电力电子技术Power Electronics 第55卷第2期2021年2月Vol.55, No.2February 2021
邢增强，崔文朋，刘瑞，郑哲
（北京智芯微电子科技有限公司，北京100080）
摘要：此处提出了一种基于超级电容的太阳能电源管理方法，在该设计方法中，将超级电容进行深度放电，充
分利用其储能，同时利用超级电容的充电快、寿命长的特性，最大程度延长蓄电池使用寿命。解决了目前太阳 能电池供电装置寿命短的问题。将上述电源管理方案应用于高压输电线通道监控视频终端中，经过挂网运行
测试，达到设计预期目标，大大减少了蓄电池充放电循环，延长了蓄电池使用寿命，满足实际应用需求。关键词：蓄电池；超级电容；太阳能电池中图分类号:TM912
文献标识码：A 文章编号：1000-100X （2021 ）02-0101-04
Solar Power Management System Based on Super Capacitors
XING Zeng-qiang , CUI Wen-peng , LIU Rui , ZHENG Zhe
(Beijing Smartchip Microelectronics Technology Company Limtited , Beijing 100080, China)
Abstract : A solar power management method based on super capacitors is proposed.In this design method , the super
capacitors are deeply discharged to make full use of their energy storage. At the same time , the use of super capacitors for fast charging and long life characteristics maximize the life of the battery . It solves the problem of short life of the current solar battery power supply device.The power management device is applied to the high -voltage transmission
line channel monitoring video terminal. After the operation test of the network , the design target is achieved , which greatly reduces the battery charge and discharge cycle , extends the battery life , and meets the actual application needs.
Keywords : battery ； super capacitors ; solar battery
Foundation Project : Supported by State Grid Corporation Technology Project (No.5700-201941317A-0-0-00)
1引言
阳能电池板，经过保护电路、充电管理电路直接给 蓄电池充电，蓄电池输出经过电压转换电路直接 供用电负载设备使用。该使用方法有如下不足。目
前常见的蓄电池主要有铅酸蓄电池（寿命约300次）、 三元锂电池（寿命约600-700次）、磷酸铁锂电池
（寿命约1 200次）、猛酸锂电池（寿命约300-400次）、
钛酸锂电池（寿命约1 500次）等。按照每天进行 一次充放电循环计算，蓄电池的寿命在1~3年不 等。常见的太阳能电池板主要有单晶、多晶和薄膜
3种，其寿命均至少在20年左右。造成了蓄电池 与太阳能电池板的寿命严重不匹配，制约了太阳
能供电设备的推广应用。
超级电容是一种介于传统电容器和电池之
间，具有特殊性能的电源，其可以进行数十万次反
基金项目：国家电网公司总部科技项目（5700-201941317A-0-0-00）
定稿日期：2020-06-28
作者简介：邢增强（1981-），男，河北沧州人，硕士，研究方
向为电力智能终端产品开发。
复充电，容值可达数千法拉。循环寿命长、工作温
度范围宽为其最大优点⑴。但其储能容量有限，无 法满足用电设备的长期工作需求，因此没有得到
大范围的使用。
为解决实际应用中的不足，此处提出了一种
将超级电容进行深度放电，充分利用其储能的方
法。同时利用超级电容的超长寿命特性，最大程度
延长蓄电池使用寿命的电源管理方案。
2原理与设计
2.1 方案概述
太阳能电池板经保护电路、充电管理电路后
给蓄电池和超级电容充电。超级电容的输岀连接
升压转换电路的输入端，蓄电池的输出连接降压
转换电路的输入端。同时超级电容输出连接电压
比较器电路（基准电压为超级电容设定的放电截
止电压），电压比较器的输出一是直接连接到超级
电容升压转换电路的使能端，二是通过反相器后
连接至蓄电池降压转换电路的使能端。蓄电池降 压转换电路和超级电容升压转换电路的输出均连 接至负载12-3］。
基于上述设计，一是在太阳能电池板正常工
101
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作时，超级电容电压大于设定的截止电压，升压转 换电路使能端有效，其负载系统均由超级电容提 供电源；二是在太阳能电池板短时间不工作时，利
用超级电容深度放电，充分利用其储能，只要超级 电容电压大于设定的截止电压时便可以保证负载
系统正常工作；三是太阳能电池板长时间不工作
时，超级电容经过深度放电，其电压小于设定的截 止电压，蓄电池降压转换电路使能端有效，负载系
统的电源由蓄电池提供。
这样在日常大部分情况下，由超级电容支持 系统工作，充分利用超级电容长寿命的特性。在少
数长时间阴雨天时，由蓄电池支持系统工作，既充 分利用了蓄电池容量大的特性，又延长了蓄电池 的使用寿命。
2.2 原理框图
根据上述设计方案，其原理框图参考图l o
-保护电路-
-太
阳能电池板一
蓄电池
基准电压超级电容
1—［降压
司列转质电路L
T 相
-电压
li r -
一
EN
TiT 转空議路
图1原理框图
Fig. 1 Functional block diagram
2.3保护电路
保护电路原理图如图2所示，实现对太阳能
电池板18 V 输出进行过流保护、短路保护、正负 极接反保护、防雷击保护。
图2保护电路
Fig. 2 Protection circuit
2.4 蓄电池充电电路
蓄电池充电管理电路使用太阳能充电管理集
成芯片BQ24650，实现太阳能电池板对蓄电池充 电的自动控制和管理。该芯片具有最大功率点追
踪（MPPT ）功能，输入5~28 V 可调。BQ24650对蓄 电池的充电过程主要分3个阶段：预充电、恒流充
电和恒压充电。预充电阶段时间设置30 min，预充 电阶段的充电电流为恒流充电电流的十分之一;
当系统充电电流低于恒流充电电流的十分之一
时，系统自动终止充电；在蓄电池电压小于芯片设 置的门限电压值时，系统自动重启充电周期；如果
太阳能电池板的电压低于蓄电池电压时，系统进
入低功耗休眠模式，其静态电流小于15 jiAZ 。具 体设计电路如图3所示。
Jl-1
D
18 V
阳 能 电 池
N
SR H d A
亠世A
STAT1 SRP 0^14
rp
Hd
MICHH
pdsd
2
g
elvHs
s
T GND （蓄电池）
图3蓄电池充电电路
Fig. 3 Battery charging circuit
设计电路说明如下：①和G 组成RC 滤
波电路，用于消除太阳能电池板带电插拔引起的
瞬间振荡；二极管VD2起反接保护作用，防止反向
电压对后端电路造成损坏；和C2组成RC 滤波 电路，用于消除输入电压的纹波；②太阳能电池板 的输岀功率随着光照强度变化,BQ24650具有
MPPT 功能，采用恒压运算来跟踪太阳能电池板最 大功率点。当光照强度变弱，太阳能电池板输出功
率变小时.BQ24650芯片自动降低充电电流，以保
证恒定的充电电压。BQ24650芯片检测MPPSET
引脚电压，其电压低于1.2 V 时，芯片自动下调充 电电流；假如太阳能电池板不能输出足够功率时,
芯片调节充电电流为零。最大功率点电压可通过 MPPSET 引脚设置，计算公式参考（7时=1.2（1+^/
RJ 。根据太阳能电池板的相关参数，通过调节凡
和设置〃呵=18 V ；③充电使能控制也通过 MPPSET 引脚完成，当芯片检测MPPSET 引脚电压
小于0.075 V 时，禁止充电，当芯片检测MPPSET 引
脚电压大于0.175 V 时，重启充电；④蓄电池充电
电压调节,BQ24650芯片的VFB 引脚设置2.1 V 反 馈电压，支持蓄电池充电电压在2.1-26 V 范围可 调。在进行恒压充电或浮充充电时，其充电电压可
由Rg,Ru,Rw 和V 3组成的电路进行设置。恒压充
电时,BQ24650芯片的STAT2引脚输出高电平，V3
导通，恒压充电电压为:〃b IX=2.1［1+RM （R k //R|4）］。浮 充充电时,BQ24650芯片的STAT2引脚输出低电
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基于超级电容的太阳能电源管理系统
平,V3截止，浮充电压为:〃啊=2.1(1+心/心)。蓄电
池电压为12V，可设置％＜=14.67»,〃邮=13.35V；
⑤充电电流调节，通过BQ24650芯片的SRP和
SRN之间的乩3完成,SRP和SRN之间满量程差分
电压为40mV，其计算公式为:/cHARCE=40mV/Ri3。设
计中选20mil的电阻，即充电电流为2A O
2.5降压转换电路
蓄电池的输岀电压为12V，负载的使用电压
为5V，因此需要使用降压电路进行转换。转换电
路如图4所示。
DC/DC转换芯片选择MPS的MP2303A，宽压输入范围4.7-28V，满足蓄电池输岀12V的输入要求；输出电流为3A，满足后端负载的需求。使能端EN_MP为反相器的输出，保证了在超级电容工作(电压大于截止电压0.6V)时，EN_MP低电压，负载不使用蓄电池供电。
输出电压值根据〃呦=0.8[(阳+乩8〃乩7】=0& [(21kQ+4.02)/4.02kQ]=4.9791V计算，其中乩7和乩8选用1%精度。
COMP端为补偿调节回路，需要串联RC网络从COMP到GND进行回路补偿，根据输出电压计算Z?i6=10kQ,Ci3=3.3nF。
2.6超级电容充电电路
由于太阳能电池板的输出电压为18V，要给超级电容组件进行充电，首先要使用DC/DC降压电路。使输出电压降至5.4V，方可给超级电容组进行充电，其电路见图5。DC/DC转换芯片继续选择MPS的MP2303A，其电压输入范围满足18V的输入标准。在此转换电路主要调整输出为5.4V，计算公式为：t/O vr=0.8[(/?24+/?25+«26)//?24]=0.8[(23kO+ 4.02kU)/4.02kQ]=5.3771V o超级电容组件电压为5.4V时，需使用两个单体2.7V的超级电容进行并联，故在超级电容的充电过程中需进行电压均衡，选择单体电容均压电路进行介绍，见图6O
图6均压电路
Fig.6Voltage equalizing circuit
CJ431为基准电压芯片，用于触发后端电流扩增电路。当超级电容电压超过2.7V时，可以计算得出V4的基极电压t/b=2.4V，则V。的电压U A 大于0.3V,£的发射极和集电极导通。则V6的门极G端电压大于2.7V，功率MOSFET Vs导通，超级电容的充电电压以较大的电流导通。
2.7电压比较器及反相器电路
在设计电压比较电路之前，需先设计基准电压电路，人=0.6V即为超级电容放电截止电压。选择CAT102，输出电压为0.6V，电流为20mA,R5为限流电阻，基准电压电路如图7所示。
5V(STM)0.6V(REF)
V1N OUT-
G6=T,-----------------------.------------G7=T=
---------------------GND FB----------
CAT102
图7基准电压电路
Fig.7Reference voltage circuit
电压比较器正向输入为超级电容电压，反向输入为0.6V基准电压，比较器的输出为EN_TP，用于使能超级电容升压转换电路。EN_TP经过反相器输出EN_MP，用于使能蓄电池降压转换电路。这样就能保证两个供电通路不同时工作，在超级电容组件的电压大于0.6V时，使用超级电容组件进行供电；在超级电容组件的电压小于0.6V 时，使用蓄电池进行供电。电压比较器电路和反向器电路如图8所示。根据EN_TP和EN_MP两个信号的使用状态，对信号进行上、下拉处理。
103
电力电子技术Power Electronics
第55卷第2期2021年2月
Vol.55, No.2February 2021
EN TP
-
-----------
0.6 V(REF)
U12
IOUT VCC
超级电容U+
UN- 2OUT
I1N+ 2IN-4
= LM393
5 V(STM) ^54 EN_TP
GND 2IN+|8 5 V(S TM)
5¾8 5—0
E7
EN TP =6--------L 3
U4
NC VCC
A
GND
Y
5 5 V(STM)
EN MP SN74LVCIG14 -* Ir
莒 5 EN_TP ]
(b)反向器电路
(a)电压比较器电路
图8电压比较器电路和反向器电路
Fig. 8 Voltage comparator circuit and inverter circuit
2.8升压转换电路
升压转换电路主要有两个功能：①在太阳电
池板正常工作时，超级电容的充电电路输出电压
5.4V，导通二极管VD|，直接输出为负载提供电 压;②在太阳能电池板没有输入时，超级电容组进 行放电，电压低于5 V 时，进行升压转换，直至电
压降至放电至截止电压0.6 V，此时均有超级电容 回路提供电压，供负载工作。
升压转换电路如图9所示。
超级电容U+
C24* C25* ；VDs
----«—
U7 31
VIN
SW
-T"
GND VOUT
EN TP
EN
FB TPS61023 —
5 V (超级电容)
监控视频终端中。监控视频终端每5 min 唤醒1次 进行图像抓拍，并对图像进行目标识别，岀现异常 时进行报警处理，整个处理过程15 s 。
该设备的静态功耗10 mW，工作功耗2 W 。每
天工作时间16 h(5 ：00~21：00)，睡眠8h 。
工作时每小时功耗：O.O5x2 W+0.95x0.01 W=
0.109 5 W ；每天功耗：0.109 5 Wxl6 h+0.01 Wx8 h=
1.832 Wh ；按照12 V 电压，转换效率80%，折算电
池容量为：1.832 Ah/12 V/0.8=0.169 6 Ah ；超级电
容组件选择5.4 V/150 F，后接升降压DC/DC 电路 放电截止 0.6 V,Q=150 Fx(5.4 V-0.6 V )=720,1=
<2/7=675/3 600=0.2 Ah o
考虑到超级电容漏电情况，则可得超级电容
组件有效利用的电量为：0.2 Ahx0.9=0.18 Ah o
4结论
根据上述监控视频终端的计算结果以及该设
备在网省公司挂网试点运行的实际效果，超级电
容组件的储能容量可以支撑视频采集终端一天的
工作，因此在太阳能电池板短时间不工作时，系统
可以由超级电容供电，大大降低对蓄电池的使用，
延长了蓄电池的使用寿命。实际的试点效果与方
案设计基本相符。
3
6
图9升压转换电路
Fig. 9 Boost converter circuit
升压转换芯片选用TPS61023，该芯片输入范
围在0.5-5.5 V，满足0.6 V 截止电压的设计要
求。输出电流为3.7 A，满足负载对电流的需求。
电路使能EN_TP 为反相器输出，在超级电容 组件电压大于0.6 V 时,EN_TP 高电平，保证升压 电路处于工作状态。电感乙选择1^H,DCR 电阻
小于15 mQ，直流电阻大于4 A 。输出电压的计算，
参考 J7如〃叔(蘇+耘)/耘]=0.6[( 100 kft+732 kQ)/
100knj=4.992 V,^和皿选择1%的精度。
3 实验
将上述电源管理方案应用于高压输电线通道
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2021第12期“电力电子器件和电力电子系统的可靠性”专辑征文启事
本刊拟将2021年第12期辟为“电力电子器件和电力电子系统的可靠性”专辑，欲投稿的作者请在2021年9月30日 前将论文发送到本刊编揖部(Email ：****************)，并注明“电力电子器件和电力电子系统的可靠性专辑”字样。本刊邀 请西安交通大学雷万钧副教授和江苏宏微科技有限公司姚天保高工作为本专辑的特邀主编，所投论丈将按本刊专辑审稿
程序进行评审，评审结果将于2021年10月30 EI 前通知作者。
截稿日期：2021年9月30日 录用通知发出日期：2021年14月1日
论文刊登预期：2021年第12期(2021年12月20日出版)
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