基于太阳能的双电源供电与自动切换系统

王爱国，赵鹏，杨东林

（长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022）

随着现代科技的进步，要求在户外长期使用的设备及仪器越来越多，对于户外缺乏生产及工业用电的场合，使用太阳能发电已成为首选.常用的太阳能供电系统是由太阳能电池板直接供电或通过铅酸蓄电池来储能并供电［1］.然而，这种供电装置体积大，寿命短，遇到连续阴雨天气时无法持续供电，在户外长期使用时有很大的局限性.本文基于太阳能发电及近年来迅速发展的磷酸铁锂电池，以德州仪器公司的超低功耗单片机MSP430F2274为核心，结合凌力尔特的太阳能专用锂离子充电控制芯片LT3652HV，研制了一种体积小、寿命长、无污染且能全天候、不间断在户外供电的装置，通过采用双电池组储能并自动切换，可以为供电范围在1.8～11V的仪器或设备不间断供电.实际使用结果表明，此系统可以长时间在户外稳定工作，并具有最大2.5A的电流输出能力，且其体积小，寿命长，无污染，使用灵活方便.

1 系统基本原理

基于太阳能的双电源供电与自动切换系统基本原理如图1所示.

图1 系统基本原理Fig.1 System basic schematic

整个系统由太阳能电池板供电，其连接的太阳能充电控制器在对电池充电的同时还能检测电池的状态，包括过压、过流和过热.太阳能充电控制器连接切换电路，2磷酸铁锂电池组中的每节电池都与均衡电路连接，单片机通过单电池电压检测电路获取每节电池的电压值并将结果传入主控制器，由主控制器决定是否需要对其均衡.电池组电压检测电路可检测每个电池组的电压值，也将检测值传入主控制器，当电压低于设定阈值后，将触发单片机中断，通过切换电路实现双电池组间的切换并继续向负载供电.

2 系统硬件电路设计

2.1 电池组选型

由于本系统采用太阳能电池板供电，且要求系统体积小，能在连续阴雨天气时不间断在户外稳定工作，还要有间断的大电流输出能力，铅酸蓄电池已不能满足这种应用需求.选用磷酸铁锂电池来构建本系统的储能电池组，它与传统的铅酸蓄电池相比，具有效率高、体积小、寿命长、容量大、使用安全、无记忆效应和大电流输出能力且绿色环保等优点，与传统的锂离子电池相比其更安全，寿命更长，倍率更大［2］.由于磷酸铁锂电池单节标称电压为3.2V，充电电压为3.6V，最大充电电压为3.8V，终止放电电压为2V，采用5节电池串联并经线性稳压后即可输出1.8～11V供电电压，电池容量可根据需要进行选择.

2.2 主控制器电路设计

主控制器用来控制电池组均衡充电、双电源切换及故障保护，起着核心作用.由于系统设计的目的是作为电源给其他负载供电，为延长负载供电时间，系统自身的功耗就必须很低，同时，为保证系统稳定运行，要求出现故障时能快速响应，因此，选择超低功耗且运算速度很快的主控制器就十分必要.设计时选用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F2274为主控制器，图2所示为主控制器电路原理图.

电路采用3.3V电源供电，16MHz晶振工作，单条指令周期为62.5ns.图中S1＿OUT和S2＿OUT为电压检测电路输出信号，与外部中断口P1.2和P1.3连接，当电压检测电路输出电平信号发生跳变时，会触发单片机外部中断，使连接切换电路的P2.5和P4.7口输出电平反转，通过控制MOSFET的导通实现电池组切换.AF0～AF9为单片机10位模数转换器ADC10信号输入端，与单电池电压检测电路连接，工作时，将ADC10配置为序列通道多次转换模式实时监测每节电池的电压，当电压值达到设定阈值时，触发ADC10中断，控制C0～C9中与此电池对应的端口输出高电平，使MOSFET导通，启动均衡充电，待电池电压正常后停止均衡.当控制器不工作时将进入低功耗模式，其在低功耗模式下的工作电流仅为微安级［3］.

图2 主控制器电路原理Fig.2 Main controller circuit schematic

2.3 太阳能充电控制器设计

由于目前能为多节磷酸铁锂电池充电并进行管理的专用控制器很少，而使用磷酸铁锂电池时，过压、过流、过热等因素都会对电池造成不可修复的损坏，在进行电路设计时必须充分考虑以上因素.本文采用凌力尔特（Linear）公司的LT3652HV电池充电管理IC设计了可同时为5节磷酸铁锂电池充电的控制器［4］.图3所示为太阳能充电控制器电路原理图.

图3 太阳能充电控制器电路Fig.3 Solar charge controller circuit schematic

如图3所示，端口P2与太阳能电池板直接相连，可接受4.95～34V的电压输入，且绝对最大额定值可达40V.CHARGE端接切换电路，由D1，D2构成的输入调节环路可保持电池板处于峰值功率输出状态.通过电路中的NTC电阻，可在电池过热时自动停止充电.充电控制器固定开关频率可达1MHz，充电时可使用电阻分压可得到高达18V的浮置反馈电压，反馈准确度为±0.5%.

2.4 电池组切换电路设计

电池组切换电路主要用来在2电池组间自动切换，并且在一组电池组放电的同时还能对另一电池组充电.设计时，为满足系统的大电流放电能力并使系统在放电时尽量减少发热，采用N沟道功率MOSFET作为切换时的无触点开关［5］.图4为电池组切换电路原理图.

图4 切换电路原理Fig.4 Switching circuit schematic

SW1和SW2为切换控制信号，当电池组电压低于设定的阈值后，单片机会收到电压检测电路发出的中断信号，触发外部中断对SW1和SW2信号进行控制，通过切换电路对电池组进行切换.

2.5 电压检测电路设计

本系统的电池组电压检测电路主要用来实时检测电池组电压.为使电池组能够长时间稳定工作，在其电压低于某个设定值后要使其停止工作，阻止其过放，同时，发出电池组切换信号，单片机收到此信号后控制切换电路完成电池组切换.电压检测使用Maxim公司生产的电压迟滞检测芯片ICL7665来完成［6］，图5所示为电池组电压检测电路原理图.

图5 电池组电压检测电路原理Fig.5 Battery pack voltage detection circuit schematic

电池组电压检测电路采用5V电源供电，可检测的有效电压为12.5V，对应每节电池的过放门限为2.5V，B1＿IN和B2＿IN分别接电池组1和电池组2，经过电阻分压后通过ICL7665内部的2个电压比较器与其内部的1.3V带隙基准电压源进行比较.S1＿OUT端和S2＿OUT端分别与单片机2外部中断口P1.2和P1.3连接，当电池组电压低于12.5V时，ICL7665的输出电平发生跳变，触发单片机外部中断，控制切换电路进行电池组切换.

2.6 均衡电路设计

在同时对电池组中的多节磷酸铁锂电池进行充电时，为防止过充或过放对电池造成损坏，需通过均衡充电电路来消除电池单元之间的差异，对失衡进行校正［7］.目前，共有2类电池均衡技术：无源电池均衡技术和有源电池均衡技术.本文以单片机自带的采样率为200ksps的12通道10位模数转换器为基础，设计了一种新的无源电池均衡技术.图7为单电池组均衡充电电路原理图，另一电池组的均衡电路与其相同.

图7 均衡充电电路Fig.7 Balance charge circuit schematic

图7中，光耦用来隔离及驱动MOSFET，AF0～AF9接单电池电压检测电路的输入端，C0～C9接单片机的控制信号输出端，SW为均衡充电电路的启动信号，图中采用差分放大的方法来检测每节电池的电压，末端二极管用来保护ADC，使输入AD的端口电压在正常范围内.在对电池失衡进行校正时，主控制器控制电池对应旁路导通，停止对其充电，而不影响其他电池单元，当其电压低于阈值电压后停止对其均衡，继续充电.

3 系统软件设计

系统软件设计直接关系到本系统能否正常工作，其与硬件电路相辅相成.系统中单片机既要检测外部器件输入的电平信号还要对单节电池电压进行检测，并且还要输出控制信号.上述功能主要涉及到系统初始化程序、外部中断处理程序及ADC处理程序［8］，图8为软件设计流程图，程序采用C语言在IAR4.2环境下编写.

如图8所示，系统运行时首先要进行外围设备初始化，主要包括端口初始化、系统时钟初始化、ADC10初始化及中断设置等，初始化完成后，主控制器将根据电池组电压检测信号来决定使用哪组电池为负载供电，当选定供电电池组后，控制器将同时为另一电池组充电.若2电池组都处于欠压状态，系统将不工作，控制器将首先为电池组1充电，并进入中断等待状态.

图8 软件设计流程Fig.8 Software design flow

4 结论

本系统设计从实用性角度出发，通过选用高安全性、大容量电池及低功耗器件，有效地提高了系统的安全性和供电时间.目前，此系统已成功运用于对某户外在线监测仪的供电.实际应用情况表明，此装置具有体积小、寿命长、无污染且能全天候、不间断户外稳定工作等优点.

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