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，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，同時還需設(shè)計相對簡單、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)往往因為充放電不合理，導(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，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現(xiàn)，它的設(shè)計遵循通用電路設(shè)計規(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，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來計算，考慮在實際情況中充電電壓由于外界因素的影響不能保證時刻對鉛酸電池進(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間得不到充電，也能夠支持相當(dāng)長的時間，并且在相對較短的時間內(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。考慮到1Ah電容量的電池所需要的充電時間，18 V太陽能電池板在輸出電流為100 mA時的輸出功率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。