基于树莓派的太阳能充电管理系统_电路方案

一、项目名称

基于树莓派的太阳能充电管理系统

二、项目概述

基于树莓派的太阳能充电管理系统是一款高效、智能的能源管理解决方案，采用CH571F芯片采集光伏板的输入电压和电流，实现MPPT功能，能够显著提高太阳能板的充电效率（最大化光伏板功率输出）。除此之外，该系统还可以精确采集充电电压和电流数据，实现对充电过程的实时监控和优化控制。同时MPPT光伏控制板通过蓝牙将采集到的充电电压、电流等数据发送到树莓派5。树莓派5作为数据处理中心，具备强大的计算能力和丰富的接口资源，能够对数据进行实时处理和分析。通过树莓派5的网络功能，系统将处理后的数据传输至Web服务器，并通过Web界面直观展示给用户。

Web界面设计简洁直观，用户可以实时查看太阳能板的发电功率、充电电压、充电电流等关键参数。

三、BMS的硬件方案详细介绍

在设计太阳能充电管理系统时，首要任务是确保光伏板输出的能量能够高效、稳定地转化为电池中的存储能量。这一过程不仅关乎系统的能量转换效率，更是整个系统运行的核心所在。

我也是第一次接触光伏能源这一块，在查阅了大量的资料后，才知道里面也有不少门道，并不是直接把光伏板的输出接到DCDC模块，然后控制电池充电电压和充电电流就可以了。需要精心设计电路，优化MPPT算法，以精准追踪光伏板的最大功率点，从而在不同光照条件下实现能量的最大化利用。同时，通过智能控制充电电压和电流，确保电池在安全、高效的充电模式下运行，延长其使用寿命，为系统提供可靠的能源储备。这不仅是技术的挑战，更是对能源管理智慧的体现，让每一缕阳光都能转化为可用的电力，为绿色能源的存储与应用奠定坚实基础。

由于个人的应用方向（物联网的光伏储能）和成本考虑，最终我选择了低功率的光伏板和2节18650电池作为实验的硬件之一。

同时，经历了长时间的方案选型、资料查询、开源硬件方案考察后，才成功把MPPT迷你光伏板的电路板设计好了，只可惜时间已经不够了（2月底才发去打样）。

成品的3D预览图如下：

光伏控制板的功能介绍：

3.1 输入部分（防反接和防倒灌、电压电流采样）

首先，很多朋友都遇到过输入接反烧坏设备的情况，输入部分我们得考虑防反接和防倒灌的功能，常见的防反接方案有:二极管、MOS等。

其中单纯的使用二极管防反接，会在二极管上浪费非常多的能量，同时大电流流过二极管会引起发热严重的问题。

最后我采样了树莓派4上的防反接防倒灌电路，即镜像三极管防反接和防倒灌电路，如下图。

工作原理

防反接功能：当输入电压正常接入时，镜像电路中的左侧三极管导通，右侧三极管截止，MOS管的栅极被拉低，从而导通。如果输入电压反接，右侧三极管导通，MOS管的栅极被拉高，MOS管截止，从而阻止电流通过，实现防反接保护。
防倒灌功能：和防反接是一样的，其实只要输入电压低于输出电压，MOS就会关闭。

下图就是我绘制的原理图，电压采集和电流采集使用的是最常见的INA226，高侧采样（光伏板工作电压为19V，符合要求）。由于INA226也是很多人都用过的芯片，这里就不浪费时间说明了。V3.3电压是直接从电池座取电，经过LDO降压后得到的。

3.2 DCDC调压部分
我是个懒人，不想自己去设计数字电源的功能，经过多方资料收集和学习后，知道了DCDC调压的大致3种方案。

1.自己设计数字电源（包括升降压的电路和开关控制）

2.使用成品的DCDC电路调整，通过计算和调整FB点反馈电压，最终实现调压功能

3.使用成品的DCDC方案，将FB电阻更换成数字电位器，实现调压功能

由于我并不具备很强的模电理论知识，运放的反馈计算早就已经还给**了，我选择方案3，使用数字电位器和成品的DCDC方案来实现电压的调整。
这里使用的是TI的TPS54202DDCR作为DCDC方案芯片，它是支持4.5V 至 28V 输入、2A 输出、EMI 友好型同步降压转换器。用来给2节18650电池充电完全足够了。
原理图如下。

3.3 电池充电管理部分

电池充电管理这里就比较简单了，直接用成品的仪表放大器放大高侧采样电阻的电压，然后输出到MCU的ADC 引脚做电压采样即可。例如这里选择的是TI的INA180A1IDBVT，它的最大工作电压是26V，20V/V的固定增益。

充电控制使用两个背靠背的P沟道MOS组成高侧开关，可以有效的控制电池的充电和防倒灌功能。

这里不用INA226主要是想自己试试用MCU的ADC采样，如果精度可以的话，也可以省点钱。

除了控制充电电流外，还需要定期采样电池电压，知道了电池的实时电压，才可以灵活的控制充电流程。由于是电池应用，我们也不是一直采样电池电压，所以在电池电压采集输入和温度采集这部分加上了控制电路，有效的降低了功耗。
电压控制和PMOS开关器件温度采集功能如下图。

3.4 ch571f部分

剩下的就是ch571f的核心外围组件部分，以及LDO供电了。由于2节18650串联的电压已超过6V，我们需要找一款电压输入稍微宽一点的LDO，我经常用的就是友台的HT7133S，最大支持30V电压输入，而ch571的工作电流也是很低的，完全满足需求。

wch的很多芯片都内置了晶振起振电容，ch57x和ch58x也是内置了，所以32MHz晶振就不需要增加起振电容了，但是芯片默认是没打开swd调试的，所以还是建议保留一个boot按键，方便首次上电时，使用USB和ISP工具开启swd调试。其他就没啥了，天线预留两个匹配器件的空位，先随便焊接两个上去调试也行，只有需要做商品和远距离通信时才需要考虑做天线匹配。