基于樹莓派的太陽能充電管理系統(tǒng)

一、項目名稱

基于樹莓派的太陽能充電管理系統(tǒng)

二、項目概述

基于樹莓派的太陽能充電管理系統(tǒng)是一款高效、智能的能源管理解決方案，采用CH571F芯片采集光伏板的輸入電壓和電流，實現(xiàn)MPPT功能，能夠顯著提高太陽能板的充電效率（最大化光伏板功率輸出）。除此之外，該系統(tǒng)還可以精確采集充電電壓和電流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對充電過程的實時監(jiān)控和優(yōu)化控制。同時MPPT光伏控制板通過藍(lán)牙將采集到的充電電壓、電流等數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派5。樹莓派5作為數(shù)據(jù)處理中心，具備強大的計算能力和豐富的接口資源，能夠?qū)?shù)據(jù)進行實時處理和分析。通過樹莓派5的網(wǎng)絡(luò)功能，系統(tǒng)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至Web服務(wù)器，并通過Web界面直觀展示給用戶。

Web界面設(shè)計簡潔直觀，用戶可以實時查看太陽能板的發(fā)電功率、充電電壓、充電電流等關(guān)鍵參數(shù)。

三、BMS的硬件方案詳細(xì)介紹

在設(shè)計太陽能充電管理系統(tǒng)時，首要任務(wù)是確保光伏板輸出的能量能夠高效、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為電池中的存儲能量。這一過程不僅關(guān)乎系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，更是整個系統(tǒng)運行的核心所在。

我也是第一次接觸光伏能源這一塊，在查閱了大量的資料后，才知道里面也有不少門道，并不是直接把光伏板的輸出接到DCDC模塊，然后控制電池充電電壓和充電電流就可以了。需要精心設(shè)計電路，優(yōu)化MPPT算法，以精準(zhǔn)追蹤光伏板的最大功率點，從而在不同光照條件下實現(xiàn)能量的最大化利用。同時，通過智能控制充電電壓和電流，確保電池在安全、高效的充電模式下運行，延長其使用壽命，為系統(tǒng)提供可靠的能源儲備。這不僅是技術(shù)的挑戰(zhàn)，更是對能源管理智慧的體現(xiàn)，讓每一縷陽光都能轉(zhuǎn)化為可用的電力，為綠色能源的存儲與應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

由于個人的應(yīng)用方向（物聯(lián)網(wǎng)的光伏儲能）和成本考慮，最終我選擇了低功率的光伏板和2節(jié)18650電池作為實驗的硬件之一。

同時，經(jīng)歷了長時間的方案選型、資料查詢、開源硬件方案考察后，才成功把MPPT迷你光伏板的電路板設(shè)計好了，只可惜時間已經(jīng)不夠了（2月底才發(fā)去打樣）。

成品的3D預(yù)覽圖如下：

光伏控制板的功能介紹：

3.1 輸入部分（防反接和防倒灌、電壓電流采樣）

首先，很多朋友都遇到過輸入接反燒壞設(shè)備的情況，輸入部分我們得考慮防反接和防倒灌的功能，常見的防反接方案有:二極管、MOS等。

其中單純的使用二極管防反接，會在二極管上浪費非常多的能量，同時大電流流過二極管會引起發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

最后我采樣了樹莓派4上的防反接防倒灌電路，即鏡像三極管防反接和防倒灌電路，如下圖。

工作原理

1. 防反接功能：當(dāng)輸入電壓正常接入時，鏡像電路中的左側(cè)三極管導(dǎo)通，右側(cè)三極管截止，MOS管的柵極被拉低，從而導(dǎo)通。如果輸入電壓反接，右側(cè)三極管導(dǎo)通，MOS管的柵極被拉高，MOS管截止，從而阻止電流通過，實現(xiàn)防反接保護。
2. 防倒灌功能：和防反接是一樣的，其實只要輸入電壓低于輸出電壓，MOS就會關(guān)閉。

下圖就是我繪制的原理圖，電壓采集和電流采集使用的是最常見的INA226，高側(cè)采樣（光伏板工作電壓為19V，符合要求）。由于INA226也是很多人都用過的芯片，這里就不浪費時間說明了。V3.3電壓是直接從電池座取電，經(jīng)過LDO降壓后得到的。

3.2 DCDC調(diào)壓部分
我是個懶人，不想自己去設(shè)計數(shù)字電源的功能，經(jīng)過多方資料收集和學(xué)習(xí)后，知道了DCDC調(diào)壓的大致3種方案。

1.自己設(shè)計數(shù)字電源（包括升降壓的電路和開關(guān)控制）

2.使用成品的DCDC電路調(diào)整，通過計算和調(diào)整FB點反饋電壓，最終實現(xiàn)調(diào)壓功能

3.使用成品的DCDC方案，將FB電阻更換成數(shù)字電位器，實現(xiàn)調(diào)壓功能

由于我并不具備很強的模電理論知識，運放的反饋計算早就已經(jīng)還給**了，我選擇方案3，使用數(shù)字電位器和成品的DCDC方案來實現(xiàn)電壓的調(diào)整。
這里使用的是TI的TPS54202DDCR作為DCDC方案芯片，它是支持4.5V 至 28V 輸入、2A 輸出、EMI 友好型同步降壓轉(zhuǎn)換器。用來給2節(jié)18650電池充電完全足夠了。
原理圖如下。

3.3 電池充電管理部分

電池充電管理這里就比較簡單了，直接用成品的儀表放大器放大高側(cè)采樣電阻的電壓，然后輸出到MCU的ADC引腳做電壓采樣即可。例如這里選擇的是TI的INA180A1IDBVT，它的最大工作電壓是26V，20V/V的固定增益。

充電控制使用兩個背靠背的P溝道MOS組成高側(cè)開關(guān)，可以有效的控制電池的充電和防倒灌功能。

這里不用INA226主要是想自己試試用MCU的ADC采樣，如果精度可以的話，也可以省點錢。

除了控制充電電流外，還需要定期采樣電池電壓，知道了電池的實時電壓，才可以靈活的控制充電流程。由于是電池應(yīng)用，我們也不是一直采樣電池電壓，所以在電池電壓采集輸入和溫度采集這部分加上了控制電路，有效的降低了功耗。
電壓控制和PMOS開關(guān)器件溫度采集功能如下圖。

3.4 ch571f部分

剩下的就是ch571f的核心外圍組件部分，以及LDO供電了。由于2節(jié)18650串聯(lián)的電壓已超過6V，我們需要找一款電壓輸入稍微寬一點的LDO，我經(jīng)常用的就是友臺的HT7133S，最大支持30V電壓輸入，而ch571的工作電流也是很低的，完全滿足需求。

wch的很多芯片都內(nèi)置了晶振起振電容，ch57x和ch58x也是內(nèi)置了，所以32MHz晶振就不需要增加起振電容了，但是芯片默認(rèn)是沒打開swd調(diào)試的，所以還是建議保留一個boot按鍵，方便首次上電時，使用USB和ISP工具開啟swd調(diào)試。其他就沒啥了，天線預(yù)留兩個匹配器件的空位，先隨便焊接兩個上去調(diào)試也行，只有需要做商品和遠(yuǎn)距離通信時才需要考慮做天線匹配。

PCB的頂部圖如下，底部沒有元器件就懶得發(fā)了。

3.5 樹莓派主板

樹莓派5負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)處理中心，通過藍(lán)牙收集MPPT主控板的電壓、電流和功率數(shù)據(jù)，并提供web服務(wù)提供UI界面給客戶顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3.6 電池保護板和均衡板

市面上已經(jīng)有又便宜又好用的2、3串18650電池保護和均衡板了，這里我就沒必要自己去設(shè)計相關(guān)的電路，直接用成品的就行。

例如下圖這一款就是帶過沖、過放保護和均衡功能的成品產(chǎn)品，就是產(chǎn)品說明里沒有說是主動均衡（高電量給低電量充電）還是被動均衡功能（高電量放電到和低電量一致）。

四、系統(tǒng)架構(gòu)和界面

系統(tǒng)架構(gòu)如下圖：多個MPPT光伏控制板通過藍(lán)牙數(shù)據(jù)hub向樹莓派5發(fā)送數(shù)據(jù)，由樹莓派5收集和保存數(shù)據(jù)，并提供web app服務(wù)顯示光伏系統(tǒng)的功率和其他有用的信息。

系統(tǒng)面板界面如下圖，使用Vue開發(fā)的web app，由于時間有限，暫時就沒實現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲的功能

設(shè)備詳細(xì)信息面板上可以查看各個光伏充電系統(tǒng)的詳細(xì)信息，例如光伏板充電電壓和電流。電池電壓、電流、電量等等信息。

五、實物圖

由于PCB設(shè)計花了太長時間，目前還未收到PCB進行焊接、測試和開發(fā)，暫時使用3D預(yù)覽圖作為MPPT板子的實物圖

樹莓派5開發(fā)板

光伏板，低功率版本，工作電壓19V，功率20W

六、視頻鏈接

七、項目文檔

見附件文件