太陽電池能量采集與存儲系統模塊化設計*

李正陽, 鮮 帥, 穆繼亮

(1.中北大學 電子測試技術國防科技重點實驗室,山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著社會工業現代化的全面推進，人們對于能源的需求也與日俱增。目前能源供給以石油、煤、天然氣為主，從能源消耗狀況以及環境安全等多方面考慮，清潔、微弱能量的收集在近年來受到了廣泛的關注，成為研究熱點[1]。同時，隨著光伏電池產業的蓬勃發展，太陽能也成為了最具發展潛力的新型能源[2]，廣泛應用于環境監測、能源補給等領域[3]。在能量采集過程中，電路系統的工作時間、電池電壓、采集電量等諸多信息成為能量采集系統的重要衡量標準，因此,將電量信息發送至上位機實時監測就顯得尤為重要。

傳統的能量采集電路主要包括有橋式整流電路、電荷同步獲取電路和電感同步開關電路，能量存儲裝置主要采用超級電容或者鋰電池。以上的能量采集電路，存在電路壓降大、自身功耗大、輸出電壓不穩定、能量采集電路效率低等問題[4,5]，這些情況都會影響微弱能量的采集、管理及應用。

本文針對太陽能采集電路的發展現狀與技術瓶頸，設計了一種基于BQ25570電路的太陽能采集與能源存儲系統，收集不同天氣條件下的太陽能為電路系統供電，同時將多余的電能存儲到鋰電池中，并將鋰電池中的電量信息通過無線傳輸模塊在上位機上實時顯示[6,7]。本文設計的太陽能采集系統可穩定輸出3.3 V電壓，BQ25570模塊的最大輸出功率可達采集能量的70 %～80 %，實現了太陽能的高效采集、智能存儲與電量實時監測。

1 總體設計方案

太陽能采集及能源存儲系統主要包括：太陽能光伏電池板、BQ25570能源管理電路、儲能單元以及數據接收傳輸單元，總體結構如圖1所示。系統能量由太陽能光伏電池板提供，太陽能光伏電池板與BQ25570能源管理芯片相連，通過能源管理電路可將收集到的太陽能直接為系統供電，并將多余的電能通過鋰電池進行存儲；電池電量信息通過主控芯片以及無線通信模塊發送到接收器。最終將采集到的電量信息進行處理與實時顯示。

圖1 總體結構

2 硬件設計

2.1 結構設計

太陽能采集及能源管理芯片選用BQ25570，將收集到的太陽能轉換為3.3 V穩定電壓并為后端電路供電，具體電路如圖2所示。圖中Solar Cell為太陽能光伏電池板接入端，BAT為鋰電池接入端。為最大程度優化太陽能采集效率，利用BQ25570芯片最大功率點跟蹤采樣特性，在電路中，將VOC_SAMP引腳與VSTOR引腳相連，使最大功率輸出可達采集能量的70 %～80 %。考慮到鋰電池深度放電、損壞以及防止存儲元件完全耗盡等因素，BQ25570芯片內部采用欠壓(VBAT_UV)閾值設計，當鋰電池電壓值下降至VBAT_UV時，芯片與鋰電池斷開連接，其中，VBAT_UV典型值為1.95 V。同時，為了防止鋰電池以及存儲元件過度充電，芯片內部設有過壓(VBAT_OV)閾值。VBAT_OV由如下公式給出

圖2 BQ25570能源管理芯片接線圖

(1)

為滿足系統3.3 V供電要求，通過對式(2)中電阻值進行設置，以調節BQ25570芯片輸出電壓

(2)

式中 偏置電壓VBIAS均為1.21 V。

太陽能光伏電池板采用微型高效三結砷化鎵(GaAs)電池，峰值電壓可達7.26 V，峰值電流可達21.4 mA，功率為155.3 mW，轉化效率約為25%～30 %；光伏電池板作為系統輸入部分接入電路后，峰值電壓約為2 V，滿足BQ25570芯片中輸入電壓低于5.5 V、輸入功率低于510 mW的要求。系統存儲元件采用20 mm×30 mm的耐高溫鋰電池，電池容量為140 mAh，最大充放電電流為140 mA，小于太陽能采集系統充放電電流，符合本文電路設計的電流要求。太陽能板及鋰電池如圖3所示。

圖3 太陽能板及鋰電池

2.2 信息采集傳輸設計

2.2.1 微處理器電路

由于太陽能采集系統易受天氣等因素影響，采集效率具有不確定性，因此,將采集到的電量信息進行處理與顯示就顯得尤為重要。太陽能采集系統采用ESP32作為主控芯片，外圍電路如圖4所示。ESP32將能源管理模塊對鋰電池的存儲電壓進行采集，并將數據傳輸到無線模塊。在此芯片電路設計中，ADC引腳采集BQ25570能源管理鋰電池端的電壓值，CSn,SI,SO,SCLK,GDO0引腳連接CC1101無線傳輸模塊。

圖4 ESP32外圍電路

2.2.2 無線傳輸模塊

為確保太陽能采集系統可長時間穩定工作，需要盡可能減小系統內的功耗[8,9]，常見低功耗無線通信如ZigBee及Lora的工作電流在30 mA以上，而本文選用的CC1101為低于1 GHz的低功耗射頻芯片[10,11]，當芯片工作為433 MHz時，0 dBm發送模式下，電流消耗為16 mA，待機模式下電流僅為200 nA，極大地降低了系統的功耗。發射端的CC1101通過SPI通信協議將ESP32傳送來的鋰電池電壓值信號發送到接收端的CC1101，接收端再與上位機連接并將電壓信號進行進一步實時顯示。無線傳輸電路如圖5所示。

圖5 CC1101無線傳輸模塊電路

2.3 系統電路實物設計

系統電路整體實物圖如圖6所示。左上部分為BQ25570太陽能采集電路，左下為ESP32及外圍電路，右側為CC1101無線通信模塊。該系統在完成太陽能采集及能量存儲功能外，在電路板中還集成了多個通信接口，其中包括：串口引腳、IIC引腳、SPI引腳、單線數字通信引腳、單線模擬通信引腳，這可為后續傳感器開發使用和數據傳輸提供多種選擇。

圖6 整體設計實物圖

3 系統實際測量結果

測試結果分為兩部分，在不同天氣條件下的太陽能采集測試和系統充放電測試。

3.1 不同光照條件下的太陽能采集

首先，在無外接ESP32、CC1101負載電路時，通過BQ25570直接連接太陽能電池板測量太陽光模擬器(CME—Sol8150—3A)、晴天、陰天三種不同條件下對鋰電池的充電情況。鋰電池起始電壓為2.7 V，最高電壓可達4.2 V。在鋰電池充電初期，采用涓流充電，這種充電模式用于對低于3 V的鋰電池進行補充充電；當鋰電池超過3 V時，采用恒流的方式充電，使電池電壓可以快速上升；隨著電池飽和程度的增加，采用恒壓的方式對鋰電池進行充電；鋰電池趨于飽和時，充電電流會往下降直至充電過程結束。在太陽光模擬器條件下對鋰電池充電，約7.5 h可將140 mAh的鋰電池充滿；在晴天條件下，約11 h將鋰電池充滿；而在陰天時，則需要近18 h。不同天氣條件下充電時間與電壓對照如圖7所示。

圖7 太陽能充電時間與電壓對照

鋰電池電壓與電池容量并不是呈線性增長關系，具體的鋰電池電壓與電池容量對照關系見表1。

表1 鋰電池電壓與容量對比

根據太陽光模擬器、晴天、陰天不同光照條件下的太陽能充電測試，充電時間與鋰電池容量百分比如圖8所示。

圖8 充電時間與鋰電池百分比對照

3.2 太陽能能源管理系統充放電測試

BQ25570在采集太陽能時，可穩定輸出3.3 V為外部電路供電，同時還能將多余的電量存儲到鋰電池中。ESP32及CC1101工作時的電壓電流如表2所示。

表2 鋰電池電壓與容量對比

ESP32工作時的平均電流達80 mA，CC1101待機模式下電流為200 nA，0 dBm發送模式時電流為16 mA。在本系統測試時，程序設定無線模塊30 s發送一次鋰電池電壓信息，其余時間均為待機模式。

系統實際測量充電耗電情況如圖9所示，在無光照時，系統耗電時間約為3 h，在太陽光模擬器照射時，同時對系統充電和放電時間約為4.5 h，而在無外部電路連接時，太陽光模擬器充電時間約為7.8 h。實驗數據結果表明，本文設計的BQ25570自供電能源管理系統可為鋰電池充電并對外部電路穩定供電，保證系統持續穩定的工作。

圖9 系統實測耗電情況

在無光照條件下系統耗電情況在上位機采集電壓信號界面如圖10所示[12]，可見鋰電池電壓較為平穩的均勻下降。

圖10 上位機界面顯示結果

4 結 論

本文針對現有太陽能采集及能源管理電路壓降大、輸出電壓不穩定、效率低等問題，設計了一種基于BQ25570的太陽能采集及能源管理電路，電路可以高效采集太陽能并存儲到鋰電池中實現電路系統自供能，同時將鋰電池電量信息通過無線傳輸方式進行實時監測顯示。本文設計將采集到的太陽能作為鋰電池的一個電量補充，解決了因環境條件而不便更換電池的問題。在該電路中，采用兩片太陽能板對鋰電池充電，也可將多片太陽能板串并連接增大充電效率，實現系統長時間持續工作。本文設計實現了對太陽能的智能采集、存儲及電量實時監測，具有很高的實用價值與應用前景。