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光伏供電是戶外儀器設(shè)備最主流的能源方式之一，太陽能板和蓄電池的監(jiān)測控制分別都需要專業(yè)性設(shè)計。駿龍科技推出的光伏供電管理器方案能夠提升供電穩(wěn)定性、延長電池使用壽命、增加能量轉(zhuǎn)換效率。本文介紹了管理器模塊產(chǎn)品的工作原理和功能參數(shù)，設(shè)計了完整可參考的光伏供電系統(tǒng)演示板，并進(jìn)行了實際工況測試。本模塊產(chǎn)品讓用戶更容易地搭建出優(yōu)質(zhì)的光伏供電方案，其參數(shù)實時監(jiān)測輸出、電池健康分析、自動路徑管理等功能，使其勢必將成為光伏供電類儀器設(shè)備智能化的重要基石。
未來能源優(yōu)質(zhì)之選
光伏供電是指太陽直接輻照太陽能電池板產(chǎn)生電能，相比于其他的電能產(chǎn)生方式，它是最易獲取的清潔能源。隨著新時代全社會節(jié)能減排意識的提高，光伏供電這個誕生已久的技術(shù)被重新重視起來。
由于當(dāng)代工業(yè)的智能化水平和部署規(guī)模大幅提高，越來越多的儀器和設(shè)備被部署在室外。這種設(shè)備的安裝位置經(jīng)常是偏遠(yuǎn)且具有不確定性的，其供電方式是非常重要的設(shè)計考慮問題之一，例如環(huán)境監(jiān)測儀器、遠(yuǎn)程遙感系統(tǒng)、高速公路設(shè)備等。在目前的這類產(chǎn)品設(shè)計中，太陽能供電已經(jīng)成為了其普及的配備功能。
光伏供電系統(tǒng)作為這些儀器設(shè)備最重要甚至唯一的供電來源，其穩(wěn)定性和壽命直接決定了儀器設(shè)備能否長期可靠工作。駿龍科技推出了適用于光伏供電系統(tǒng)的模塊產(chǎn)品，給光伏供電裝上了“智慧大腦”，部署高品質(zhì)的光伏供電方案將變得易如反掌。
光伏供電的設(shè)計難點
光伏供電是一個完整的電路系統(tǒng)，包括太陽能電池板、蓄電池、管理器等部分，如圖1所示。其中，管理器是決定系統(tǒng)運行高效穩(wěn)定的核心，它負(fù)責(zé)全程控制太陽能電池板的能量出口，以及對蓄電池進(jìn)行充電放電監(jiān)控，對于比較考究的光伏供電管理器，這個控制過程需要結(jié)合負(fù)載情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到提高系統(tǒng)能量利用效率的目的。
圖1 光伏供電系統(tǒng)的組成部分
光伏供電系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但每個部件的運行控制都有技術(shù)難點。對于太陽能光伏板，其主要成分是特殊處理的單晶或多晶硅，對于光伏板的輸出伏安特性曲線，其輸出功率與光照強度直接相關(guān)，且具有一個最大值，因此它并非是單一的恒壓源或恒流源。當(dāng)光照強度足夠時，其輸出電流的增大基本不影響電壓幅值；當(dāng)光照較弱時，其輸出電流的變化會顯著影響輸出電壓。
圖2是某型號150W光伏板的伏安曲線，四條曲線是不同光照強度下的伏安曲線，從電壓乘以電流的功率來看，曲線的轉(zhuǎn)折點是功率峰值，當(dāng)光伏板工作在此點位時，太陽能的利用效率是最高的。隨著光照強度變化，功率峰值點會發(fā)生偏移，這就要求管理器能夠判定并主動調(diào)節(jié)到這個工作點位，這個技術(shù)被稱為最大功率點跟蹤（MPPT）。
圖2 某型號光伏板的伏安曲線
對于蓄電池部分，目前在室外長期部署的儀器設(shè)備中，仍然以鉛酸免維護(hù)蓄電池為主。由于電化學(xué)特性的原因，鉛酸蓄電池的充電過程需要有規(guī)律地進(jìn)行控制，才能夠盡量延長其使用壽命。
圖3所示為常見的鉛酸蓄電池“三段式”充電控制曲線，當(dāng)電池剩余電量很低時，首先進(jìn)行恒定電流充電，此時電池電壓穩(wěn)固上升；當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定電壓后，進(jìn)行恒定電壓充電，此時電池的充電電流會不斷下降，直到電流降至0.01倍的最大充電電流值時（0.01C），會進(jìn)入充電倒計時階段；低于0.01C的充電持續(xù)時間一般是被限定的，倒計時時間到達(dá)后會轉(zhuǎn)入恒壓浮充階段。以上的整個控制過程都由管理器來完成，若電池是從該曲線的中間某狀態(tài)開始充電，管理器也應(yīng)準(zhǔn)確判斷并執(zhí)行。目前行業(yè)內(nèi)也有使用鋰離子聚合物電池、磷酸鐵鋰電池等類型的蓄電池，這些電池也擁有各自的特性充電控制曲線，
具體技術(shù)您也可以咨詢駿龍科技的技術(shù)人員。
圖3 鉛酸蓄電池的充電控制曲線
智慧大腦簡化設(shè)計
由前文的技術(shù)分析，可以看出光伏供電系統(tǒng)中管理器的重要性。一款優(yōu)質(zhì)的光伏供電管理器可以顯著提高系統(tǒng)能量利用效率和持續(xù)使用壽命。為此，駿龍科技推出了具備高集成性與智能化的管理器模塊方案，為光伏供電系統(tǒng)提供了“智慧大腦”。該模塊型號為MCUM4162-SLR，其具有如下功能特點：
圖4 駿龍科技光伏供電演示板結(jié)構(gòu)
圖5 駿龍科技光伏供電演示板實物
圖4所示的光伏供電演示板結(jié)構(gòu)圖可以由用戶直接進(jìn)行參考設(shè)計，其中有幾處設(shè)計細(xì)節(jié)需要注意。在光伏板的接入處，增加了對地的150uF電容與2.5歐姆電阻的串聯(lián)電路，這主要是用于對光伏板進(jìn)行阻抗匹配，充分發(fā)揮管理器模塊的MPPT功能。在前文提到的光伏板輸出伏安曲線中，可以分為前段恒流和后端恒壓兩部分，恒壓階段的光伏板表現(xiàn)出低阻抗，而恒流階段變現(xiàn)高阻抗，這會導(dǎo)致管理器模塊的輸入阻抗環(huán)路不穩(wěn)定，通過阻容串聯(lián)的電路的補償，可以將阻抗進(jìn)行穩(wěn)定。
對于配套的顯示屏幕，用戶也可以使用MCU或其他終端形式替代，MCUM4162-SLR模塊的信息輸出采用的是TTL串口形式。本演示板中使用的是HMI串口顯示屏，其內(nèi)置了顯示控制單元，用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時也需要考慮顯示控制功能，因為MCUM4162-SLR模塊上的板載MCU是專用于光伏控制，只能輸出模塊工作參數(shù)信息。顯示屏的供電是取自光伏供電系統(tǒng)的負(fù)載端，通過DCDC降壓，并串聯(lián)了開關(guān)以適時關(guān)閉屏幕節(jié)省電能。
此外，該模塊集成了自動路徑管理功能。如圖6所示，太陽能光伏板能夠在蓄電池充電的同時，給負(fù)載進(jìn)行供電，因此可以理解為，負(fù)載能源是優(yōu)先來源于光伏板，這樣做可以避免蓄電池“邊充邊放”的情況，延長電池使用壽命；當(dāng)光伏板不足以支撐充電要求功率時，管理器會將負(fù)載自動切換至蓄電池供電路徑。對于切換的時機，管理器需要綜合考慮負(fù)載需求電流、光伏板輸出的電壓電流、以及充電最低啟動門限等，這是一個動態(tài)而綜合的決策過程。
圖6 模塊的自動路徑管理功能
戶外真實運行評測
本文針對此光伏供電演示板進(jìn)行了性能測試，并模擬了多種實際工況。圖7所示為系統(tǒng)實物搭建現(xiàn)場圖，光伏板采用150W多晶板、12V9Ah鉛酸電池，負(fù)載端接入了電子負(fù)載設(shè)備，并設(shè)置為恒流1A模式。
圖7 光伏供電系統(tǒng)搭建現(xiàn)場圖
在評測過程中，主要還原了3種工作場景：分別是光伏板的足光照射、弱光照射、無光照射。如圖8所示分別是3種工況的實測效果和參數(shù)，對此，分別做了電能路徑分析。
可以觀察到，在足光照射工況下，光伏板的輸出首先滿足了電子負(fù)載1A的供電，并且蓄電池充電功率也達(dá)到最大，在此場景下，可以計算得到系統(tǒng)的充電效率達(dá)到了95%，而負(fù)載端電壓的衰減也僅為0.01V，這得益于路徑管理技術(shù)基于理想二極管方案。
在弱光照射工況下，光伏板功率下降至20W，管理器模塊判定其能夠滿足充電門限，因此其輸出依然優(yōu)先滿足電子負(fù)載，剩余電能則用于給蓄電池充電。
在無光照射工況下，光伏板電壓跌至充電門限電壓以下，管理器將光伏板接入通道斷開，切換路徑成蓄電池反向放電至電子負(fù)載。
圖8 三種工況運行效果及電能分配情況
以上三種工況在實際使用中很有可能是反復(fù)切換的，例如有云層短暫遮擋陽光，如果管理器在臨界狀態(tài)下反復(fù)切換，負(fù)載端的供電電壓會頻繁跳躍，因此管理器自帶了判定窗口期，只有當(dāng)光伏板輸出特性穩(wěn)定后，才會進(jìn)行控制路徑?jīng)Q策。對于更高級的應(yīng)用，模塊還支持同步真實世界時間軸，將日出日落時間等因素用于輔助光伏供電控制過程的判定，這樣可以讓光伏系統(tǒng)在長期運行中保持更高的能量轉(zhuǎn)換效率和電池使用壽命。
該模塊對電池壽命的有益影響需要進(jìn)行長期性橫向?qū)Ρ葴y試，因此戶外評測試驗會持續(xù)進(jìn)行，用戶可以關(guān)注后續(xù)的試驗進(jìn)展相關(guān)文章。
總結(jié)
本文介紹了駿龍科技推出的光伏供電系統(tǒng)管理器模塊，型號為MCUM4162-SLR，并設(shè)計了光伏供電演示板，從工作原理、功能參數(shù)、多工況測試等方面進(jìn)行了講解。本模塊具備集成度高、智能化強、使用便捷的特點，特別適合用戶設(shè)計戶外供電的儀器設(shè)備。該模塊可以自動管理光伏板的能量分配路徑、控制電池充電，并支持MPPT。
采用本方案的光伏供電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率高、電池使用壽命長，并且能實時監(jiān)測到系統(tǒng)各部位的運行狀態(tài)和異常報警。如需對接具體產(chǎn)品或了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)、使用方法及相關(guān)方案，您可聯(lián)系駿龍科技各地辦事處。駿龍科技的技術(shù)人員愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)支持。
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參考文獻(xiàn)
[1]LTC4162產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/en/products/ltc4162-s.html
[2]ADI官方參考應(yīng)用筆記： https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-171_AN-1568.pdf
[3]ADI-適合任意化學(xué)組分電池的簡單充電芯片：
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/simple-battery-charger-ics-for-any-chemistry.html
[4]ADI-萬能的電池充電器方案：
https://www.analog.com/en/technical-articles/one-size-fits-all-battery-charger.html
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未來能源優(yōu)質(zhì)之選
光伏供電是指太陽直接輻照太陽能電池板產(chǎn)生電能，相比于其他的電能產(chǎn)生方式，它是最易獲取的清潔能源。隨著新時代全社會節(jié)能減排意識的提高，光伏供電這個誕生已久的技術(shù)被重新重視起來。
由于當(dāng)代工業(yè)的智能化水平和部署規(guī)模大幅提高，越來越多的儀器和設(shè)備被部署在室外。這種設(shè)備的安裝位置經(jīng)常是偏遠(yuǎn)且具有不確定性的，其供電方式是非常重要的設(shè)計考慮問題之一，例如環(huán)境監(jiān)測儀器、遠(yuǎn)程遙感系統(tǒng)、高速公路設(shè)備等。在目前的這類產(chǎn)品設(shè)計中，太陽能供電已經(jīng)成為了其普及的配備功能。
光伏供電系統(tǒng)作為這些儀器設(shè)備最重要甚至唯一的供電來源，其穩(wěn)定性和壽命直接決定了儀器設(shè)備能否長期可靠工作。駿龍科技推出了適用于光伏供電系統(tǒng)的模塊產(chǎn)品，給光伏供電裝上了“智慧大腦”，部署高品質(zhì)的光伏供電方案將變得易如反掌。
光伏供電的設(shè)計難點
光伏供電是一個完整的電路系統(tǒng)，包括太陽能電池板、蓄電池、管理器等部分，如圖1所示。其中，管理器是決定系統(tǒng)運行高效穩(wěn)定的核心，它負(fù)責(zé)全程控制太陽能電池板的能量出口，以及對蓄電池進(jìn)行充電放電監(jiān)控，對于比較考究的光伏供電管理器，這個控制過程需要結(jié)合負(fù)載情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到提高系統(tǒng)能量利用效率的目的。
圖1 光伏供電系統(tǒng)的組成部分
光伏供電系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但每個部件的運行控制都有技術(shù)難點。對于太陽能光伏板，其主要成分是特殊處理的單晶或多晶硅，對于光伏板的輸出伏安特性曲線，其輸出功率與光照強度直接相關(guān)，且具有一個最大值，因此它并非是單一的恒壓源或恒流源。當(dāng)光照強度足夠時，其輸出電流的增大基本不影響電壓幅值；當(dāng)光照較弱時，其輸出電流的變化會顯著影響輸出電壓。
圖2是某型號150W光伏板的伏安曲線，四條曲線是不同光照強度下的伏安曲線，從電壓乘以電流的功率來看，曲線的轉(zhuǎn)折點是功率峰值，當(dāng)光伏板工作在此點位時，太陽能的利用效率是最高的。隨著光照強度變化，功率峰值點會發(fā)生偏移，這就要求管理器能夠判定并主動調(diào)節(jié)到這個工作點位，這個技術(shù)被稱為最大功率點跟蹤（MPPT）。
圖2 某型號光伏板的伏安曲線
對于蓄電池部分，目前在室外長期部署的儀器設(shè)備中，仍然以鉛酸免維護(hù)蓄電池為主。由于電化學(xué)特性的原因，鉛酸蓄電池的充電過程需要有規(guī)律地進(jìn)行控制，才能夠盡量延長其使用壽命。
圖3所示為常見的鉛酸蓄電池“三段式”充電控制曲線，當(dāng)電池剩余電量很低時，首先進(jìn)行恒定電流充電，此時電池電壓穩(wěn)固上升；當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定電壓后，進(jìn)行恒定電壓充電，此時電池的充電電流會不斷下降，直到電流降至0.01倍的最大充電電流值時（0.01C），會進(jìn)入充電倒計時階段；低于0.01C的充電持續(xù)時間一般是被限定的，倒計時時間到達(dá)后會轉(zhuǎn)入恒壓浮充階段。以上的整個控制過程都由管理器來完成，若電池是從該曲線的中間某狀態(tài)開始充電，管理器也應(yīng)準(zhǔn)確判斷并執(zhí)行。目前行業(yè)內(nèi)也有使用鋰離子聚合物電池、磷酸鐵鋰電池等類型的蓄電池，這些電池也擁有各自的特性充電控制曲線，
具體技術(shù)您也可以咨詢駿龍科技的技術(shù)人員。
圖3 鉛酸蓄電池的充電控制曲線
智慧大腦簡化設(shè)計
由前文的技術(shù)分析，可以看出光伏供電系統(tǒng)中管理器的重要性。一款優(yōu)質(zhì)的光伏供電管理器可以顯著提高系統(tǒng)能量利用效率和持續(xù)使用壽命。為此，駿龍科技推出了具備高集成性與智能化的管理器模塊方案，為光伏供電系統(tǒng)提供了“智慧大腦”。該模塊型號為MCUM4162-SLR，其具有如下功能特點：
- 兼容最高36V太陽能電池板
- 支持最高33.6V的蓄電池
- 最大充電電流3.2A，充電效率95%以上
- 自動切換負(fù)載供電來源（光伏板或蓄電池）
- 支持MPPT提高太陽能光效
- 電池健康分析預(yù)警功能
- 系統(tǒng)運行狀態(tài)與異常報警的可視化輸出
圖4 駿龍科技光伏供電演示板結(jié)構(gòu)
圖5 駿龍科技光伏供電演示板實物
圖4所示的光伏供電演示板結(jié)構(gòu)圖可以由用戶直接進(jìn)行參考設(shè)計，其中有幾處設(shè)計細(xì)節(jié)需要注意。在光伏板的接入處，增加了對地的150uF電容與2.5歐姆電阻的串聯(lián)電路，這主要是用于對光伏板進(jìn)行阻抗匹配，充分發(fā)揮管理器模塊的MPPT功能。在前文提到的光伏板輸出伏安曲線中，可以分為前段恒流和后端恒壓兩部分，恒壓階段的光伏板表現(xiàn)出低阻抗，而恒流階段變現(xiàn)高阻抗，這會導(dǎo)致管理器模塊的輸入阻抗環(huán)路不穩(wěn)定，通過阻容串聯(lián)的電路的補償，可以將阻抗進(jìn)行穩(wěn)定。
對于配套的顯示屏幕，用戶也可以使用MCU或其他終端形式替代，MCUM4162-SLR模塊的信息輸出采用的是TTL串口形式。本演示板中使用的是HMI串口顯示屏，其內(nèi)置了顯示控制單元，用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時也需要考慮顯示控制功能，因為MCUM4162-SLR模塊上的板載MCU是專用于光伏控制，只能輸出模塊工作參數(shù)信息。顯示屏的供電是取自光伏供電系統(tǒng)的負(fù)載端，通過DCDC降壓，并串聯(lián)了開關(guān)以適時關(guān)閉屏幕節(jié)省電能。
此外，該模塊集成了自動路徑管理功能。如圖6所示，太陽能光伏板能夠在蓄電池充電的同時，給負(fù)載進(jìn)行供電，因此可以理解為，負(fù)載能源是優(yōu)先來源于光伏板，這樣做可以避免蓄電池“邊充邊放”的情況，延長電池使用壽命；當(dāng)光伏板不足以支撐充電要求功率時，管理器會將負(fù)載自動切換至蓄電池供電路徑。對于切換的時機，管理器需要綜合考慮負(fù)載需求電流、光伏板輸出的電壓電流、以及充電最低啟動門限等，這是一個動態(tài)而綜合的決策過程。
圖6 模塊的自動路徑管理功能
戶外真實運行評測
本文針對此光伏供電演示板進(jìn)行了性能測試，并模擬了多種實際工況。圖7所示為系統(tǒng)實物搭建現(xiàn)場圖，光伏板采用150W多晶板、12V9Ah鉛酸電池，負(fù)載端接入了電子負(fù)載設(shè)備，并設(shè)置為恒流1A模式。
圖7 光伏供電系統(tǒng)搭建現(xiàn)場圖
在評測過程中，主要還原了3種工作場景：分別是光伏板的足光照射、弱光照射、無光照射。如圖8所示分別是3種工況的實測效果和參數(shù)，對此，分別做了電能路徑分析。
可以觀察到，在足光照射工況下，光伏板的輸出首先滿足了電子負(fù)載1A的供電，并且蓄電池充電功率也達(dá)到最大，在此場景下，可以計算得到系統(tǒng)的充電效率達(dá)到了95%，而負(fù)載端電壓的衰減也僅為0.01V，這得益于路徑管理技術(shù)基于理想二極管方案。
在弱光照射工況下，光伏板功率下降至20W，管理器模塊判定其能夠滿足充電門限，因此其輸出依然優(yōu)先滿足電子負(fù)載，剩余電能則用于給蓄電池充電。
在無光照射工況下，光伏板電壓跌至充電門限電壓以下，管理器將光伏板接入通道斷開，切換路徑成蓄電池反向放電至電子負(fù)載。
圖8 三種工況運行效果及電能分配情況
以上三種工況在實際使用中很有可能是反復(fù)切換的，例如有云層短暫遮擋陽光，如果管理器在臨界狀態(tài)下反復(fù)切換，負(fù)載端的供電電壓會頻繁跳躍，因此管理器自帶了判定窗口期，只有當(dāng)光伏板輸出特性穩(wěn)定后，才會進(jìn)行控制路徑?jīng)Q策。對于更高級的應(yīng)用，模塊還支持同步真實世界時間軸，將日出日落時間等因素用于輔助光伏供電控制過程的判定，這樣可以讓光伏系統(tǒng)在長期運行中保持更高的能量轉(zhuǎn)換效率和電池使用壽命。
該模塊對電池壽命的有益影響需要進(jìn)行長期性橫向?qū)Ρ葴y試，因此戶外評測試驗會持續(xù)進(jìn)行，用戶可以關(guān)注后續(xù)的試驗進(jìn)展相關(guān)文章。
總結(jié)
本文介紹了駿龍科技推出的光伏供電系統(tǒng)管理器模塊，型號為MCUM4162-SLR，并設(shè)計了光伏供電演示板，從工作原理、功能參數(shù)、多工況測試等方面進(jìn)行了講解。本模塊具備集成度高、智能化強、使用便捷的特點，特別適合用戶設(shè)計戶外供電的儀器設(shè)備。該模塊可以自動管理光伏板的能量分配路徑、控制電池充電，并支持MPPT。
采用本方案的光伏供電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率高、電池使用壽命長，并且能實時監(jiān)測到系統(tǒng)各部位的運行狀態(tài)和異常報警。如需對接具體產(chǎn)品或了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)、使用方法及相關(guān)方案，您可聯(lián)系駿龍科技各地辦事處。駿龍科技的技術(shù)人員愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)支持。
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參考文獻(xiàn)
[1]LTC4162產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/en/products/ltc4162-s.html
[2]ADI官方參考應(yīng)用筆記： https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-171_AN-1568.pdf
[3]ADI-適合任意化學(xué)組分電池的簡單充電芯片：
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/simple-battery-charger-ics-for-any-chemistry.html
[4]ADI-萬能的電池充電器方案：
https://www.analog.com/en/technical-articles/one-size-fits-all-battery-charger.html
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