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光伏供電是戶外儀器設備最主流的能源方式之一，太陽能板和蓄電池的監測控制分別都需要專業性設計。駿龍科技推出的光伏供電管理器方案能夠提升供電穩定性、延長電池使用壽命、增加能量轉換效率。本文介紹了管理器模塊產品的工作原理和功能參數，設計了完整可參考的光伏供電系統演示板，并進行了實際工況測試。本模塊產品讓用戶更容易地搭建出優質的光伏供電方案，其參數實時監測輸出、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備智能化的重要基石。
未來能源優質之選
光伏供電是指太陽直接輻照太陽能電池板產生電能，相比于其他的電能產生方式，它是最易獲取的清潔能源。隨著新時代全社會節能減排意識的提高，光伏供電這個誕生已久的技術被重新重視起來。
由于當代工業的智能化水平和部署規模大幅提高，越來越多的儀器和設備被部署在室外。這種設備的安裝位置經常是偏遠且具有不確定性的，其供電方式是非常重要的設計考慮問題之一，例如環境監測儀器、遠程遙感系統、高速公路設備等。在目前的這類產品設計中，太陽能供電已經成為了其普及的配備功能。
光伏供電系統作為這些儀器設備最重要甚至唯一的供電來源，其穩定性和壽命直接決定了儀器設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的模塊產品，給光伏供電裝上了“智慧大腦”，部署高品質的光伏供電方案將變得易如反掌。
光伏供電的設計難點
光伏供電是一個完整的電路系統，包括太陽能電池板、蓄電池、管理器等部分，如圖1所示。其中，管理器是決定系統運行高效穩定的核心，它負責全程控制太陽能電池板的能量出口，以及對蓄電池進行充電放電監控，對于比較考究的光伏供電管理器，這個控制過程需要結合負載情況進行動態調節，從而達到提高系統能量利用效率的目的。
圖1 光伏供電系統的組成部分
光伏供電系統雖然結構簡單，但每個部件的運行控制都有技術難點。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，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，曲線的轉折點是功率峰值，當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，功率峰值點會發生偏移，這就要求管理器能夠判定并主動調節到這個工作點位，這個技術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備中，仍然以鉛酸免維護蓄電池為主。由于電化學特性的原因，鉛酸蓄電池的充電過程需要有規律地進行控制，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，當電池剩余電量很低時，首先進行恒定電流充電，此時電池電壓穩固上升；當到達規定電壓后，進行恒定電壓充電，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），會進入充電倒計時階段；低于0.01C的充電持續時間一般是被限定的，倒計時時間到達后會轉入恒壓浮充階段。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開始充電，管理器也應準確判斷并執行。目前行業內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，
具體技術您也可以咨詢駿龍科技的技術人員。
圖3 鉛酸蓄電池的充電控制曲線
智慧大腦簡化設計
由前文的技術分析，可以看出光伏供電系統中管理器的重要性。一款優質的光伏供電管理器可以顯著提高系統能量利用效率和持續使用壽命。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構
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構圖可以由用戶直接進行參考設計，其中有幾處設計細節需要注意。在光伏板的接入處，增加了對地的150uF電容與2.5歐姆電阻的串聯電路，這主要是用于對光伏板進行阻抗匹配，充分發揮管理器模塊的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出低阻抗，而恒流階段變現高阻抗，這會導致管理器模塊的輸入阻抗環路不穩定，通過阻容串聯的電路的補償，可以將阻抗進行穩定。
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，其內置了顯示控制單元，用戶在進行系統設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信息。顯示屏的供電是取自光伏供電系統的負載端，通過DCDC降壓，并串聯了開關以適時關閉屏幕節省電能。
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，給負載進行供電，因此可以理解為，負載能源是優先來源于光伏板，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；當光伏板不足以支撐充電要求功率時，管理器會將負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行了性能測試，并模擬了多種實際工況。圖7所示為系統實物搭建現場圖，光伏板采用150W多晶板、12V9Ah鉛酸電池，負載端接入了電子負載設備，并設置為恒流1A模式。
圖7 光伏供電系統搭建現場圖
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，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載1A的供電，并且蓄電池充電功率也達到最大，在此場景下，可以計算得到系統的充電效率達到了95%，而負載端電壓的衰減也僅為0.01V，這得益于路徑管理技術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，因此其輸出依然優先滿足電子負載，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切換的，例如有云層短暫遮擋陽光，如果管理器在臨界狀態下反復切換，負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，只有當光伏板輸出特性穩定后，才會進行控制路徑決策。對于更高級的應用，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在長期運行中保持更高的能量轉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行長期性橫向對比測試，因此戶外評測試驗會持續進行，用戶可以關注后續的試驗進展相關文章。
總結
本文介紹了駿龍科技推出的光伏供電系統管理器模塊，型號為MCUM4162-SLR，并設計了光伏供電演示板，從工作原理、功能參數、多工況測試等方面進行了講解。本模塊具備集成度高、智能化強、使用便捷的特點，特別適合用戶設計戶外供電的儀器設備。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的能量轉換效率高、電池使用壽命長，并且能實時監測到系統各部位的運行狀態和異常報警。如需對接具體產品或了解更多技術細節、使用方法及相關方案，您可聯系駿龍科技各地辦事處。駿龍科技的技術人員愿意為您提供更詳細的技術支持。
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參考文獻
[1]LTC4162產品頁面：https://www.analog.com/en/products/ltc4162-s.html
[2]ADI官方參考應用筆記： 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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未來能源優質之選
光伏供電是指太陽直接輻照太陽能電池板產生電能，相比于其他的電能產生方式，它是最易獲取的清潔能源。隨著新時代全社會節能減排意識的提高，光伏供電這個誕生已久的技術被重新重視起來。
由于當代工業的智能化水平和部署規模大幅提高，越來越多的儀器和設備被部署在室外。這種設備的安裝位置經常是偏遠且具有不確定性的，其供電方式是非常重要的設計考慮問題之一，例如環境監測儀器、遠程遙感系統、高速公路設備等。在目前的這類產品設計中，太陽能供電已經成為了其普及的配備功能。
光伏供電系統作為這些儀器設備最重要甚至唯一的供電來源，其穩定性和壽命直接決定了儀器設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的模塊產品，給光伏供電裝上了“智慧大腦”，部署高品質的光伏供電方案將變得易如反掌。
光伏供電的設計難點
光伏供電是一個完整的電路系統，包括太陽能電池板、蓄電池、管理器等部分，如圖1所示。其中，管理器是決定系統運行高效穩定的核心，它負責全程控制太陽能電池板的能量出口，以及對蓄電池進行充電放電監控，對于比較考究的光伏供電管理器，這個控制過程需要結合負載情況進行動態調節，從而達到提高系統能量利用效率的目的。
圖1 光伏供電系統的組成部分
光伏供電系統雖然結構簡單，但每個部件的運行控制都有技術難點。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，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，曲線的轉折點是功率峰值，當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，功率峰值點會發生偏移，這就要求管理器能夠判定并主動調節到這個工作點位，這個技術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備中，仍然以鉛酸免維護蓄電池為主。由于電化學特性的原因，鉛酸蓄電池的充電過程需要有規律地進行控制，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，當電池剩余電量很低時，首先進行恒定電流充電，此時電池電壓穩固上升；當到達規定電壓后，進行恒定電壓充電，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），會進入充電倒計時階段；低于0.01C的充電持續時間一般是被限定的，倒計時時間到達后會轉入恒壓浮充階段。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開始充電，管理器也應準確判斷并執行。目前行業內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，
具體技術您也可以咨詢駿龍科技的技術人員。
圖3 鉛酸蓄電池的充電控制曲線
智慧大腦簡化設計
由前文的技術分析，可以看出光伏供電系統中管理器的重要性。一款優質的光伏供電管理器可以顯著提高系統能量利用效率和持續使用壽命。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
- 電池健康分析預警功能
- 系統運行狀態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構
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構圖可以由用戶直接進行參考設計，其中有幾處設計細節需要注意。在光伏板的接入處，增加了對地的150uF電容與2.5歐姆電阻的串聯電路，這主要是用于對光伏板進行阻抗匹配，充分發揮管理器模塊的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出低阻抗，而恒流階段變現高阻抗，這會導致管理器模塊的輸入阻抗環路不穩定，通過阻容串聯的電路的補償，可以將阻抗進行穩定。
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，其內置了顯示控制單元，用戶在進行系統設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信息。顯示屏的供電是取自光伏供電系統的負載端，通過DCDC降壓，并串聯了開關以適時關閉屏幕節省電能。
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，給負載進行供電，因此可以理解為，負載能源是優先來源于光伏板，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；當光伏板不足以支撐充電要求功率時，管理器會將負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行了性能測試，并模擬了多種實際工況。圖7所示為系統實物搭建現場圖，光伏板采用150W多晶板、12V9Ah鉛酸電池，負載端接入了電子負載設備，并設置為恒流1A模式。
圖7 光伏供電系統搭建現場圖
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，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載1A的供電，并且蓄電池充電功率也達到最大，在此場景下，可以計算得到系統的充電效率達到了95%，而負載端電壓的衰減也僅為0.01V，這得益于路徑管理技術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，因此其輸出依然優先滿足電子負載，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切換的，例如有云層短暫遮擋陽光，如果管理器在臨界狀態下反復切換，負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，只有當光伏板輸出特性穩定后，才會進行控制路徑決策。對于更高級的應用，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在長期運行中保持更高的能量轉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行長期性橫向對比測試，因此戶外評測試驗會持續進行，用戶可以關注后續的試驗進展相關文章。
總結
本文介紹了駿龍科技推出的光伏供電系統管理器模塊，型號為MCUM4162-SLR，并設計了光伏供電演示板，從工作原理、功能參數、多工況測試等方面進行了講解。本模塊具備集成度高、智能化強、使用便捷的特點，特別適合用戶設計戶外供電的儀器設備。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的能量轉換效率高、電池使用壽命長，并且能實時監測到系統各部位的運行狀態和異常報警。如需對接具體產品或了解更多技術細節、使用方法及相關方案，您可聯系駿龍科技各地辦事處。駿龍科技的技術人員愿意為您提供更詳細的技術支持。
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參考文獻
[1]LTC4162產品頁面：https://www.analog.com/en/products/ltc4162-s.html
[2]ADI官方參考應用筆記： 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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