收BMS 電池管理系統(tǒng)、電流檢測、電壓檢測、溫度轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過WiFi 模塊上傳到手機(jī)客戶端。最后根據(jù)設(shè)計(jì)需求通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)其對應(yīng)功能，下面分別對這幾點(diǎn)進(jìn)行闡述。單片機(jī)程序流程如圖5所示。

圖5 單片機(jī)程序流程圖

3.1.1 BMS 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)包含了電池溫度檢測、電池過充過放檢測和庫侖計(jì)容量計(jì)算，電池溫度檢測通過在每個(gè)電池上放置溫度傳感器探頭，將每個(gè)溫度傳感器采集到的溫度通過BMS 電池管理系統(tǒng)芯片的串口發(fā)送到本設(shè)計(jì)主控芯片中，主控芯片將接收到的電池溫度與設(shè)定的電池溫度進(jìn)行對比，當(dāng)電池溫度過高時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切斷電流的輸出并上報(bào)主控芯片，實(shí)時(shí)保護(hù)電池以及保證用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全，過充過放保護(hù)電路將實(shí)時(shí)監(jiān)控每一塊電池的電壓當(dāng)電壓低于或高出閾值將會(huì)觸發(fā)保護(hù)切斷電源輸出，極大地延長了電池的壽命；庫侖計(jì)通過實(shí)時(shí)對電池的電流以及方向進(jìn)行積分，通過一段時(shí)間自主學(xué)習(xí)可以獲取到電池組的真實(shí)容量以供系統(tǒng)進(jìn)行功率評估。BMS 電池管理系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

圖6 BMS電池管理系統(tǒng)程序流程圖

3.1.2 電流檢測

利用歐姆定律在電源輸入或輸出端口的正極通路上放置一個(gè)阻值為毫歐級別的采樣電阻，并使用運(yùn)算放大器通過差分檢測的方式將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出到主控芯片，在程序上將檢測回來的ADC 外設(shè)采樣電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換和濾波后得到真實(shí)電流值并通過LCD 屏顯示給用戶查看，當(dāng)電流的閾值高于設(shè)定的安全值時(shí)，主控芯片給SIM 短信模塊發(fā)送指定的AT 指令驅(qū)動(dòng)短信模塊發(fā)送短信通知用戶，同時(shí)主控芯片控制對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路限制功率或者關(guān)閉電流通道。

3.1.3 電壓檢測

主控芯片的ADC 轉(zhuǎn)換器最大可檢測的輸入電壓只有1V 左右，但是各個(gè)轉(zhuǎn)換器的節(jié)點(diǎn)電壓均大于10V，所以需要經(jīng)過分壓電路后將衰減后的電壓送至主控芯片，本設(shè)計(jì)使用50倍衰減電路將電壓轉(zhuǎn)換為原始電壓的1/50，通過運(yùn)算放大器跟隨后輸出到主控芯片ADC 外設(shè)，主控芯片開啟定時(shí)器以1ms 為周期對外設(shè)ADC的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，將采集回來的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)手冊的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后顯示到LCD 顯示屏上，以此實(shí)現(xiàn)對各個(gè)點(diǎn)的電壓監(jiān)控。

3.1.4 溫度檢測

該溫度檢測是專門檢測光伏板溫度的，主控芯片通過定時(shí)器掃描的方式使溫度傳感器以一定時(shí)間周期輪流檢測每一個(gè)探頭放置點(diǎn)的溫度，當(dāng)每個(gè)點(diǎn)的溫度超出其設(shè)定的上下限閾值時(shí)將會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)報(bào)警并采用但不限于限制功率，關(guān)閉電路等一系列保護(hù)措施保證設(shè)備的安全性。

比如常態(tài)下電池溫度30℃左右，設(shè)備一切運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但是如果電池溫度升高超過了50℃，系統(tǒng)通過以MOS 管搭建的電路限制流經(jīng)電池的電路的電流，溫度越高主控芯片對其所在的電流通路的電流限制越高，當(dāng)溫度超過上限閾值系統(tǒng)將會(huì)直接切斷通過電流并產(chǎn)生聲光報(bào)警并通過SIM 模塊向用戶發(fā)送異常報(bào)警信息提醒用戶進(jìn)行設(shè)備檢查。

■3.2 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

App Inventor 是一款完全在線圖形化的手機(jī)APP 開發(fā)網(wǎng)站，這款在線手機(jī)APP 開發(fā)網(wǎng)站極大程度便捷了開發(fā)人員和初學(xué)者。程序編寫只需要把對應(yīng)的代碼塊拼接到一起即可完成程序的編寫，不需要花太多的時(shí)間去學(xué)習(xí)和鉆研這個(gè)程序如何編寫。本設(shè)計(jì)通過在該網(wǎng)站開發(fā)手機(jī)APP的頁面和程序編寫，第一步是先把通訊接口配置為WiFi 模式，第二步配置屏幕的水平布局，然后把對應(yīng)的按鈕、標(biāo)簽和輸入文本框拖到前面配置好的水平布局中，根據(jù)項(xiàng)目需求修改標(biāo)簽名字和按鈕名字即可完成手機(jī)APP的頁面布局。最后一步就是編程，該程序最核心的地方就是和下位機(jī)進(jìn)行通信及如何將下位機(jī)發(fā)送過來的大量數(shù)據(jù)顯示到手機(jī)APP 上。程序編寫比較簡單就是把對應(yīng)的代碼板塊按照本設(shè)計(jì)工作的邏輯依次拼接到一起即可。本設(shè)計(jì)采用該網(wǎng)站開發(fā)了一款智能分配光伏電源管理平臺(tái)APP，方便用戶實(shí)時(shí)查看光伏電源管理系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。手機(jī)APP 頁面設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 手機(jī)APP頁面設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)測試

用戶進(jìn)入手機(jī)APP 連接好WiFi 后可直觀地看到，光伏板的電壓和電流、蓄電池的電壓、電流、溫度和當(dāng)前系統(tǒng)是否已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)等信息，同時(shí)用戶可以在管理后臺(tái)查看充電數(shù)據(jù)和自主設(shè)定電池溫度的上下限閾值等操作，這款手機(jī)APP的數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)光伏電源管理系統(tǒng)的變化實(shí)時(shí)刷新。手機(jī)APP 測試效果圖如圖8所示。

圖8 手機(jī)APP 測試效果圖

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控智能分配光伏電源管理系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)體積小巧，支持多種光伏板的接入方式，并且支持連接互聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)用戶對光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所收集到的信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件預(yù)警。采用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測設(shè)備溫度以及元器件發(fā)熱情況，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。延長系統(tǒng)使用壽命以及保證系統(tǒng)的安全性。由此讓使用光伏發(fā)電家庭更加安全、便捷地管理光伏發(fā)電系統(tǒng)。