光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

摘要：基于光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源，利用鉛酸電池、太陽能電池板和相應(yīng)電路，調(diào)控光能采集并進(jìn)行儲存。通過UC3906鉛酸電池充電管理芯片及外圍電路構(gòu)成智能充電模塊，最大限度延長了鉛酸電池的使用壽命；利用Buck-Boost電路和單片機(jī)控制回路提供太陽能電池板最大功率跟蹤，保證了供電效率；采用光電耦合器提供雙電源切換功能，確保在極端條件下供電的持久性。電源能量來自太陽，具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢；電源電路相對簡單，利于搭建，僅需單片機(jī)提供基本的控制電平，非常適合作為安置在野外的嵌入式系統(tǒng)電源。
關(guān)鍵詞：太陽能；鉛酸電池；充電管理芯片；最大功率跟蹤；光耦切換電路

引言
隨著人類對能源需求的日益增加和環(huán)保意識的逐漸提高，新能源使用正在成為最重要的能源課題之一。安置在野外的嵌入式系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用廣泛，太陽能電源不僅解決了野外長時(shí)間、無人值守工作的嵌入式系統(tǒng)的能源問題，并且具有持久、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
光伏發(fā)電的核心結(jié)構(gòu)是通過一定規(guī)格的太陽能電池板對相應(yīng)的蓄電池進(jìn)行持續(xù)充電，同時(shí)還需設(shè)計(jì)相對簡單、高效的輔助電路來確保發(fā)電過程的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介
光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、控制器構(gòu)成。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)往往因?yàn)槌浞烹姴缓侠?，?dǎo)致蓄電池使用壽命短，給使用和維護(hù)帶來不必要的麻煩。太陽能電池板輸出電壓不穩(wěn)定的特點(diǎn)又使得傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率較低，能源供給的持續(xù)性差，無法作為惡劣環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)電源。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)相對簡單、性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的光伏電源來滿足不同工作環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)非常重要。
本設(shè)計(jì)中，控制器電路集充電控制模塊、最大功率跟蹤模塊、雙電源切換模塊為一體，采用可充電鉛酸電池作為儲能單元，很好地解決了傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)存在的問題，讓嵌入式系統(tǒng)脫離了人工能源的束縛，具備穩(wěn)定、可靠、高效、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于野外安置、無人值守的嵌入式系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 光伏設(shè)備選取
光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器主要通過集成電路來實(shí)現(xiàn)，它的設(shè)計(jì)遵循通用電路設(shè)計(jì)規(guī)則，在第3節(jié)中將詳細(xì)介紹。而鉛酸電池和太陽能電池板組成的光伏設(shè)備則具有特殊的參數(shù)，不同的嵌入式系統(tǒng)供電電壓、功率一般不同。因此，光伏電源首先需要選取適合特定嵌入式系統(tǒng)的鉛酸電池，針對不同的電池又需要配備不同參數(shù)的太陽能電池板。對于多電壓系統(tǒng)，電源電路還應(yīng)該包括升／降壓部分。下面以筆者參與的實(shí)際工程為例加以說明。
2．1 鉛酸電池參數(shù)選取
按嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓為12 V計(jì)算，鉛酸電池的輸出電壓為12 V，蓄電池的最佳充電電流和放電電流一般按10 h充、放電率計(jì)算。例如：10 Ah的電瓶，其充電電流最佳為1 A，最佳放電電流也是1 A。若一天要把12 V／10 Ah的電瓶充滿，需大于12 V的電壓、電流為1 A的太陽能電池板。
筆者在工程中所使用的嵌入式系統(tǒng)核心處理芯片在24 h內(nèi)的功耗為45．2 mAh，主要耗能器件24 h消耗電量25 mAh，其他器件都具有極低的靜態(tài)電流，這里按照1mA計(jì)算，24 h消耗能量為24 h×1 mA=24 mAh。每天消耗的總能量約為45．2mAh+25 mAh+24 mAh=94．2 mAh。按照系統(tǒng)一天的總耗能為100 mAh來計(jì)算，考慮在實(shí)際情況中充電電壓由于外界因素的影響不能保證時(shí)刻對鉛酸電池進(jìn)行有效充電，選取兩個12 V／1 Ah的鉛酸電池構(gòu)成電池組，單個電池在飽和電量可以連續(xù)支持系統(tǒng)工作10天，在100 mA充電電流下10 h則可將電池充滿。因此，兩個12 V額定電容量1 Ah的鉛酸電池輪流供電可為系統(tǒng)提供長期穩(wěn)定的能源，即使極端條件下長時(shí)間得不到充電，也能夠支持相當(dāng)長的時(shí)間，并且在相對較短的時(shí)間內(nèi)即可迅速被充滿。
需要說明的是，為不同的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源，上述參數(shù)會發(fā)生相應(yīng)的變化，但基本原理相同。
2．2 太陽能電池板參數(shù)選取
太陽能電池板的兩個電壓參數(shù)：最大輸出電壓(maximum power voltage)和開路電壓(open circuit volrage)主要由充電電池電壓和充電電路負(fù)載決定。12 V的鉛酸電池需太陽能電池板提供15 V以上的輸出電壓，而最大輸出電流(maximum power current)決定了電池的充電時(shí)
間。通常來說充電控制芯片的功耗很小，因此太陽能電池板的電流參數(shù)不宜過大，功率亦不需要太大?？紤]到1Ah電容量的電池所需要的充電時(shí)間，18 V太陽能電池板在輸出電流為100 mA時(shí)的輸出功率P=U·I=18 V·100 mA=1．8 W，而100 mA的電流充滿1 Ah的電池需要10h。
筆者在設(shè)計(jì)中選用了工作電壓18 V、開路電壓約20 V、輸出功率2 W單晶硅太陽能電池板，規(guī)格尺寸大約為213 mm×92 mm。值得一提的是，在滿足充電要求的前提下，功率較小的太陽能電池板體積也較小，安置野外更為方便。