理解在能量采集系統(tǒng)中的能量流動(dòng)，對于設(shè)計(jì)高效可持續(xù)的物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式應(yīng)用至關(guān)重要。在特定的光照條件下，精確測量光伏電池輸出以及評估存儲效率，對于物聯(lián)網(wǎng)太陽能設(shè)備性能影響顯著。本系列文章將會(huì)逐步解析析如何判斷系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下能否維持凈正能量狀態(tài)。

本文重點(diǎn)聚焦光伏電池評估，介紹如何測量PV電池在不同光照下的發(fā)電能力，以及如何評估從PV電池到存儲系統(tǒng)的能量傳輸效率。

基于Silicon Labs xG22-EK8200A能量采集套件的光伏電池評估

本研究采用了Silicon Labs共計(jì)的xG22-EK8200A能量采集套件進(jìn)行性能評估。該套件包含多個(gè)核心組件，但本文重點(diǎn)關(guān)注以下元件：

Silicon Labs BRD8201A 雙能量采集擴(kuò)展板（基于e-peas AEM13920 電源管理IC）

TPLC-3R8/10MR8X14鋰電容（Tecate 10F 3.8V）

Voltaic Systems P121 R1H戶外型光伏電池

圖1：Silicon Labs 雙能量采集擴(kuò)展板，連接Voltaic Systems光伏電池

精確測量光伏電池性能

如圖2所示：性能評估的測試裝置由兩臺Otii Ace Pro 設(shè)備組成。1臺用于測量光伏電池，另1臺用于評估儲能系統(tǒng)。由于本文僅關(guān)注光伏電池性能，因此只需1臺Otii Ace Pro即可完成主要測量任務(wù)。

圖2：兩臺Otii Ace組成了光伏電池和儲能測量裝置

以下為測量設(shè)置的示意圖：

圖3：基于Silicon Labs xG22-EK8200A能量采集套件的太陽能電池與儲能系統(tǒng)性能測試原理圖

在 BRD8201A 雙能量采集擴(kuò)展板中，SRC2 為光伏電池專用輸入端，用于接收來自直流光源（如戶外 PV 模塊）的能量；而 SRC1 則主要為負(fù)載側(cè)供電（例如振動(dòng)傳感器等交流/脈沖型設(shè)備）。因此，在測試搭建時(shí)，應(yīng)將光伏電池接入 SRC2，以確保其輸出首先經(jīng)過板載 PMIC 進(jìn)行能量管理，再與儲能單元形成完整的采能路徑。詳情參閱該擴(kuò)展板的用戶指南。

接下來采用串聯(lián)方式（安培計(jì)模式）連接Otii Ace Pro ，使測量設(shè)備和DUT（被測設(shè)備）串聯(lián)以測量系統(tǒng)電流。同時(shí)采用4線制連接方式（通過Sense + 和 Sense -）測量電壓。若未采用4線制測量，Otii Ace 僅能測量內(nèi)部電壓降。

在Otii 項(xiàng)目和原理圖中，我們將測量光伏性能的Otii Ace Pro標(biāo)記為Ace_EnergyHarvesting，檢測儲能的設(shè)備標(biāo)記為Ace_Storage。

圖4：Otii的串聯(lián)模式和4線制測量設(shè)置

本研究在標(biāo)準(zhǔn)辦公照明環(huán)境下進(jìn)行評估，測試區(qū)域位于室內(nèi)辦公桌面，光照通過可控?zé)粼催M(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持穩(wěn)定條件。

能量采集性能

該評估方案不僅能深入了解光伏電池的性能表現(xiàn)，更能揭示能量采集PMIC的運(yùn)行特性。

e-peas PMIC對光伏電池能量流的管理行為

本例中，我們考察了在默認(rèn)辦公照明條件下，由e-peas AEM13920 PMIC采集的光伏電池能量輸出。通過監(jiān)測Otii Ace Pro（項(xiàng)目中標(biāo)記為Ace_EnergyHarvester）的電流和電壓數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在測量數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出頻繁的尖峰現(xiàn)象（見圖5）。

圖5：電流和電壓由Voltaic System 光伏電池和基于?e-peas AEM13920 PMIC的Silicon Labs BRD8201A 雙能量擴(kuò)展板進(jìn)行采集

如下圖6所示，更加詳細(xì)的尖峰分析顯示了電源管理集成電路（PMIC）如何采集能量

圖6：聚焦Otii軟件上測量到的、e-peas PMIC 從光伏電池采集能量的行為

每個(gè)工作周期開始時(shí)，PMIC會(huì)短暫斷開光伏電池和負(fù)載之間的連接。在此暫停期間，PMIC測量到光伏電池的開路電壓（OCV）。系統(tǒng)隨后利用該數(shù)值計(jì)算最大功率點(diǎn)（MPP），即能量采集最高效的運(yùn)行電壓。

在大多數(shù)能量采集系統(tǒng)中，開路電壓（OCV）與最大功率點(diǎn)（MPP）之間的比例在不同光照條件下通常保持相對穩(wěn)定，典型范圍約為 0.7–0.8。對于 e-peas AEM13920 PMIC，該比值可在 35% 至 85% 之間配置，默認(rèn)值為 75%，這一設(shè)定使其在低照度下仍能快速鎖定最優(yōu)工作點(diǎn)并最大化能量捕獲效率。在圖6突出顯示的區(qū)間內(nèi)，PMIC捕捉了OCV，然后調(diào)整運(yùn)行電壓使其維持在該測量值的75%，從而確保能量采集性能最佳。

光伏電池在光照下的行為表現(xiàn)

我們在測試時(shí)通過提升光照強(qiáng)度來評估光伏電池的行為特性。隨著光照增強(qiáng)，測量的OCV電壓也同步上升。在OCV測量周期間隙，PMIC持續(xù)工作以維持系統(tǒng)在最佳狀態(tài)。通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載實(shí)現(xiàn)最大化捕獲能量。如圖7所示，該行為在數(shù)據(jù)中體現(xiàn)為更高的能量采集水平。

圖7：不同光照條件下的光伏電池電流和電壓

結(jié)語

本文作為系列文章的第一篇，聚焦于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)太陽能應(yīng)用中的光伏電池評估。我們展示了如何利用 Otii Ace Pro 與 Silicon Labs xG22-EK8200A 能量采集套件，精準(zhǔn)測量光伏組件在不同光照下的性能，并深入分析電源管理集成電路（PMIC）在能量采集過程中的關(guān)鍵作用。

該測試平臺結(jié)構(gòu)簡潔、易于搭建，既能提供高精度測量，又具備良好的可擴(kuò)展性，適合在后續(xù)研究中逐步集成更多采能或儲能組件。每新增待測組件，開發(fā)人員在本設(shè)置基礎(chǔ)上添加1臺Otii 設(shè)備即可構(gòu)建穩(wěn)健靈活的測試系統(tǒng)。后續(xù)文章將聚焦于能量存儲技術(shù)，進(jìn)一步解析如何在動(dòng)態(tài)環(huán)境下保持系統(tǒng)凈能量為正。

關(guān)于Qoitech與Otii解決方案

瑞典Qoitech公司推出的低功耗測量創(chuàng)新方案Otii，以μs微秒級測量精度、便攜式硬件與簡便操作軟件平臺，首次實(shí)現(xiàn)7項(xiàng)核心功能深度集成：可編程電源/高精度數(shù)字萬用表/ 動(dòng)態(tài)電子負(fù)載/ 邏輯分析儀/ 電池性能分析儀/ 多模式電池模擬器/自動(dòng)化電池測試系統(tǒng)

作為電池驅(qū)動(dòng)與能量采集供電領(lǐng)域的能效優(yōu)化專家，Otii已賦能全球3500余家企業(yè)的低功耗設(shè)計(jì)，覆蓋半導(dǎo)體、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能表計(jì)、工業(yè)自動(dòng)化等關(guān)鍵領(lǐng)域?？蛻羧后w既包括世界500強(qiáng)行業(yè)領(lǐng)袖，亦涵蓋高速成長的中小型創(chuàng)新企業(yè)。通過精準(zhǔn)的能耗分析與產(chǎn)品全生命周期測試能力，Otii持續(xù)助力客戶應(yīng)對電子設(shè)備規(guī)?；渴鸨尘跋拢瑢Τ凸脑O(shè)計(jì)與高性價(jià)比能源管理的嚴(yán)苛需求。

審核編輯 黃宇