MCUM4162-SLR 模块 — 给光伏供电装上 “智慧大脑”
光伏供电是户外仪器设备最主流的能源方式之一，太阳能板和蓄电池的监测控制分别都需要专业性设计，而光伏供电管理器方案能够提升供电稳定性、延长电池使用寿命、增加能量转换效率。本文为大家介绍管理器模块产品的工作原理和功能参数，设计了完整可参考的光伏供电系统演示板，并进行了实际工况测试。
本模块产品让用户更容易地搭建出优质的光伏供电方案，其参数实时监测输出、电池健康分析、自动路径管理等功能，使其势必将成为光伏供电类仪器设备智能化的重要基石。
未来能源优质之选
光伏供电是指太阳直接辐照太阳能电池板产生电能，相比于其他的电能产生方式，它是最易获取的清洁能源。随着新时代全社会节能减排意识的提高，光伏供电这个诞生已久的技术被重新重视起来。由于当代工业的智能化水平和部署规模大幅提高，越来越多的仪器设备被部署在室外，如环境监测仪器、远程遥感系统、高速公路设备等。这种设备的安装位置通常较偏远且具有不确定性，所以其供电方式是非常重要的设计考虑问题之一。
在目前的这类产品设计中，太阳能供电已经成为了其普及的配备功能。光伏供电系统作为这些仪器设备最重要、甚至唯一的供电来源，其稳定性和寿命直接决定了仪器设备能否长期可靠工作。澳门人巴黎人1797推出了适用于光伏供电系统的模块产品，给光伏供电装上了 “智慧大脑”，部署高品质的光伏供电方案将变得易如反掌。
光伏供电的设计难点
光伏供电是一个完整的电路系统，包括太阳能电池板、蓄电池、管理器等部分，如下图 (图1) 所示。其中管理器是决定系统运行高效稳定的核心，它负责全程控制太阳能电池板的能量出口，以及对蓄电池进行充电放电监控。对于比较考究的光伏供电管理器，这个控制过程需要结合负载情况进行动态调节，从而达到提高系统能量利用效率的目的。
光伏供电系统虽然结构简单，但每个部件的运行控制都有技术难点。对于太阳能光伏板，其主要成分是特殊处理的单晶或多晶硅，对于光伏板的输出伏安特性曲线，其输出功率与光照强度直接相关，且具有一个最大值，因此它并非是单一的恒压源或恒流源。当光照强度足够时，其输出电流的增大基本不影响电压幅值；当光照较弱时，其输出电流的变化会显著影响输出电压。
下图 (图2) 是某型号 150W 光伏板的伏安曲线，四条曲线是不同光照强度下的伏安曲线，从电压乘以电流的功率来看，曲线的转折点是功率峰值，当光伏板工作在此点位时，太阳能的利用效率是最高的。随着光照强度变化，功率峰值点会发生偏移，这就要求管理器能够判定并主动调节到这个工作点位，这个技术被称为最大功率点跟踪 (MPPT)。
对于蓄电池部分，目前在室外长期部署的仪器设备中，仍然以铅酸免维护蓄电池为主。由于电化学特性的原因，铅酸蓄电池的充电过程需要有规律地进行控制，才能够尽量延长其使用寿命。
如下图 (图3) 所示，为常见的铅酸蓄电池 “三段式” 充电控制曲线。当电池剩余电量很低时，先进行恒定电流充电，此时电池电压稳固上升；当到达规定电压后，进行恒定电压充电，此时电池的充电电流会不断下降，直到电流降至0.01倍的最大充电电流值时 (0.01C)，会进入充电倒计时阶段；低于 0.01C 的充电持续时间一般是被限定的，倒计时时间到达后会转入恒压浮充阶段。
以上整个控制过程都由管理器来完成，若电池是从该曲线的中间某状态开始充电，管理器也应准确判断并执行。目前行业内也有使用锂离子聚合物电池、磷酸铁锂电池等类型的蓄电池，这些电池也拥有各自的特性充电控制曲线。
智慧大脑简化设计
由前文的技术分析，可以看出光伏供电系统中管理器的重要性。一款优质的光伏供电管理器能够显著提高系统能量利用效率和持续使用寿命。为此，澳门人巴黎人1797推出了具备高集成性与智能化的管理器模块方案，为光伏供电系统提供了 “智慧大脑”。该模块型号为 MCUM4162-SLR，其具有如下功能特点：
- 兼容最高 36V 太阳能电池板
- 支持最高 33.6V 的蓄电池
- 最大充电电流 3.2A，充电效率 95% 以上
- 自动切换负载供电来源 (光伏板或蓄电池)
- 支持 MPPT 提高太阳能光效
- 电池健康分析预警功能
- 系统运行状态与异常报警的可视化输出
为方便产品功能展示和用户快速上手使用，我们设计了光伏供电系统演示板，如下图 (图4、图5) 所示，为其铅酸蓄电池版本的结构框图与实物图。其中核心功能模块 MCUM4162-SLR 是光伏供电系统中的管理器，由于其高度集成性的特点，外设几乎可以直接连接该管理器模块。
下图 (图5) 所示的演示板配备了组态显示屏，由功能模块上的 MCU 控制其显示内容。在该演示板中，显示屏能展示光伏板的输出电压电流，蓄电池的实时电压电流，输出至负载电压，电池阻抗、板上温度，以及各种工作状态与报警信息等。全面的输出信息帮助我们掌握光伏供电系统各部分的工作状态，监测其稳定性、电能效率和寿命情况等。
实操设计注意事项
上图 (图4) 所示的光伏供电演示板结构图，用户可以直接进行参考设计，其中有几处设计细节需要注意。在光伏板的接入处，增加了对地的 150uF 电容与 2.5 欧姆电阻的串联电路，这主要是用于对光伏板进行阻抗匹配，充分发挥管理器模块的 MPPT 功能。
在前文提到的光伏板输出伏安曲线中，可以分为前段恒流和后端恒压两部分，恒压阶段的光伏板表现出低阻抗，而恒流阶段表现高阻抗，这会导致管理器模块的输入阻抗环路不稳定，通过阻容串联的电路的补偿，可以稳定阻抗。
对于配套的显示屏幕，用户也可以使用 MCU 或其他终端形式替代，MCUM4162-SLR 模块的信息输出采用的是 TTL 串口形式。本演示板中使用的是 HMI 串口显示屏，其内置了显示控制单元，用户在进行系统设计时也需要考虑显示控制功能，因为 MCUM4162-SLR 模块上的板载 MCU 是专用于光伏控制，只能输出模块工作参数信息。显示屏的供电是取自光伏供电系统的负载端，通过 DC-DC 降压，并串联了开关以适时关闭屏幕节省电能。
此外，该模块集成了自动路径管理功能。如上图 (图6) 所示，太阳能光伏板能够在蓄电池充电的同时，给负载进行供电，因此可以理解为，负载能源是优先来源于光伏板，这样做可以避免蓄电池 “边充边放” 的情况，延长电池使用寿命；当光伏板不足以支撑充电要求功率时，管理器会将负载自动切换至蓄电池供电路径。对于切换的时机，管理器需要综合考虑负载需求电流、光伏板输出的电压电流、以及充电最低启动门限等，这是一个动态而综合的决策过程。
户外真实运行评测
本文针对此光伏供电演示板进行了性能测试，并模拟了多种实际工况。下图 (图7) 所示为系统实物搭建现场图，光伏板采用 150W 多晶板、12V9Ah 铅酸电池，负载端接入了电子负载设备，并设置为恒流 1A 模式。
在评测过程中，主要还原了三种工作场景：分别是光伏板的足光照射、弱光照射、无光照射。如下图 (图8) 所示，分别为这三种工况的实测效果和参数，以及相应的电能路径分析，我们可以观察出：
- 在足光照射工况下，光伏板的输出首先满足了电子负载 1A 的供电，并且蓄电池充电功率也达到最大。在此场景下，可以计算得出系统的充电效率达到了 95%，而负载端电压的衰减也仅为 0.01V，这得益于路径管理技术基于理想二极管方案。
- 在弱光照射工况下，光伏板功率下降至 20W，管理器模块判定其能够满足充电门限，因此其输出依然优先满足电子负载，剩余电能则用于给蓄电池充电。
- 在无光照射工况下，光伏板电压跌至充电门限电压以下，管理器将光伏板接入通道断开，切换路径成蓄电池反向放电至电子负载。
这三种工况在实际应用中有可能是反复切换的，例如有云层短暂遮挡阳光，如果管理器在临界状态下反复切换，负载端的供电电压会频繁跳跃，因此管理器自带了判定窗口期，只有当光伏板输出特性稳定后，才会进行控制路径决策。
对于更高级的应用，模块还支持同步真实世界时间轴，将日出日落时间等因素用于辅助光伏供电控制过程的判定，这样可以让光伏系统在长期运行中保持更高的能量转换效率和电池使用寿命。该模块对电池寿命的有益影响需要进行长期性横向对比测试，因此会持续进行户外评测试验，大家可以关注后续试验进展的相关文章。
总结
本文介绍了 MCUM4162-SLR 光伏供电系统管理器模块，设计了光伏供电演示板，从工作原理、功能参数、多工况测试等方面进行讲解。本模块具备高集成度、智能化强、使用便捷的特点，特别适合用户设计户外供电的仪器设备。该模块还可以自动管理光伏板的能量分配路径、控制电池充电，并支持 MPPT。
采用本方案的光伏供电系统的能量转换效率高、电池使用寿命长，并且能实时监测到系统各部位的运行状态和异常报警。如需对接具体产品或了解更多技术细节、使用方法及相关方案，请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更详细的技术解答。
参考资料