太阳电池能量采集与存储系统模块化设计*

李正阳, 鲜 帅, 穆继亮

(1.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室,山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

随着社会工业现代化的全面推进，人们对于能源的需求也与日俱增。目前能源供给以石油、煤、天然气为主，从能源消耗状况以及环境安全等多方面考虑，清洁、微弱能量的收集在近年来受到了广泛的关注，成为研究热点[1]。同时，随着光伏电池产业的蓬勃发展，太阳能也成为了最具发展潜力的新型能源[2]，广泛应用于环境监测、能源补给等领域[3]。在能量采集过程中，电路系统的工作时间、电池电压、采集电量等诸多信息成为能量采集系统的重要衡量标准，因此,将电量信息发送至上位机实时监测就显得尤为重要。

传统的能量采集电路主要包括有桥式整流电路、电荷同步获取电路和电感同步开关电路，能量存储装置主要采用超级电容或者锂电池。以上的能量采集电路，存在电路压降大、自身功耗大、输出电压不稳定、能量采集电路效率低等问题[4,5]，这些情况都会影响微弱能量的采集、管理及应用。

本文针对太阳能采集电路的发展现状与技术瓶颈，设计了一种基于BQ25570电路的太阳能采集与能源存储系统，收集不同天气条件下的太阳能为电路系统供电，同时将多余的电能存储到锂电池中，并将锂电池中的电量信息通过无线传输模块在上位机上实时显示[6,7]。本文设计的太阳能采集系统可稳定输出3.3 V电压，BQ25570模块的最大输出功率可达采集能量的70 %～80 %，实现了太阳能的高效采集、智能存储与电量实时监测。

1 总体设计方案

太阳能采集及能源存储系统主要包括：太阳能光伏电池板、BQ25570能源管理电路、储能单元以及数据接收传输单元，总体结构如图1所示。系统能量由太阳能光伏电池板提供，太阳能光伏电池板与BQ25570能源管理芯片相连，通过能源管理电路可将收集到的太阳能直接为系统供电，并将多余的电能通过锂电池进行存储；电池电量信息通过主控芯片以及无线通信模块发送到接收器。最终将采集到的电量信息进行处理与实时显示。

图1 总体结构

2 硬件设计

2.1 结构设计

太阳能采集及能源管理芯片选用BQ25570，将收集到的太阳能转换为3.3 V稳定电压并为后端电路供电，具体电路如图2所示。图中Solar Cell为太阳能光伏电池板接入端，BAT为锂电池接入端。为最大程度优化太阳能采集效率，利用BQ25570芯片最大功率点跟踪采样特性，在电路中，将VOC_SAMP引脚与VSTOR引脚相连，使最大功率输出可达采集能量的70 %～80 %。考虑到锂电池深度放电、损坏以及防止存储元件完全耗尽等因素，BQ25570芯片内部采用欠压(VBAT_UV)阈值设计，当锂电池电压值下降至VBAT_UV时，芯片与锂电池断开连接，其中，VBAT_UV典型值为1.95 V。同时，为了防止锂电池以及存储元件过度充电，芯片内部设有过压(VBAT_OV)阈值。VBAT_OV由如下公式给出

图2 BQ25570能源管理芯片接线图

(1)

为满足系统3.3 V供电要求，通过对式(2)中电阻值进行设置，以调节BQ25570芯片输出电压

(2)

式中 偏置电压VBIAS均为1.21 V。

太阳能光伏电池板采用微型高效三结砷化镓(GaAs)电池，峰值电压可达7.26 V，峰值电流可达21.4 mA，功率为155.3 mW，转化效率约为25%～30 %；光伏电池板作为系统输入部分接入电路后，峰值电压约为2 V，满足BQ25570芯片中输入电压低于5.5 V、输入功率低于510 mW的要求。系统存储元件采用20 mm×30 mm的耐高温锂电池，电池容量为140 mAh，最大充放电电流为140 mA，小于太阳能采集系统充放电电流，符合本文电路设计的电流要求。太阳能板及锂电池如图3所示。

图3 太阳能板及锂电池

2.2 信息采集传输设计

2.2.1 微处理器电路

由于太阳能采集系统易受天气等因素影响，采集效率具有不确定性，因此,将采集到的电量信息进行处理与显示就显得尤为重要。太阳能采集系统采用ESP32作为主控芯片，外围电路如图4所示。ESP32将能源管理模块对锂电池的存储电压进行采集，并将数据传输到无线模块。在此芯片电路设计中，ADC引脚采集BQ25570能源管理锂电池端的电压值，CSn,SI,SO,SCLK,GDO0引脚连接CC1101无线传输模块。

图4 ESP32外围电路

2.2.2 无线传输模块

为确保太阳能采集系统可长时间稳定工作，需要尽可能减小系统内的功耗[8,9]，常见低功耗无线通信如ZigBee及Lora的工作电流在30 mA以上，而本文选用的CC1101为低于1 GHz的低功耗射频芯片[10,11]，当芯片工作为433 MHz时，0 dBm发送模式下，电流消耗为16 mA，待机模式下电流仅为200 nA，极大地降低了系统的功耗。发射端的CC1101通过SPI通信协议将ESP32传送来的锂电池电压值信号发送到接收端的CC1101，接收端再与上位机连接并将电压信号进行进一步实时显示。无线传输电路如图5所示。

图5 CC1101无线传输模块电路

2.3 系统电路实物设计

系统电路整体实物图如图6所示。左上部分为BQ25570太阳能采集电路，左下为ESP32及外围电路，右侧为CC1101无线通信模块。该系统在完成太阳能采集及能量存储功能外，在电路板中还集成了多个通信接口，其中包括：串口引脚、IIC引脚、SPI引脚、单线数字通信引脚、单线模拟通信引脚，这可为后续传感器开发使用和数据传输提供多种选择。

图6 整体设计实物图

3 系统实际测量结果

测试结果分为两部分，在不同天气条件下的太阳能采集测试和系统充放电测试。

3.1 不同光照条件下的太阳能采集

首先，在无外接ESP32、CC1101负载电路时，通过BQ25570直接连接太阳能电池板测量太阳光模拟器(CME—Sol8150—3A)、晴天、阴天三种不同条件下对锂电池的充电情况。锂电池起始电压为2.7 V，最高电压可达4.2 V。在锂电池充电初期，采用涓流充电，这种充电模式用于对低于3 V的锂电池进行补充充电；当锂电池超过3 V时，采用恒流的方式充电，使电池电压可以快速上升；随着电池饱和程度的增加，采用恒压的方式对锂电池进行充电；锂电池趋于饱和时，充电电流会往下降直至充电过程结束。在太阳光模拟器条件下对锂电池充电，约7.5 h可将140 mAh的锂电池充满；在晴天条件下，约11 h将锂电池充满；而在阴天时，则需要近18 h。不同天气条件下充电时间与电压对照如图7所示。

图7 太阳能充电时间与电压对照

锂电池电压与电池容量并不是呈线性增长关系，具体的锂电池电压与电池容量对照关系见表1。

表1 锂电池电压与容量对比

根据太阳光模拟器、晴天、阴天不同光照条件下的太阳能充电测试，充电时间与锂电池容量百分比如图8所示。

图8 充电时间与锂电池百分比对照

3.2 太阳能能源管理系统充放电测试

BQ25570在采集太阳能时，可稳定输出3.3 V为外部电路供电，同时还能将多余的电量存储到锂电池中。ESP32及CC1101工作时的电压电流如表2所示。

表2 锂电池电压与容量对比

ESP32工作时的平均电流达80 mA，CC1101待机模式下电流为200 nA，0 dBm发送模式时电流为16 mA。在本系统测试时，程序设定无线模块30 s发送一次锂电池电压信息，其余时间均为待机模式。

系统实际测量充电耗电情况如图9所示，在无光照时，系统耗电时间约为3 h，在太阳光模拟器照射时，同时对系统充电和放电时间约为4.5 h，而在无外部电路连接时，太阳光模拟器充电时间约为7.8 h。实验数据结果表明，本文设计的BQ25570自供电能源管理系统可为锂电池充电并对外部电路稳定供电，保证系统持续稳定的工作。

图9 系统实测耗电情况

在无光照条件下系统耗电情况在上位机采集电压信号界面如图10所示[12]，可见锂电池电压较为平稳的均匀下降。

图10 上位机界面显示结果

4 结 论

本文针对现有太阳能采集及能源管理电路压降大、输出电压不稳定、效率低等问题，设计了一种基于BQ25570的太阳能采集及能源管理电路，电路可以高效采集太阳能并存储到锂电池中实现电路系统自供能，同时将锂电池电量信息通过无线传输方式进行实时监测显示。本文设计将采集到的太阳能作为锂电池的一个电量补充，解决了因环境条件而不便更换电池的问题。在该电路中，采用两片太阳能板对锂电池充电，也可将多片太阳能板串并连接增大充电效率，实现系统长时间持续工作。本文设计实现了对太阳能的智能采集、存储及电量实时监测，具有很高的实用价值与应用前景。