光伏发电的嵌入式系统电源设计

     摘要：基于光伏发电的嵌入式系统电源，利用铅酸电池、太阳能电池板和相应电路，调控光能采集并进行储存。通过UC3906铅酸电池充电管理芯片及外围电路构成智能充电模块，最大限度延长了铅酸电池的使用寿命；利用Buck-Boost电路和单片机控制回路提供太阳能电池板最大功率跟踪，保证了供电效率；采用光电耦合器提供双电源切换功能，确保在极端条件下供电的持久性。电源能量来自太阳，具有环保节能的优势；电源电路相对简单，利于搭建，仅需单片机提供基本的控制电平，非常适合作为安置在野外的嵌入式系统电源。
关键词：太阳能；铅酸电池；充电管理芯片；最大功率跟踪；光耦切换电路

引言
    随着人类对能源需求的日益增加和环保意识的逐渐提高，新能源使用正在成为最重要的能源课题之一。安置在野外的嵌入式系统种类繁多，应用广泛，太阳能电源不仅解决了野外长时间、无人值守工作的嵌入式系统的能源问题，并且具有持久、环保、节能等特点，具有良好的应用前景。
    光伏发电的核心结构是通过一定规格的太阳能电池板对相应的蓄电池进行持续充电，同时还需设计相对简单、高效的辅助电路来确保发电过程的稳定性和持续性。

1 光伏发电系统简介
    光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器构成。传统的光伏发电系统往往因为充放电不合理，导致蓄电池使用寿命短，给使用和维护带来不必要的麻烦。太阳能电池板输出电压不稳定的特点又使得传统光伏发电系统效率较低，能源供给的持续性差，无法作为恶劣环境下的嵌入式系统电源。因此，设计一种结构相对简单、性能优良、稳定可靠的光伏电源来满足不同工作环境下的嵌入式系统非常重要。
    本设计中，控制器电路集充电控制模块、最大功率跟踪模块、双电源切换模块为一体，采用可充电铅酸电池作为储能单元，很好地解决了传统光伏系统存在的问题，让嵌入式系统脱离了人工能源的束缚，具备稳定、可靠、高效、环保节能等特点，非常适合应用于野外安置、无人值守的嵌入式系统。光伏发电系统框图如图1所示。

2 光伏设备选取
    光伏发电系统中的控制器主要通过集成电路来实现，它的设计遵循通用电路设计规则，在第3节中将详细介绍。而铅酸电池和太阳能电池板组成的光伏设备则具有特殊的参数，不同的嵌入式系统供电电压、功率一般不同。因此，光伏电源首先需要选取适合特定嵌入式系统的铅酸电池，针对不同的电池又需要配备不同参数的太阳能电池板。对于多电压系统，电源电路还应该包括升／降压部分。下面以笔者参与的实际工程为例加以说明。
2．1 铅酸电池参数选取
    按嵌入式系统设计电压为12 V计算，铅酸电池的输出电压为12 V，蓄电池的最佳充电电流和放电电流一般按10 h充、放电率计算。例如：10 Ah的电瓶，其充电电流最佳为1 A，最佳放电电流也是1 A。若一天要把12 V／10 Ah的电瓶充满，需大于12 V的电压、电流为1 A的太阳能电池板。
    笔者在工程中所使用的嵌入式系统核心处理芯片在24 h内的功耗为45．2 mAh，主要耗能器件24 h消耗电量25 mAh，其他器件都具有极低的静态电流，这里按照1mA计算，24 h消耗能量为24 h×1 mA=24 mAh。每天消耗的总能量约为45．2mAh+25 mAh+24 mAh=94．2 mAh。按照系统一天的总耗能为100 mAh来计算，考虑在实际情况中充电电压由于外界因素的影响不能保证时刻对铅酸电池进行有效充电，选取两个12 V／1 Ah的铅酸电池构成电池组，单个电池在饱和电量可以连续支持系统工作10天，在100 mA充电电流下10 h则可将电池充满。因此，两个12 V额定电容量1 Ah的铅酸电池轮流供电可为系统提供长期稳定的能源，即使极端条件下长时间得不到充电，也能够支持相当长的时间，并且在相对较短的时间内即可迅速被充满。
    需要说明的是，为不同的嵌入式系统设计的电源，上述参数会发生相应的变化，但基本原理相同。
2．2 太阳能电池板参数选取
    太阳能电池板的两个电压参数：最大输出电压(maximum power voltage)和开路电压(open circuit volrage)主要由充电电池电压和充电电路负载决定。12 V的铅酸电池需太阳能电池板提供15 V以上的输出电压，而最大输出电流(maximum power current)决定了电池的充电时
间。通常来说充电控制芯片的功耗很小，因此太阳能电池板的电流参数不宜过大，功率亦不需要太大。考虑到1Ah电容量的电池所需要的充电时间，18 V太阳能电池板在输出电流为100 mA时的输出功率P=U·I=18 V·100 mA=1．8 W，而100 mA的电流充满1 Ah的电池需要10h。
    笔者在设计中选用了工作电压18 V、开路电压约20 V、输出功率2 W单晶硅太阳能电池板，规格尺寸大约为213 mm×92 mm。值得一提的是，在满足充电要求的前提下，功率较小的太阳能电池板体积也较小，安置野外更为方便。

3 控制器电路设计
    控制器电路是整个光伏发电系统的关键和核心，它直接影响系统的稳定性、持久性和高效性。如前文所提，控制器电路包括3个模块，分别是以UC3906芯片为核心搭建的充电控制模块、Buck-Boost电路构成的最大功率跟踪模块、光电耦合器搭建的双电源切换模块。电路具有两条相同的供电通路，通过切换模块可以让两块独立的铅酸电池轮流充电、供电，控制器电路所需要的控制信号则通过其供电的嵌入式系统提供。控制器电路框图如图2所示。

3．1 充电控制模块
    TI公司的UC3906芯片是专门针对铅酸电池充电设计的，内部的逻辑电路提供多种充电状态，并对温度进行了精确的跟踪补偿，可以发挥电池的最大容量，延长电池的使用寿命。
    利用18V／2W的太阳能电池板对12V／1Ah铅酸电池进行充电，输入电压Uin=18 V，过充电压Uoc=15 V，浮充电压UF=14．5 V，过充转换电压为14．25 V，浮充转换电压为11．7 V，最大充电电流Imax=0．5 A，过充终止电流50 mA。由于充电电路始终接在电池上，为了防止蓄电池电流倒流入太阳能电池板造成其损坏，在晶体管与输出电路之间接入二极管1N4001，晶体管TIP42C本身则起到稳压降压的作用。发射极接电池电压12 V，集电极接太阳能电池板电压18 V，在晶体管上形成了约6 V的压差，因此晶体管的耗散功率要求大于500 mA×6 V=3 W。而UC39 06芯片的16脚则控制晶体管的基极电压，根据反馈回路所提供的反馈信号控制晶体管截断或导通。充电控制模块电路如图3所示。

    设定UC3906芯片内部基准电压在温度为25℃时Uref=2．3 V，内部分流值ID=50μA。则可确定R3=Uref／ID=47 kΩ，R1+R2=(UF-2．3V)／ID=90．7kΩ，R4=2．3V×90．7kΩ／(Uoc-UF)=348 kΩ。又设Rx=R3与R4的并联阻值，则Ra=(R1+R2+Rx)(1-2．3V／UT)=68．1kΩ，Rb=22．6 kΩ(UT为涓流充电到大电流充电的临界导通电压，UT=13．95 V，微小电流It取150 mA)。限流电阻Rs=0．25 V／Imax=0．5Ω，Rt=(18 V-UT-2．5 V)／It=10 Ω。
    铅酸电池充电分为4个阶段：涓流充电、大电流充电、过充电、浮动充电。刚开始充电时，UC3906芯片的11脚通过一个电阻RT输出一个微小电流It=150 mA，此时晶体管基极电平使晶体管断路，11脚的微小电流It对铅酸电池进行涓流充电，这样可以避免在涓流充电阶段铅酸电池反接造成回路短路。
    当充电器输出电压上升至UT，或浮充电压下降到11．7 V时，则进入大电流充电状态。大电流Imax由外部PNP晶体管导通输出至电池，蓄电池主要的电量亦在此阶段回充。在正常情况下，随着电池充电，电池两端的电压逐渐升高，电压经R1、R2、R3分压后加到电压取样比较器反向输入端13脚。电压达到0．95Uref时，电压取样比较器在14脚，15脚输出低电平，由于内部分流值电流的存在，15脚通过一个限流电阻Rd接地，14脚通过旁路电容C1=0．1μF接地。此时充电进入过充电状态，过充电指示端脚9输出低电平。刚进入过充电状态时，太阳能充电输出端继续输出最大电流，当电池电压升高到Uoc时，电压放大器控制驱动级，充电器进行恒压充电，电压稳定在Uoc，此时UC3906的13脚电压等于内部基准电压Uref。此后，电池接受的充电电流开始减小。
    当充电电流下降到过充电终止电流Ioct时，电流取样比较器的输出中断。UC3906内部的10μA提升电流使过充终止端(8脚)的电位升高进入过充电状态。当干扰或其他原因使充电电流瞬时下降时，为避免充电器过早地转入浮充状态，在UC3906的第8脚与地之间接入1只电容器。当8脚电压上升到规定的门限值(1 V)后，充电状态逻辑电路使充电器转入浮充状态。此时，状态电平输出关断，消除了R4对R1、R2和R3分压器的旁路作用。电压放大器控制驱动晶体管，使充电器输出电压保持在VF。
    充电电压由Uoc下降，并维持在UF，电池充电程序近乎完成时，充电进入浮动充电状态。当电池接上负载而放电后，充电器将直接提供电源输出，而电池电压也势必下降。当电压下降至0．9UF时，则充电模式重新设定回涓流充电阶段，重新执行新的充电循环程序。浮动充电程序对于延长蓄电池的寿命是非常关键的，当蓄电池充电完成后，若移除充电电压，则蓄电池又会立即自行放电，因此必须对电池施加一个适当电压以及微小的电流以避免电池放电，浮动充电状态又可称为待机充电状态(standbycharge)。
    从整个充电过程来看，UC3906充电芯片利用其自身的逻辑电平控制将充电过程分为4个阶段，既使得充电过程保持较高的效率，又对太阳能电池板和铅酸电池起到了很好的保护作用。

3．2 最大功率跟踪模块
    光伏发电系统中的太阳能电池板在一定的条件下具有唯一的最大功率点，当太阳能电池板工作在该点时能输出当前条件下的最大功率。但由于太阳能电池板的输出特性受负载、光强、温度等因素的影响，其输出电压和电流均在发生变化，从而使输出功率不稳定，即最大功率点时刻在变化，导致光伏系统效率降低。
    因此，跟踪太阳能电池板输出的最大功率点是提高光伏系统效率的关键。当太阳电池工作电压小于最大功率点电压Umax时，输出功率随太阳电池端电压上升而增加；工作电压大于最大功率点电压Umax时，输出功率随太阳电池端电压上升而减少。实现最大功率点跟踪实质上是一个自寻优过程，即通过控制太阳电池端电压，使电池能在各种不同外部环境下智能地输出最大功率，不断获得最大功率输出。
    DC-DC变换器是一种通过控制电压将不可控的直流输入变为可控的直流输出的变换电路。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然太阳电池和DC-DC变换电路都是非线性的，但在极短的时间内可认为是线性电路。因此，只要调节DC-DC转换电路的等效电阻使它始终等于太阳能电池板的内阻，就可实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的最大功率点跟踪。当负载电阻等于太阳能电池板内阻时，负载两端的电压恰好等于输出电压的一半，因此在实际应用中，通常采用调节负载两端的电压来实现最大功率点跟踪。光伏发电系统中将DC-DC变换器接入太阳能电池板的输出回路，并通过嵌入式系统中的单片机对DC-DC变换器的输入、输出电压进行采样计算，同时产生控制脉冲信号调节DC-DC转换器内部开关管占空比来改变其负载大小，使得负载电压为太阳能电池板输出电压的1／2来实现最大功率点跟踪。由于采用升降压式(Buck-Boost)DC-DC转换电路，这种最大功率功率跟踪电路又称为Buck-Boost电路，如图4所示。

    为使晶体管T工作在开关状态，通过单片机在其基极与发射极之间施加周期一定、高电平存在时间可调的驱动控制信号。在一个周期中晶体管导通时间与周期之比称为占空比，当太阳能输出电压发生变化时，只要适当调节Buck-Boost电路的占空比就可保证太阳能电池板输入铅酸电池的电压稳定。
3．3 双电源切换模块
    太阳能绿色环保，取之不尽用之不竭，但却受到环境因素的制约。长时间的阴雨天气，光照时间不足势必造成铅酸电池电能耗尽无法补充，导致光伏发电系统瘫痪，甚至会对系统硬件结构照成无法逆转的破坏。对于安置在恶劣环境下的嵌入式系统，它的电源供给需要应对各种极端情况。双电源切换功能的引入极大地增强了供电的稳定性。

    双电源切换电路包括充电电路和放电电路，如图5所示。充电控制电路利用光耦控制场效应管的栅极电压，当ChargeUpControl端口的控制电平为低时，光耦TLP521-1导通，栅极电平为低，MOS管IRLML6402导通；反之MOS管断开，从而达到控制太阳能电池板电压输出的充电电压对电池充电的效果。放电控制电路同样利用光耦控制场效应管的栅极电压，当Diseharge端口的控制电平为低时，光耦导通，栅极电平为低，MOS管导通；反之MOS管断开，从而达到控制电池输出电压的效果。
    需要注意的是在放电电路中接入了一个220μF的旁路电容，在光耦未导通之前，电池通过R2电路对C1进行充电，这个过程大概需要10 min，使得MOS管的栅极保持高电平，让充电通路保持断路，从而起到在封装前保护电池和充电回路的作用；而在光耦导通时，由于栅极沿着光耦接地低电平，使得MOS管导通，此时，充电电路正常工作，而电容C1则不发挥作用。
    ChargeUpControl和Discharge控制电平均由单片机根据电池电压检测结果而提供。设定好一定的监测电压值，当电池电压下降到某个值时控制开启充电回路关闭放电回路，当电池电压上升到某个值时控制开启放电回路关闭充电回路。当安置两路这种充放电电路时，通过控制电平的调配，即可实现两块电池轮流充电供电。
    双电源切换模块的引入极大地提高了光伏发电系统在恶劣环境下的稳定性。

结语
    本文以光伏发电为基础，配合集成电路搭建了一种嵌入式系统电源。在传统光伏发电系统节能环保的基础上加入了智能充电控制芯片、最大功率跟踪、双电源切换功能，最大限度地延长了蓄电池的使用寿命，极大地提高了电源供电的效率，增强了系统的稳定性，对于工作在野外极端环境、恶劣条件下的嵌入式系统具有较高的使用和推广价值。