理解在能量采集系統中的能量流動，對于設計高效可持續的物聯網和嵌入式應用至關重要。在特定的光照條件下，精確測量光伏電池輸出以及評估存儲效率，對于物聯網太陽能設備性能影響顯著。本系列文章將會逐步解析析如何判斷系統在不同環境條件下能否維持凈正能量狀態。

本文重點聚焦光伏電池評估，介紹如何測量PV電池在不同光照下的發電能力，以及如何評估從PV電池到存儲系統的能量傳輸效率。

基于Silicon Labs xG22-EK8200A能量采集套件的光伏電池評估

本研究采用了Silicon Labs共計的xG22-EK8200A能量采集套件進行性能評估。該套件包含多個核心組件，但本文重點關注以下元件：

Silicon Labs BRD8201A 雙能量采集擴展板（基于e-peas AEM13920 電源管理IC）

TPLC-3R8/10MR8X14鋰電容（Tecate 10F 3.8V）

Voltaic Systems P121 R1H戶外型光伏電池

圖1：Silicon Labs 雙能量采集擴展板，連接Voltaic Systems光伏電池

精確測量光伏電池性能

如圖2所示：性能評估的測試裝置由兩臺Otii Ace Pro 設備組成。1臺用于測量光伏電池，另1臺用于評估儲能系統。由于本文僅關注光伏電池性能，因此只需1臺Otii Ace Pro即可完成主要測量任務。

圖2：兩臺Otii Ace組成了光伏電池和儲能測量裝置

以下為測量設置的示意圖：

圖3：基于Silicon Labs xG22-EK8200A能量采集套件的太陽能電池與儲能系統性能測試原理圖

在 BRD8201A 雙能量采集擴展板中，SRC2 為光伏電池專用輸入端，用于接收來自直流光源（如戶外 PV 模塊）的能量；而 SRC1 則主要為負載側供電（例如振動傳感器等交流/脈沖型設備）。因此，在測試搭建時，應將光伏電池接入 SRC2，以確保其輸出首先經過板載 PMIC 進行能量管理，再與儲能單元形成完整的采能路徑。詳情參閱該擴展板的用戶指南。

接下來采用串聯方式（安培計模式）連接Otii Ace Pro ，使測量設備和DUT（被測設備）串聯以測量系統電流。同時采用4線制連接方式（通過Sense + 和 Sense -）測量電壓。若未采用4線制測量，Otii Ace 僅能測量內部電壓降。

在Otii 項目和原理圖中，我們將測量光伏性能的Otii Ace Pro標記為Ace_EnergyHarvesting，檢測儲能的設備標記為Ace_Storage。

圖4：Otii的串聯模式和4線制測量設置

本研究在標準辦公照明環境下進行評估，測試區域位于室內辦公桌面，光照通過可控燈源進行調節，以保持穩定條件。

能量采集性能

該評估方案不僅能深入了解光伏電池的性能表現，更能揭示能量采集PMIC的運行特性。

e-peas PMIC對光伏電池能量流的管理行為

本例中，我們考察了在默認辦公照明條件下，由e-peas AEM13920 PMIC采集的光伏電池能量輸出。通過監測Otii Ace Pro（項目中標記為Ace_EnergyHarvester）的電流和電壓數據，系統在測量數據中呈現出頻繁的尖峰現象（見圖5）。

圖5：電流和電壓由Voltaic System 光伏電池和基于?e-peas AEM13920 PMIC的Silicon Labs BRD8201A 雙能量擴展板進行采集

如下圖6所示，更加詳細的尖峰分析顯示了電源管理集成電路（PMIC）如何采集能量

圖6：聚焦Otii軟件上測量到的、e-peas PMIC 從光伏電池采集能量的行為

每個工作周期開始時，PMIC會短暫斷開光伏電池和負載之間的連接。在此暫停期間，PMIC測量到光伏電池的開路電壓（OCV）。系統隨后利用該數值計算最大功率點（MPP），即能量采集最高效的運行電壓。

在大多數能量采集系統中，開路電壓（OCV）與最大功率點（MPP）之間的比例在不同光照條件下通常保持相對穩定，典型范圍約為 0.7–0.8。對于 e-peas AEM13920 PMIC，該比值可在 35% 至 85% 之間配置，默認值為 75%，這一設定使其在低照度下仍能快速鎖定最優工作點并最大化能量捕獲效率。在圖6突出顯示的區間內，PMIC捕捉了OCV，然后調整運行電壓使其維持在該測量值的75%，從而確保能量采集性能最佳。

光伏電池在光照下的行為表現

我們在測試時通過提升光照強度來評估光伏電池的行為特性。隨著光照增強，測量的OCV電壓也同步上升。在OCV測量周期間隙，PMIC持續工作以維持系統在最佳狀態。通過動態調節負載實現最大化捕獲能量。如圖7所示，該行為在數據中體現為更高的能量采集水平。

圖7：不同光照條件下的光伏電池電流和電壓

結語

本文作為系列文章的第一篇，聚焦于嵌入式和物聯網太陽能應用中的光伏電池評估。我們展示了如何利用 Otii Ace Pro 與 Silicon Labs xG22-EK8200A 能量采集套件，精準測量光伏組件在不同光照下的性能，并深入分析電源管理集成電路（PMIC）在能量采集過程中的關鍵作用。

該測試平臺結構簡潔、易于搭建，既能提供高精度測量，又具備良好的可擴展性，適合在后續研究中逐步集成更多采能或儲能組件。每新增待測組件，開發人員在本設置基礎上添加1臺Otii 設備即可構建穩健靈活的測試系統。后續文章將聚焦于能量存儲技術，進一步解析如何在動態環境下保持系統凈能量為正。

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審核編輯 黃宇