基于太陽能的雙電源供電與自動切換系統

王愛國，趙鵬，楊東林

（長春理工大學機電工程學院，吉林長春 130022）

隨著現代科技的進步，要求在戶外長期使用的設備及儀器越來越多，對于戶外缺乏生產及工業用電的場合，使用太陽能發電已成為首選.常用的太陽能供電系統是由太陽能電池板直接供電或通過鉛酸蓄電池來儲能并供電［1］.然而，這種供電裝置體積大，壽命短，遇到連續陰雨天氣時無法持續供電，在戶外長期使用時有很大的局限性.本文基于太陽能發電及近年來迅速發展的磷酸鐵鋰電池，以德州儀器公司的超低功耗單片機MSP430F2274為核心，結合凌力爾特的太陽能專用鋰離子充電控制芯片LT3652HV，研制了一種體積小、壽命長、無污染且能全天候、不間斷在戶外供電的裝置，通過采用雙電池組儲能并自動切換，可以為供電范圍在1.8～11V的儀器或設備不間斷供電.實際使用結果表明，此系統可以長時間在戶外穩定工作，并具有最大2.5A的電流輸出能力，且其體積小，壽命長，無污染，使用靈活方便.

1 系統基本原理

基于太陽能的雙電源供電與自動切換系統基本原理如圖1所示.

圖1 系統基本原理Fig.1 System basic schematic

整個系統由太陽能電池板供電，其連接的太陽能充電控制器在對電池充電的同時還能檢測電池的狀態，包括過壓、過流和過熱.太陽能充電控制器連接切換電路，2磷酸鐵鋰電池組中的每節電池都與均衡電路連接，單片機通過單電池電壓檢測電路獲取每節電池的電壓值并將結果傳入主控制器，由主控制器決定是否需要對其均衡.電池組電壓檢測電路可檢測每個電池組的電壓值，也將檢測值傳入主控制器，當電壓低于設定閾值后，將觸發單片機中斷，通過切換電路實現雙電池組間的切換并繼續向負載供電.

2 系統硬件電路設計

2.1 電池組選型

由于本系統采用太陽能電池板供電，且要求系統體積小，能在連續陰雨天氣時不間斷在戶外穩定工作，還要有間斷的大電流輸出能力，鉛酸蓄電池已不能滿足這種應用需求.選用磷酸鐵鋰電池來構建本系統的儲能電池組，它與傳統的鉛酸蓄電池相比，具有效率高、體積小、壽命長、容量大、使用安全、無記憶效應和大電流輸出能力且綠色環保等優點，與傳統的鋰離子電池相比其更安全，壽命更長，倍率更大［2］.由于磷酸鐵鋰電池單節標稱電壓為3.2V，充電電壓為3.6V，最大充電電壓為3.8V，終止放電電壓為2V，采用5節電池串聯并經線性穩壓后即可輸出1.8～11V供電電壓，電池容量可根據需要進行選擇.

2.2 主控制器電路設計

主控制器用來控制電池組均衡充電、雙電源切換及故障保護，起著核心作用.由于系統設計的目的是作為電源給其他負載供電，為延長負載供電時間，系統自身的功耗就必須很低，同時，為保證系統穩定運行，要求出現故障時能快速響應，因此，選擇超低功耗且運算速度很快的主控制器就十分必要.設計時選用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F2274為主控制器，圖2所示為主控制器電路原理圖.

電路采用3.3V電源供電，16MHz晶振工作，單條指令周期為62.5ns.圖中S1＿OUT和S2＿OUT為電壓檢測電路輸出信號，與外部中斷口P1.2和P1.3連接，當電壓檢測電路輸出電平信號發生跳變時，會觸發單片機外部中斷，使連接切換電路的P2.5和P4.7口輸出電平反轉，通過控制MOSFET的導通實現電池組切換.AF0～AF9為單片機10位模數轉換器ADC10信號輸入端，與單電池電壓檢測電路連接，工作時，將ADC10配置為序列通道多次轉換模式實時監測每節電池的電壓，當電壓值達到設定閾值時，觸發ADC10中斷，控制C0～C9中與此電池對應的端口輸出高電平，使MOSFET導通，啟動均衡充電，待電池電壓正常后停止均衡.當控制器不工作時將進入低功耗模式，其在低功耗模式下的工作電流僅為微安級［3］.

圖2 主控制器電路原理Fig.2 Main controller circuit schematic

2.3 太陽能充電控制器設計

由于目前能為多節磷酸鐵鋰電池充電并進行管理的專用控制器很少，而使用磷酸鐵鋰電池時，過壓、過流、過熱等因素都會對電池造成不可修復的損壞，在進行電路設計時必須充分考慮以上因素.本文采用凌力爾特（Linear）公司的LT3652HV電池充電管理IC設計了可同時為5節磷酸鐵鋰電池充電的控制器［4］.圖3所示為太陽能充電控制器電路原理圖.

圖3 太陽能充電控制器電路Fig.3 Solar charge controller circuit schematic

如圖3所示，端口P2與太陽能電池板直接相連，可接受4.95～34V的電壓輸入，且絕對最大額定值可達40V.CHARGE端接切換電路，由D1，D2構成的輸入調節環路可保持電池板處于峰值功率輸出狀態.通過電路中的NTC電阻，可在電池過熱時自動停止充電.充電控制器固定開關頻率可達1MHz，充電時可使用電阻分壓可得到高達18V的浮置反饋電壓，反饋準確度為±0.5%.

2.4 電池組切換電路設計

電池組切換電路主要用來在2電池組間自動切換，并且在一組電池組放電的同時還能對另一電池組充電.設計時，為滿足系統的大電流放電能力并使系統在放電時盡量減少發熱，采用N溝道功率MOSFET作為切換時的無觸點開關［5］.圖4為電池組切換電路原理圖.

圖4 切換電路原理Fig.4 Switching circuit schematic

SW1和SW2為切換控制信號，當電池組電壓低于設定的閾值后，單片機會收到電壓檢測電路發出的中斷信號，觸發外部中斷對SW1和SW2信號進行控制，通過切換電路對電池組進行切換.

2.5 電壓檢測電路設計

本系統的電池組電壓檢測電路主要用來實時檢測電池組電壓.為使電池組能夠長時間穩定工作，在其電壓低于某個設定值后要使其停止工作，阻止其過放，同時，發出電池組切換信號，單片機收到此信號后控制切換電路完成電池組切換.電壓檢測使用Maxim公司生產的電壓遲滯檢測芯片ICL7665來完成［6］，圖5所示為電池組電壓檢測電路原理圖.

圖5 電池組電壓檢測電路原理Fig.5 Battery pack voltage detection circuit schematic

電池組電壓檢測電路采用5V電源供電，可檢測的有效電壓為12.5V，對應每節電池的過放門限為2.5V，B1＿IN和B2＿IN分別接電池組1和電池組2，經過電阻分壓后通過ICL7665內部的2個電壓比較器與其內部的1.3V帶隙基準電壓源進行比較.S1＿OUT端和S2＿OUT端分別與單片機2外部中斷口P1.2和P1.3連接，當電池組電壓低于12.5V時，ICL7665的輸出電平發生跳變，觸發單片機外部中斷，控制切換電路進行電池組切換.

2.6 均衡電路設計

在同時對電池組中的多節磷酸鐵鋰電池進行充電時，為防止過充或過放對電池造成損壞，需通過均衡充電電路來消除電池單元之間的差異，對失衡進行校正［7］.目前，共有2類電池均衡技術：無源電池均衡技術和有源電池均衡技術.本文以單片機自帶的采樣率為200ksps的12通道10位模數轉換器為基礎，設計了一種新的無源電池均衡技術.圖7為單電池組均衡充電電路原理圖，另一電池組的均衡電路與其相同.

圖7 均衡充電電路Fig.7 Balance charge circuit schematic

圖7中，光耦用來隔離及驅動MOSFET，AF0～AF9接單電池電壓檢測電路的輸入端，C0～C9接單片機的控制信號輸出端，SW為均衡充電電路的啟動信號，圖中采用差分放大的方法來檢測每節電池的電壓，末端二極管用來保護ADC，使輸入AD的端口電壓在正常范圍內.在對電池失衡進行校正時，主控制器控制電池對應旁路導通，停止對其充電，而不影響其他電池單元，當其電壓低于閾值電壓后停止對其均衡，繼續充電.

3 系統軟件設計

系統軟件設計直接關系到本系統能否正常工作，其與硬件電路相輔相成.系統中單片機既要檢測外部器件輸入的電平信號還要對單節電池電壓進行檢測，并且還要輸出控制信號.上述功能主要涉及到系統初始化程序、外部中斷處理程序及ADC處理程序［8］，圖8為軟件設計流程圖，程序采用C語言在IAR4.2環境下編寫.

如圖8所示，系統運行時首先要進行外圍設備初始化，主要包括端口初始化、系統時鐘初始化、ADC10初始化及中斷設置等，初始化完成后，主控制器將根據電池組電壓檢測信號來決定使用哪組電池為負載供電，當選定供電電池組后，控制器將同時為另一電池組充電.若2電池組都處于欠壓狀態，系統將不工作，控制器將首先為電池組1充電，并進入中斷等待狀態.

圖8 軟件設計流程Fig.8 Software design flow

4 結論

本系統設計從實用性角度出發，通過選用高安全性、大容量電池及低功耗器件，有效地提高了系統的安全性和供電時間.目前，此系統已成功運用于對某戶外在線監測儀的供電.實際應用情況表明，此裝置具有體積小、壽命長、無污染且能全天候、不間斷戶外穩定工作等優點.

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