光伏發(fā)電的嵌入式系統電源設計

摘要：基于光伏發(fā)電的嵌入式系統電源，利用鉛酸電池、太陽(yáng)能電池板和相應電路，調控光能采集并進(jìn)行儲存。通過(guò)UC3906鉛酸電池充電管理芯片及外圍電路構成智能充電模塊，最大限度延長(cháng)了鉛酸電池的使用壽命；利用Buck-Boost電路和單片機控制回路提供太陽(yáng)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(lái)自太陽(yáng)，具有環(huán)保節能的優(yōu)勢；電源電路相對簡(jiǎn)單，利于搭建，僅需單片機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電源。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)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(zhù)人類(lèi)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種類(lèi)繁多，應用廣泛，太陽(yáng)能電源不僅解決了野外長(cháng)時(shí)間、無(wú)人值守工作的嵌入式系統的能源問(wèn)題，并且具有持久、環(huán)保、節能等特點(diǎn)，具有良好的應用前景。
光伏發(fā)電的核心結構是通過(guò)一定規格的太陽(yáng)能電池板對相應的蓄電池進(jìn)行持續充電，同時(shí)還需設計相對簡(jiǎn)單、高效的輔助電路來(lái)確保發(fā)電過(guò)程的穩定性和持續性。

1 光伏發(fā)電系統簡(jiǎn)介
光伏發(fā)電系統主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、控制器構成。傳統的光伏發(fā)電系統往往因為充放電不合理，導致蓄電池使用壽命短，給使用和維護帶來(lái)不必要的麻煩。太陽(yáng)能電池板輸出電壓不穩定的特點(diǎn)又使得傳統光伏發(fā)電系統效率較低，能源供給的持續性差，無(wú)法作為惡劣環(huán)境下的嵌入式系統電源。因此，設計一種結構相對簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、穩定可靠的光伏電源來(lái)滿(mǎn)足不同工作環(huán)境下的嵌入式系統非常重要。
本設計中，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，很好地解決了傳統光伏系統存在的問(wèn)題，讓嵌入式系統脫離了人工能源的束縛，具備穩定、可靠、高效、環(huán)保節能等特點(diǎn)，非常適合應用于野外安置、無(wú)人值守的嵌入式系統。光伏發(fā)電系統框圖如圖1所示。

2 光伏設備選取
光伏發(fā)電系統中的控制器主要通過(guò)集成電路來(lái)實(shí)現，它的設計遵循通用電路設計規則，在第3節中將詳細介紹。而鉛酸電池和太陽(yáng)能電池板組成的光伏設備則具有特殊的參數，不同的嵌入式系統供電電壓、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的鉛酸電池，針對不同的電池又需要配備不同參數的太陽(yáng)能電池板。對于多電壓系統，電源電路還應該包括升／降壓部分。下面以筆者參與的實(shí)際工程為例加以說(shuō)明。
2．1 鉛酸電池參數選取
按嵌入式系統設計電壓為12 V計算，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(mǎn)，需大于12 V的電壓、電流為1 A的太陽(yáng)能電池板。
筆者在工程中所使用的嵌入式系統核心處理芯片在24 h內的功耗為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。按照系統一天的總耗能為100 mAh來(lái)計算，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(gè)12 V／1 Ah的鉛酸電池構成電池組，單個(gè)電池在飽和電量可以連續支持系統工作10天，在100 mA充電電流下10 h則可將電池充滿(mǎn)。因此，兩個(gè)12 V額定電容量1 Ah的鉛酸電池輪流供電可為系統提供長(cháng)期穩定的能源，即使極端條件下長(cháng)時(shí)間得不到充電，也能夠支持相當長(cháng)的時(shí)間，并且在相對較短的時(shí)間內即可迅速被充滿(mǎn)。
需要說(shuō)明的是，為不同的嵌入式系統設計的電源，上述參數會(huì )發(fā)生相應的變化，但基本原理相同。
2．2 太陽(yáng)能電池板參數選取
太陽(yáng)能電池板的兩個(gè)電壓參數：最大輸出電壓(maximum power voltage)和開(kāi)路電壓(open circuit volrage)主要由充電電池電壓和充電電路負載決定。12 V的鉛酸電池需太陽(yáng)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(lái)說(shuō)充電控制芯片的功耗很小，因此太陽(yáng)能電池板的電流參數不宜過(guò)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(yáng)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(mǎn)1 Ah的電池需要10h。
筆者在設計中選用了工作電壓18 V、開(kāi)路電壓約20 V、輸出功率2 W單晶硅太陽(yáng)能電池板，規格尺寸大約為213 mm×92 mm。值得一提的是，在滿(mǎn)足充電要求的前提下，功率較小的太陽(yáng)能電池板體積也較小，安置野外更為方便。