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。