本實(shí)用新型涉及可穿戴式電子設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種嵌入式可穿戴太陽能供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，人們隨身攜帶的各種移動(dòng)電子設(shè)備逐漸成為人們生活中重要的一部分。近幾年，穿戴式計(jì)算技術(shù)正在飛速發(fā)展并逐漸趨于成熟，隨著谷歌、蘋果和微軟掀起的穿戴式計(jì)算風(fēng)潮，穿戴式計(jì)算業(yè)務(wù)正在走出其最初的新奇、試驗(yàn)階段。同時(shí)，用于健身監(jiān)測(cè)以及老年人健康監(jiān)測(cè)的無線穿戴式傳感器也在飛快地普及。這些設(shè)備的出現(xiàn)和飛速發(fā)展也對(duì)其能量供應(yīng)提出了更高的要求。目前這些設(shè)備大多采用電池供電。然而電池電能存儲(chǔ)容量有限，當(dāng)電池電量耗盡，設(shè)備也就無法使用，給人們的生活和工作帶來不便。

太陽能發(fā)電一種通過將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)換原理是太陽能電池的光伏效應(yīng)。太陽能是一種綠色可再生能源，它具有清潔、環(huán)保、安全、分布廣、能量大等特點(diǎn)。在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中，太陽能發(fā)電將成為人類社會(huì)未來能源的基石，世界能源舞臺(tái)的主角。太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了眾多國(guó)家和政府的大力扶持，太陽能發(fā)電技術(shù)研究的力度也在不斷增強(qiáng)。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)成為發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。

目前幾乎各種類型的太陽能電池都在不同程度上實(shí)現(xiàn)了柔性化，比如說非晶硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池、纖維柔性太陽能電池、聚合物有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池以及無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池等等。世界上從事柔性襯底非晶硅太陽電池研制生產(chǎn)的主要國(guó)家是日本和美國(guó)，主要單位有美國(guó)的UnitedSolar、 ECD、USSC公司，歐洲的VHF-technologies公司，日本的Sharp、Sanyo、TDK、富士電子系統(tǒng)等公司。我國(guó)上海太陽能工程技術(shù)研究中心目前擁有整套的柔性非晶薄膜電池研制線，研究的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池效率達(dá)到了10％。而我國(guó)在這方面的研究出現(xiàn)得比較晚，比如哈爾濱的Chrona公司、南開大學(xué)等，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而距離國(guó)際水平仍然相去甚遠(yuǎn)，近期的研究達(dá)到了功率質(zhì)量比為341W/Kg。我國(guó)上海太陽能工程技術(shù)研究中心目前已經(jīng)建成銅銦硒薄膜太陽電池研發(fā)平臺(tái)，具備開展銅銦硒薄膜太陽電池的研發(fā)能力?；谏鲜霰尘?，重點(diǎn)研究以柔性太陽能電池作為能量轉(zhuǎn)換源的穿戴式太陽能供電系統(tǒng)具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中可穿戴太陽能充電系統(tǒng)功能單一，無法檢測(cè)最大功率點(diǎn)，且無法調(diào)節(jié)充電模式的缺陷，提供一種嵌入式可穿戴太陽能供電系統(tǒng)。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型提供一種嵌入式可穿戴太陽能供電系統(tǒng)，包括太陽能電池模塊、儲(chǔ)能模塊以及控制器；其中：

太陽能電池模塊，與控制器相連，該模塊為柔性太陽能電池陣列，包括多片通過導(dǎo)線連接的柔性太陽能電池組件；

儲(chǔ)能模塊，與控制器相連，該模塊由多個(gè)超級(jí)電容組成；

控制器，與太陽能電池模塊、儲(chǔ)能模塊以及負(fù)載均相連；控制器包括電路保護(hù)模塊、DC/DC電路、MPPC模塊、穩(wěn)壓電路、采樣與調(diào)理模塊、微控制器、串口模塊以及驅(qū)動(dòng)電路；電路保護(hù)模塊與太陽能電池模塊連接，DC/DC 電路接在電路保護(hù)模塊與穩(wěn)壓電路之間，并與儲(chǔ)能模塊相連；MPPC模塊與 DC/DC電路并聯(lián)，作為DC/DC電路的備用通路；穩(wěn)壓電路接在負(fù)載與DC/DC 電路之間；采樣與調(diào)理模塊接在電路保護(hù)模塊與微控制器之間；串口模塊與微控制器連接；驅(qū)動(dòng)電路接在微控制器與DC/DC電路之間。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的太陽能電池模塊為可穿戴式的獨(dú)立包裝，太陽能電池模塊兩側(cè)設(shè)置有塑料扣，背面設(shè)置有均勻分布的粘扣，通過塑料扣和粘扣將太陽能電池模塊粘附固定在服裝上，且太陽能電池模塊上覆蓋有透明的防水薄膜。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的太陽能電池模塊采用8片柔性太陽能電池，分別在衣服胸前布置4片，在衣服背面布置4片。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的儲(chǔ)能模塊包括四個(gè)2.7V、2200F的超級(jí)電容器，超級(jí)電容為柔性固態(tài)超級(jí)電容，四個(gè)超級(jí)電容器單體通過兩串兩并的方式進(jìn)行組合，組合后超級(jí)電容器模組的總電壓為5.4V、總電容值為2200F。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的電路保護(hù)模塊上并聯(lián)有一個(gè)用于保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌高壓損害的瞬態(tài)電壓抑制器。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的控制器中的DC/DC電路選用Sepic電路；DC/DC 電路中MOSFET選用Si4136DY型N溝道MOSFET，同時(shí)使用TPS2829型同向高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)微控制器對(duì)MOSFET的控制。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型的控制器中的MPPC模塊使用高性能同步升壓型芯片LTC3105，MPPC模塊的設(shè)定電壓取4V，當(dāng)系統(tǒng)最大功率值長(zhǎng)時(shí)間低于 4.3V時(shí)啟動(dòng)MPPC模塊，而當(dāng)總功率大于0.1W時(shí)恢復(fù)為DC/DC電路。

本實(shí)用新型產(chǎn)生的有益效果是：本實(shí)用新型的嵌入式可穿戴太陽能供電系統(tǒng)，解決了移動(dòng)電子設(shè)備以及穿戴式設(shè)備的充電問題，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的隨身充電以及戶外長(zhǎng)時(shí)間使用，該系統(tǒng)采用DC/DC變換器進(jìn)行電壓變換，使太陽能電池工作在最大輸出功率點(diǎn)；同時(shí)使用MPPC模塊作為備用通路，在太陽能電池輸出較低時(shí)，通過此模塊為超級(jí)電容器充電，同時(shí)使單片機(jī)進(jìn)入休眠；本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、工作壽命長(zhǎng)，功率密度大、節(jié)能高效的特點(diǎn)。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是系統(tǒng)整體框圖；

圖2是系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3是系統(tǒng)Sepic電路原理圖；

圖4是系統(tǒng)MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路圖；

圖5是太陽能電池電壓比較電路圖；

圖6是太陽能電池電流比較電路圖；

圖7是MPPC模塊電路圖；

圖8是超級(jí)電容均壓電路。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的嵌入式可穿戴太陽能供電系統(tǒng)，包括太陽能電池模塊、儲(chǔ)能模塊以及控制器；其中：

太陽能電池模塊，與控制器相連，該模塊為柔性太陽能電池陣列，包括多片通過導(dǎo)線連接的柔性太陽能電池組件；

儲(chǔ)能模塊，與控制器相連，該模塊由多個(gè)超級(jí)電容組成；

控制器，與太陽能電池模塊、儲(chǔ)能模塊以及負(fù)載均相連；控制器包括電路保護(hù)模塊、DC/DC電路、MPPC模塊、穩(wěn)壓電路、采樣與調(diào)理模塊、微控制器、串口模塊以及驅(qū)動(dòng)電路；電路保護(hù)模塊與太陽能電池模塊連接，DC/DC 電路接在電路保護(hù)模塊與穩(wěn)壓電路之間，并與儲(chǔ)能模塊相連；MPPC模塊與 DC/DC電路并聯(lián)，作為DC/DC電路的備用通路；穩(wěn)壓電路接在負(fù)載與DC/DC 電路之間；采樣與調(diào)理模塊接在電路保護(hù)模塊與微控制器之間；串口模塊與微控制器連接；驅(qū)動(dòng)電路接在微控制器與DC/DC電路之間。

太陽能電池模塊是獨(dú)立包裝，不與衣服直接固定連接，當(dāng)需要使用的時(shí)候，可以通過太陽能電池模塊兩側(cè)的塑料扣及背面分布均勻的粘扣將其粘附固定在服裝上；為防水防潮，該太陽能電池模塊上覆蓋有一層透明的防水薄膜；所述太陽能電池模塊選用8片大連先端XD0.85型號(hào)的柔性太陽能電池，分別在衣服胸前布置4片、在衣服背面布置4片。

儲(chǔ)能模塊選用四個(gè)2.7V、2200F的超級(jí)電容器，超級(jí)電容優(yōu)選柔性固態(tài)超級(jí)電容，四個(gè)超級(jí)電容器單體通過兩串兩并的方式進(jìn)行組合，組合后超級(jí)電容器模組的總電壓為5.4V、總電容值為2200F；為保證超級(jí)電容的能量均衡，采用限幅型均壓方法，通過一個(gè)具有穩(wěn)壓管反向擊穿特性的電路來代替穩(wěn)壓管與每個(gè)超級(jí)電容器并聯(lián)，由于不使用穩(wěn)壓管，因此克服了傳統(tǒng)穩(wěn)壓管均壓法穩(wěn)壓值隨溫度變化而變化的缺點(diǎn)。

控制器包括電路保護(hù)模塊、DC/DC電路、MPPC模塊、穩(wěn)壓電路、采樣與調(diào)理模塊、微控制器、串口模塊以及驅(qū)動(dòng)電路；電路保護(hù)模塊與太陽能電池模塊連接，在太陽能電池接入端，并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器，保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌高壓的損害；DC/DC電路接在電路保護(hù)模塊與穩(wěn)壓電路之間，并與儲(chǔ)能模塊相連，用于電壓變換，使得太陽能電池工作在最大輸出功率點(diǎn)；MPPC模塊與DC/DC電路并聯(lián)，用作DC/DC電路的備用通路，在太陽能電池輸出較低時(shí)，通過此模塊為超級(jí)電容器充電，同時(shí)使單片機(jī)進(jìn)入休眠；穩(wěn)壓電路接在負(fù)載與DC/DC電路之；采樣與調(diào)理模塊接在電路保護(hù)模塊與微控制器之間，將系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為符合單片機(jī)ADC端口規(guī)范的電壓值，以供系統(tǒng)軟件控制所用；微控制器選用MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)；串口模塊與微控制器連接，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路接在微控制器與DC/DC電路之間，用于驅(qū)動(dòng)DC/DC電路工作。

控制器中的DC/DC電路選用Sepic電路，用來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，以提高柔性太陽能電池的輸出功率；其中，DC/DC電路中MOSFET選用 Si4136DY型N溝道MOSFET，同時(shí)使用TPS2829型同向高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)MOSFET的控制；Sepic電路既可升壓也可降壓，其輸出電壓和與輸入電壓極性相同。其輸出電壓的大小由可控開關(guān)的占空比來控制； MOSFET開關(guān)頻率的選擇需要考慮到開關(guān)損耗、電感尺寸和電感損失幾方面的因素，開關(guān)頻率越高，電感尺寸就較小。然而，MOSFET的開關(guān)損耗以及電感中磁芯損耗又與工作頻率成正比。在本電路中選擇20kHz作為MOSFET 的開關(guān)頻率。

控制器中的MPPC模塊使用高性能同步升壓型芯片LTC3105，通過減小其輸出的電流來防止太陽能電池電壓驟降，以達(dá)到提高輸出功率的作用，MPPC模塊的設(shè)定電壓取4V，當(dāng)系統(tǒng)最大功率值長(zhǎng)時(shí)間低于4.3V時(shí)啟動(dòng) MPPC模塊，而當(dāng)總功率大于0.1W時(shí)恢復(fù)為DC/DC電路。

MSP430F149內(nèi)部集成有自帶采樣保持器的8通道12位AD轉(zhuǎn)換器，且足以滿足系統(tǒng)的采集功能以及采集分辨率的要求，因而可以直接利用單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換功能采集模擬信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器采用的參考電壓選用MSP430F149 內(nèi)置2.5V參考電壓，因此對(duì)于需要采集的模擬信號(hào)，可先進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，使其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的范圍，即0～2.5V。在外部給定信號(hào)采集到 MSP430F149之前，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)處理。信號(hào)調(diào)理主要采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的LPV324M芯片，它是一款低電壓、低功耗、軌至軌輸出的精密運(yùn)算放大器，能在2.7～5V下工作。系統(tǒng)采用3.3V為其供電，供應(yīng)電流28uA，功耗很小。總共需要檢測(cè)3個(gè)模擬量：太陽能電池的電壓和電流，用來進(jìn)行 MPPT控制；超級(jí)電容器的端電壓，用來控制超級(jí)電容器的充電，防止過充。

在本實(shí)用新型的另一個(gè)具體實(shí)施例中：首先對(duì)太陽能供電系統(tǒng)采用穿戴式設(shè)計(jì)，其核心是在服裝上布置多片柔性太陽能電池，使系統(tǒng)不僅能收集到足夠的能量，又不影響人體活動(dòng)。為便于穿戴，儲(chǔ)能元件可選用柔性超級(jí)電容器。然后進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以MSP430F149為主控制器，控制器包括 DC/DC電路、信號(hào)采集與調(diào)理模塊、MPPC模塊、電源模塊、USB通訊模塊、串口模塊、電路保護(hù)模塊等。由于系統(tǒng)電壓較低，且DC/DC電路需具備升降壓功能，選擇采用Sepic型電路。

圖1是系統(tǒng)整體框圖，穿戴式太陽能供電系統(tǒng)屬于能量收集系統(tǒng)，運(yùn)用太陽能電池收集太陽能，并將多余的能量進(jìn)行存儲(chǔ)。本系統(tǒng)包括三部分：太陽能電池模塊、儲(chǔ)能模塊以及控制器。柔性太陽能電池是系統(tǒng)的核心部件，穿戴式太陽能供電系統(tǒng)通過柔性太陽能電池收集自然界中的太陽能，再將其轉(zhuǎn)化為電能。將多片柔性太陽能電池組件通過導(dǎo)線連接，組成柔性太陽能電池陣列，連接至控制器上，在有光照的條件下可以隨時(shí)將自然界中的太陽能轉(zhuǎn)換為電能?？刂破髯鳛橹行目刂葡到y(tǒng)，對(duì)太陽能供電系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)負(fù)載所需能量少于柔性太陽能電池提供的能量時(shí)，柔性太陽能電池在給負(fù)載供應(yīng)能量的時(shí)候同時(shí)給儲(chǔ)能元件充電；而當(dāng)柔性太陽能電池提供的能量不足以滿足負(fù)載所需時(shí)，儲(chǔ)能元件與柔性太陽能電池同時(shí)給負(fù)載供電?？刂破髦羞€包括一個(gè)DC/DC電路，用來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，以提高柔性太陽能電池的輸出功率。由于該穿戴時(shí)系統(tǒng)屬于小功率系統(tǒng)，并不能獲得很大的能量，而作為負(fù)載的設(shè)備也往往是人隨身攜帶的功率較小的設(shè)備。因此將負(fù)載設(shè)定為接口為5V的移動(dòng)電子設(shè)備，未接負(fù)載時(shí)，柔性太陽能電池收集的能量全部通過儲(chǔ)能元件進(jìn)行保存，在接通 5V負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)為負(fù)載充電。

圖2是系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖，控制器主要模塊功能如下：

(1)DC/DC電路：進(jìn)行電壓變換，使太陽能電池工作在最大輸出功率點(diǎn)。

(2)MPPC模塊：作為DC/DC電路的備用通路，在太陽能電池輸出較低時(shí)，通過此模塊為超級(jí)電容器充電，同時(shí)使單片機(jī)進(jìn)入休眠。

(3)信號(hào)采樣與調(diào)理模塊：將系統(tǒng)中主要參數(shù)轉(zhuǎn)換為符合單片機(jī)ADC端口規(guī)范的電壓值，以供系統(tǒng)軟件控制所用。

(4)微控制器：系統(tǒng)的主要控制芯片，內(nèi)部寫控制軟件，配合外圍的相關(guān)電路完成各種主要控制功能，如MPPT的控制、參數(shù)采集和各條通路的開通與關(guān)斷功能的實(shí)現(xiàn)等。

(5)串口模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。

圖3是系統(tǒng)Sepic電路原理圖，Sepic電路既可升壓也可降壓，其輸出電壓和與輸入電壓極性相同。其輸出電壓的大小由可控開關(guān)的占空比來控制。電路包括以下元件：以MOSFET作為可控開關(guān)Q，電感L1、L2，二極管D，儲(chǔ)能電容C1和濾波電容C2。

圖4是系統(tǒng)MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路圖，作為在控制電路中Sepic型DC/DC 電路中的開關(guān)元件，MOSFET的選取十分重要。作為低端驅(qū)動(dòng)，選擇N溝道的MOSFET。根據(jù)計(jì)算其峰值電壓為輸入電壓和輸出電壓之和，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中即為8V+5V＝13V，這里選用最大漏源電壓VDS達(dá)到20V的；由于S極接地，G極為PWM信號(hào)端，這里選用最大柵源電壓VGS達(dá)到8V，柵源臨界電壓VGS(th)低于2.5V的；在以上條件都滿足要求時(shí)，優(yōu)先選擇導(dǎo)通漏源電阻RDS(on)小的。經(jīng)過綜合考慮選擇威世半導(dǎo)體(Vishay)生產(chǎn)的型號(hào)為 Si4136DY的MOSFET。

系統(tǒng)中使用的MSP430F149單片機(jī)內(nèi)置有PWM發(fā)生器，可以根據(jù)系統(tǒng)需求輸出一定占空比的PWM信號(hào)，這個(gè)PWM信號(hào)用來控制MOSFET的開通與關(guān)斷，但是由于單片機(jī)輸出功率的不足，需要使用驅(qū)動(dòng)芯片增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。這里選用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TPS2829同向高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)MOSFET的控制。

在分析調(diào)研了各種類型的微控制器后，選擇了美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的 MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)作為系統(tǒng)控制電路中的微控制器芯片。 MSP430系列單片機(jī)具有功耗特別低、處理能力強(qiáng)大、模擬技術(shù)性能高及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定以及方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。MSP430系列單片機(jī)型號(hào)眾多，系統(tǒng)選擇型號(hào)為MSP430F149的單片機(jī)作為微控制器。

MSP430F149內(nèi)部集成有自帶采樣保持器的8通道12位AD轉(zhuǎn)換器，且足以滿足系統(tǒng)的采集功能以及采集分辨率的要求，因而可以直接利用單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換功能采集模擬信號(hào)。這里AD轉(zhuǎn)換器采用的參考電壓選用 MSP430F149內(nèi)置2.5V參考電壓，因此對(duì)于需要采集的模擬信號(hào)，可先進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，使其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的范圍，即0～2.5V。設(shè)計(jì)時(shí)，在外部給定信號(hào)采集到MSP430F149之前，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)處理。信號(hào)調(diào)理主要采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的LPV324M芯片，它是一款低電壓、低功耗、軌至軌輸出的精密運(yùn)算放大器，能在2.7～5V下工作。本文采用3.3V為其供電，供應(yīng)電流28uA，功耗很小?？偣残枰獧z測(cè)3個(gè)模擬量：太陽能電池的電壓和電流，用來進(jìn)行MPPT控制；超級(jí)電容器的端電壓，用來控制超級(jí)電容器的充電，防止過充。對(duì)于負(fù)載的電流，只需通過采集轉(zhuǎn)換為電壓量后通過電壓比較器來進(jìn)行比較，而不需知道精確的負(fù)載電流值，這樣就能確定負(fù)載電流是否過流，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的保護(hù)。

太陽能電池電壓的采集采用分壓法，電壓采樣值經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算放大器 LPV324M構(gòu)成的乘法電路對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整，并且增強(qiáng)信號(hào)，然后再經(jīng)過一個(gè)同樣由運(yùn)算放大器LPV324M構(gòu)成的二階低通濾波電路。

電流也同樣有一個(gè)經(jīng)過比較器產(chǎn)生的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)用來指示單片機(jī)從 MPPC模塊工作轉(zhuǎn)向DC/DC電路工作。采集超級(jí)電容器的電壓采用與太陽能電池電壓相同的方法，先使用電阻分壓，再通過運(yùn)算放大器放大電壓倍數(shù)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，之后通過一個(gè)二階濾波電路。超級(jí)電容電壓采集電路還有一個(gè)電壓比較電路，將分壓后的電壓值與3.3V經(jīng)過分壓之后的電壓值進(jìn)行比較，得到的電壓值直接輸入單片機(jī)的I/O口，用來指示超級(jí)電容是否過壓，這樣的信號(hào)更為準(zhǔn)確直接。當(dāng)超級(jí)電容器過壓時(shí)，單片機(jī)能夠迅速而準(zhǔn)確地感知，并在第一時(shí)間作出反應(yīng)，控制超級(jí)電容器充電電路關(guān)斷，防止超級(jí)電容器過壓損壞。圖5、圖6分別為太陽能電池電壓比較電路圖和太陽能電池電流比較電路圖。

圖7是MPPC模塊電路圖。由于Sepic電路特點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)一直處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流將無法通過DC/DC電路，這時(shí)就需要一條與DC/DC并聯(lián)的電路。當(dāng)太陽能電池的輸出功率較低時(shí)，MOSFET關(guān)斷，整個(gè)DC/DC電路不導(dǎo)通，太陽能電池輸出的電流通過另一條并聯(lián)通路送往儲(chǔ)能元件中。系統(tǒng)選擇采用一個(gè)專用的DC/DC升壓芯片來解決這一問題。當(dāng)太陽能電池輸出功率長(zhǎng)時(shí)間處于較低水平時(shí)，電流通過這個(gè)芯片送至儲(chǔ)能元件中，作為DC/DC電路的備用通路。對(duì)于該DC/DC升壓芯片，選用凌力爾特公司于2010年推出的高性能同步升壓型芯片LTC3105，它能以250mV啟動(dòng)，且能在輸入電壓低至225mV的時(shí)候工作，最高工作電壓可達(dá)5V，芯片還具備輸出斷接功能，并允許輸出電壓高于或低于輸入電壓。這個(gè)芯片還有一個(gè)突出的特點(diǎn)，即具有最大功率點(diǎn)控制(MPPC)功能。

圖8是超級(jí)電容均壓電路，為保證接入超級(jí)電容的能量均衡，防止電容單體的過充或過放電，需要進(jìn)行均壓處理。由于本系統(tǒng)屬于小功率系統(tǒng)，因此采用限幅型均壓方法。使用一個(gè)類似于穩(wěn)壓管均壓法的方法來實(shí)現(xiàn)均壓，通過一個(gè)具有穩(wěn)壓管反向擊穿特性的電路來代替穩(wěn)壓管與每個(gè)超級(jí)電容器并聯(lián)，由于不使用穩(wěn)壓管因此克服了穩(wěn)壓管均壓法穩(wěn)壓值會(huì)隨溫度變化而變化因而造成穩(wěn)壓精度過低的缺點(diǎn)。

其中U1為L(zhǎng)T431芯片，它是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。這里用它來代替穩(wěn)壓二極管。U1的R端的電壓值為超級(jí)電容器兩端電壓Uc經(jīng)過R5、R6的分壓值，通過改變R5、R6的阻值就可以調(diào)節(jié)整個(gè)電路的穩(wěn)壓值。根據(jù)LT431芯片的特性，當(dāng)U1的R端的電壓值低于2.5V時(shí)， U1的K端相當(dāng)于開路，在R7上就不產(chǎn)生附加壓降。此時(shí)Q2的基極電壓過低， Q2將不會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)整個(gè)電路處于高阻狀態(tài)。而當(dāng)U1的R端的電壓值高于 2.5V時(shí)，U1的K端電壓下降，從而使Q2導(dǎo)通，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)Q1導(dǎo)通，電流將會(huì)從R1上流過。即整個(gè)電路在R5、R6分壓值小于2.5V時(shí)電路處于關(guān)斷狀態(tài)，這時(shí)電路僅有很小的漏電流；而當(dāng)分壓值大于2.5V時(shí)電路的特性相當(dāng)于R1 的電阻特性再加上Q1的飽和壓降，因此流過電路的電流會(huì)隨電壓的增加而迅速增加，從而實(shí)現(xiàn)為超級(jí)電容器分流的作用，使超級(jí)電容器不會(huì)過充，將超級(jí)電容器的電壓限制在穩(wěn)壓值以下。這樣的一個(gè)電路，它的穩(wěn)壓值是穩(wěn)定的，不會(huì)隨著溫度以及其他條件變化，精度較高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在系統(tǒng)中，使用了四個(gè)這樣的電路分別與四個(gè)超級(jí)電容器單體并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)這四個(gè)超級(jí)電容器的均壓。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。