(SKU:DFR0580)Solar Power Manager For 12V Lead-Acid Battery 太阳能电源管理模块(12V蓄电池版)

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太阳能电源管理模块(12V蓄电池版)

目录

Solar Power Manager太阳能电源管理系列

简介

DFRobot Solar Power Manager太阳能系列是面向物联网IoT与可再生能源项目，为广大创客与应用工程师提供安全高效的嵌入式太阳能电源管理模组。全系列具有最大功率点跟踪MPPT功能，可在各种光照条件下最大化太阳能收集效率，并具有多种电池与电源保护功能，为各类太阳能项目提供高效可靠的电源管理。

选型指南

产品名称 Solar Power Manager
太阳能电源管理模块 V1.0		 Solar Power Manager 5V
太阳能电源管理模块5V V1.1 		Solar Power Manager Micro
微功率太阳能电源管理模块 V1.0 		Solar Power Manager For 12V Lead-Acid Battery
太阳能电源管理模块（12V铅酸电池版）V1.0 ★
SKU DFR0535 DFR0559 DFR0579 DFR0580
主芯片方案 LTC3652 CN3065 SPV1050 CN3767
光伏输入电压 7V ~ 30V 4.4V ~ 6V 0.5V ~ 4V 15V ~ 25V
电池最大充电电流 2A（太阳能/USB） 900mA（太阳能/USB） 70mA（太阳能）/100mA（USB） 4A（太阳能）
电源拓扑类型 DC-DC降压型 线性降压 DC-DC升压型 DC-DC降压型
电池类型 3.7V锂电池 3.7V锂电池 3.7V锂电池 12V铅酸蓄电池
最大功率点跟踪MPPT 9V/12V/18V可选 5V固定 75%开路电压 18V 固定
电池保护 过流、过冲、过放、防反接 过流、过冲、过放、防反接 过冲、过放、防反接 过冲、过放、防反接
输出保护 短路保护、过流保护、过热保护 短路保护、过流保护 短路保护、过流保护 短路保护、过流保护、过热保护
USB充电输入 有 有 有 无
USB输出 5V 1.5A 5V 1A 无 5V 2.5A X2
稳压输出 三路稳压输出
3.3V 1A；5V 1.5V；9V/12V 0.5A 		单路稳压输出
5V 1A 		单路稳压输出
3.3V 90mA 		双路输出
5V 5A；12V 8A
尺寸 78.0mm×68.0mm 33.0mm×63.0mm 30.0mm×30.0mm 68.0mm×68.0mm
特点 完整的多功能太阳能管理模块

常见场景：小型太阳能路灯，太阳能智能小车
适用于9V/12V/18V 20W以内太阳能板

小巧易用的5V太阳能管理模块

常见场景：太阳能充电宝，太阳能环境监控节点
适用于5V 10W以内太阳能板

面向低功耗传感器与微控制器的微功率太阳能管理模块

常见场景：低功耗无线传感器，蓝牙iBacon
适用于1V/2V/3V 0.5W以内太阳能板

用于12V铅酸蓄电池的中功率太阳能管理模块

常见场景：路灯照明，智能农业，环境监控站
适用于18V 100W以内太阳能板


简介

太阳能电源管理模块(12V蓄电池版)是一款让您可以使用常见的18V太阳能板给12V铅酸蓄电池以最大4A充电的中功率安全高效能太阳能电源管理模块，适用于各类不大于100W的12V照明设备、安防监控、小型机器人、水泵或环境监控站等场景。其具有系列特色的最大功率点跟踪MPPT功能，可最大化太阳能板在各种光照条件下的输出功率，相对于常见的PWM太阳能控制器，可提升充电效能10%-30%，相对小巧的体积也易于嵌入各类12V用电设备中。模块提供双路大功率输出OUT1：5V 5A；OUT2：12V 8A和双路大功率USB输出5V 2.5A×2，（除USB1外）均可使用3.3V或5V单片机I/O引脚对各路输出的通断进行动态控制，满足用户对输出动态开关与降低功耗的需求。此外，模块具有7大电源保护功能，可有效提高电池与系统的安全性与稳定性，为您的创作提供多一分安全保障。

特性

  • 恒定18V电压最大功率点跟踪MPPT，最大化太阳能转换率
  • 适用于常见的18V太阳能板与12V铅酸蓄电池
  • 多路高效率大功率输出，轻松驱动大部分12V或5V大功率设备
  • 7大保护功能，全方位保障电池与电源系统安全
  • 多种状态指示灯，系统状态一目了然


技术规格

  • 太阳能充电管理芯片：CN3767
  • 太阳能板输入电压(SOLAR IN)：15V~25V
  • 电池类型（BAT IN）：12V铅酸蓄电池
  • 充电电流：4A Max 涓流、恒流、恒压、浮充四段蓄电池专用充电方式
  • 浮充电压：13.55V
  • 过放保护电压：10.8V
  • 过放保护恢复电压：11.8V
  • 太阳能（SOLAR IN）平均充电效率：94%
  • 输出注1：OUT1 5V 5A；OUT2 12V 8A；USB1 5V 2.5A；USB2 5V 2.5A
  • USB1/USB2支持三种USB充电协议注2
    • Apple 2.4A：DP=2.7V，DM=2.7V
    • SAMSUNG 2.0A：DP = 1.2V，DM =1.2V
    • BC1.2：DP=DM=0V（短接）
  • OUT1/USB1/USB2转换效率: 90%@10%负载；93%@50%负载；92%@90%负载
  • OUT2转换效率: 99%@10%负载；98%@50%负载；97%@90%负载
  • 静态电流：< 4mA
  • 保护功能
    • 电池过冲保护，过放保护，反接保护
    • 太阳能输入防倒灌，反接保护
    • 输出过流/短路保护，过热保护
  • 工作温度：-40℃～85℃
  • 尺寸：68.0mm×68.0mm


注1：OUT1/USB1/USB2三路共享5A额定电流（峰值电流8A），即该三路总输出功率不超过5V*5A=25W（峰值40W）。
注2：对于所使用的设备是否支持所列充电协议，请咨询相关设备生产厂商或经销商。若所使用的手机或平板均不支持上述USB充电协议，设备为了安全起见，通常会把充电功率限制在5V*1A=5W，这并非USB输出端故障或输出能力不足所致。


应用场景

  • 路灯照明
  • 智能农业
  • 环境监控站


接口说明

DFR0580 overview(CH).png


快速使用

搭建一个太阳能供电系统

  • 将随模块附送的黑色大铝散热片（50mm*50mm）通过蓝色导热硅胶粘贴在模块底部标有“Cooling Fin”处的白线框内，黑色小铝散热片（7mm*7mm）通过蓝色导热硅胶粘贴在如下图所示靠近BAT IN接线柱的两个场效应管上。


DFR0580 Cooling Fin.png


  • 将12V铅酸蓄电池连接到BAT IN接线柱。
  • 将额定电压为18V的太阳能板连接到SOLAR IN接线柱。
  • 在USB1连接Arduino或树莓派等主控板，在OUT1-2或USB2连接相应的负载（手机、电机、照明设备等），注意需要通过跳线帽插到相应输出蓝色接线柱的ON位置打开该路输出（插到OFF关闭）。


DFR0580 App1(CH).png


详细说明

最大功率点跟踪MPPT

太阳能电池最大功率点跟踪MPPT（Maximum Power Point Tracking）技术能够保证在负载或环境光照强度变化时，光伏电池一直保持最大输出功率，以最大化太阳能利用率。

从太阳能板的I/V伏安特性曲线（绿线）中可以看出，曲线与纵轴的交点为太阳能板的短路电流ISC，与横轴的交点为开路电压VOC，太阳能板的ISC和VOC均随着光照强度的增加而上升，其输出电流IPANEL随着输出电压VPANEL经过一个先缓后急的逐渐下降过程。当我们把电压与电流相乘，以输出电压为自变量，可以得到太阳能板的P/V伏瓦特性曲线（蓝线），随着光照强度的上升，太阳能板在各电压下的输出功率也随之上升，但达到最大输出功率时的输出电压VMP随光照的变化不大，因此可认为一块太阳能板的最大输出功率电压（也叫做额定电压）是一个固定的值，该值通常为开路电压的70% ~ 80%，即VMP=（70% ~ 80%）*VOC。

太阳能IV/PV特性曲线（图片来源于Linear Technology）

本模块使用的CN3767太阳能电源管理芯片采用恒定电压MPPT算法把太阳能输出电压控制在18V附近，以最大化18V太阳能板的输出功率。相对于市面上普通的PWM太阳能控制器，能提高太阳能板对电池充电效能的10%-30%。

充电循环

模块通过涓流、恒流、恒压和浮充四个阶段对铅酸电池进行安全快速充电。

  • 涓流充电：由于铅酸电池在电压较低时，内阻较高，不宜大电流充电，否则会导致电池温度过高，电池寿命降低。当电池电压低于涓流充电阈值电压11.1V时，模块进入涓流充电阶段，以最大充电电流的17.5%，即700mA，对电池进行充电，直到电池电压高于11.1V。
  • 恒流充电：当电池电压高于11.1V，模块进入恒流充电阶段，以恒定电流4A对电池快速充电。在涓流充电和恒流充电两个阶段，CHG红色LED点亮，DONE绿色LED熄灭。
  • 恒压充电：当电池电压随着恒流阶段的充电，接近充电截止电压14.8V时，模块进入恒压充电阶段，模块以恒定充电电压对电池继续充电，充电电流随时间逐渐下降。当充电电流下降到最大充电电流的38%，即1.52A时，充电结束，模块进入浮充充电阶段。CHG红色LED熄灭，DONE绿色LED点亮。
  • 浮充充电：该阶段充电器维持恒定13.55V充电电压，旨在弥补由于电池自放电或者负载所导致的电池能量损失。
  • 自动再充电：在浮充状态，如果模块输入源（SOLAR IN）没有断电，由于电池自放电或者负载的原因，电池电压逐渐下降，当电池电压降低到恒压充电电压的83.95%，即12.42V时，将开始新的充电周期。
DFR0580 太阳能电源管理模块(12V蓄电池版) 电池充电特性曲线


太阳能板选型

SOLAR IN端口可连接目前市面上常见的各类（单晶、多晶）额定电压为18V的太阳能板。综合考虑到太阳能板的大小、重量、价格和模块的最大充电电流等因素，选用一款额定功率不高于100W的太阳能电池板，连接在SOLAR IN端口即可。

电池选型

本模块采用12V铅酸蓄电池专用的四段式快速充电方式，但不同种类的铅酸电池，其充电截止电压要求都略有不同。市售铅酸电池可大致分为下面三种：

  • 富液式（开放式）铅酸电池（FLA，Flooded Lead Acid）。
  • AGM电池（吸收性玻璃垫，AGM，absorbent glass mat）。
  • 胶体电池（Gel）。

其中AGM和胶体电池都属于富液式铅酸电池的改进型，无需像富液式铅酸电池那样需要定期加水维护，其各项性能优秀：内阻低，自放电低，寿命长，最大充放电电流大，高、低温环境放电性能相对较好，但是价格相对较高。用户使用前需注意观察所使用电池上标示的待机使用（STAND-BY USE）或浮充电压范围是否包含13.55V（模块浮充13.55V），循环使用（CYCLIC USE）或匀冲电压范围是否包含14.8V（模块充电截止电压（恒压阶段）14.8V）。

Warning yellow.png
 警告
  • 请勿将该模块用于除12V铅酸蓄电池以外的其它种类电池。
  • 若上述电池参数与模块充电电压不一致或不确定电池具体充电电压参数，建议勿使用该类型电池。


多路可控输出

模块具有两路输出（OUT1=5V 5A，OUT2=12V 8A）和两路USB大功率输出（USB1=5V 2.5A，USB2=5V 2.5A）。其中OUT1/USB1/USB2三路共享5A额定电流（峰值电流8A），即该三路输出总功率不超过5V*5A=25W（峰值40W）。若仅单独使用OUT1/USB1/USB2三路其中一路输出，各输出均具有持续5V 5A的输出能力（即：若单独使用USB1，可持续输出5V 5A；若单独使用USB2，也可持续输出5V 5A）。USB1上电即稳压输出5V，不能被关闭，也没有输出指示灯。

用户可使用跳线帽或3.3V/5V单片机（或Mini PC）的I/O管脚（如Arduino系列、FireBeetle和树莓派等）分别对OUT1/OUT2/USB2输出的通断进行控制。将蓝色接线柱的跳线帽插在ON端，该路输出打开（绿色指示灯ON点亮），插在OFF端，该路输出关闭（绿色指示灯ON熄灭）。拔出跳线帽，将任意一个数字IO管脚和GND连接分别连接到标有EN和GND的蓝色排针（OUT1对应EN1，OUT2对应EN2，USB2对应ENU），IO管脚输出高电平时，该路稳压输出将会被打开，输出低电平时，该路稳压输出将会被关闭。该功能在如太阳能路灯或智能农业中的水泵中尤为有用，可根据环境光线或土壤湿度，动态开关照明设备或水泵。


注意：

  • GND1与GND2不等同于系统地GND。当OUT1或OUT2输出打开时，相应的GND1或GND2分别与系统地GND相连。当OUT1或OUT2输出关闭时，GND1与GND2悬空（与GND断开）。
  • 各路输出蓝色接线柱上标有5V的排针仅具有100mA驱动能力，无论进入何种保护模式（如过流保护或过放保护）均不断电。不建议使用该针脚为任何设备供电。
OUT输出


USB输出


LED 指示灯

模块上有四种LED指示灯，分别指示模块不同部分的工作状态：

  • 充电指示灯：当使用SOLAR IN对电池充电时，CHG指示灯（红色）点亮，充满（进入浮充阶段）时DONE指示灯（绿色）点亮，CHG熄灭。
充电指示灯
  • 输出指示灯：ON1-ON3指示灯（绿色）分别指示相应的OUT1/OUT2/USB2的输出状态，点亮时该路输出打开，熄灭时该路输出关闭。USB1没有状态指示灯且不能被关断，只要BAT IN或SOLAR IN任一路有输入，USB1就有输出。
OUT1、OUT2充电指示灯
USB2充电指示灯
  • 电量指示灯：四色LED电量指示灯可让用户大致掌握电池剩余电量，用户可通过下方的开关，关闭电量指示灯，这在模块长时间无人值守工作时可大幅降低自身功耗，节约电能。电量指示灯与剩余电量关系见下表：
电量指示灯
电池剩余电量 红色LED（E） 黄色LED（25%） 绿色LED（50%） 蓝色LED（75%）
电量>75% 亮 亮 亮 亮
50%<电量≤75% 亮 亮 亮 灭
25%<电量≤50% 亮 亮 灭 灭
电量≤25% 亮 灭 灭 灭
电量耗尽（过放保护） 灭 灭 灭 灭
  • 反接指示：当电池BAT IN或太阳能SOLAR IN接反时，相应的反接指示灯REV BAT或REV SOLAR点亮（橘色），提示用户连线错误。
电池反接指示灯
太阳能充电输入反接指示灯


保护功能

  • 反接保护：在电池输入端口BAT IN和太阳能输入端口SOLAR IN有防反接保护，反接时相应橘色指示灯点亮，防反接保护电路被激活，保护电路不被损坏。
  • 输出保护：所有输出端口均有过流/短路保护。
    • 对于OUT1/USB1/USB2，当其中任一路输出电流超过8A或输出被短路时，OUT1/USB1/USB2输出同时被关闭，ON2和ON3熄灭。恢复OUT1/USB1/USB2输出需要对模块重新上电，依次断开SOLAR IN和BAT IN，然后按照先接入电池，后接入太阳能板的顺序重新连接即可恢复输出。
    • OUT2可看作加上了过流、过放保护的电池输出端。空载时输出电压与电池电压相同，满载输出时，由于内部电路线路损耗，视负载电流大小最高可出现0.7V~0.9V压降。当OUT2蓝色排针插在ON端时，OUT2输出打开，但无过流/短路保护功能。当使用跳线帽短接OUT2蓝色排针插ON端并拔出后，ON2维持点亮，OUT2进入过流/短路保护模式。在过流/短路保护模式中，OUT2输出电流超过9A~10A时，OUT2输出关闭，相应ON2指示灯熄灭，重新短接OUT2蓝色排针插ON端并拔出，输出恢复并重新进入过流/短路保护模式，若电流仍持续超过9A~10A，OUT2输出将会在30s-60s内自动关闭。若需要使用单片机I/O管脚动态控制OUT2通断（这里假定为管脚pin_EN2），并让OUT2进入过流/短路保护模式，可参考使用如下代码（以Arduino为例）。可先将单片机I/O管脚与GND分别与OUT2蓝色排针上的EN2和GND相连，将管脚设为输出模式并输出高电平，然后再设为浮空输入模式，由于处于浮空输入模式的I/O管脚呈现高阻状态，等效地将EN2悬空，此时ON2指示灯维持点亮，OUT2进入过流/短路保护模式。若将EN2一直拉高/低，OUT2将会保持打开/关闭,不会进入保护模式。 
pinMode(pin_EN2, OUTPUT);
digitalWrite(pin_EN2, HIGH);  //高电平打开OUT2输出
delay(1);
pinMode(pin_EN2, INPUT);    //设为浮空输入，使EN2悬空，OUT2输出将维持打开，进入保护模式
  • 电池过放保护：电池过放保护电压为10.8V，当电池电压由于放电下降或BAT IN输入电压低于该值时，将触发过放保护电路（此时Battery Gauge所有电量指示灯熄灭），使电池无法进一步放电（但仍可进行充电），避免电池过度放电。当对电池进行充电，使电池电压超过过放保护释放电压11.8V时，电池过放保护电路打开，使电池可以重新放电。


散热增强

虽然模块附送的散热片可有效增强其在大电流充放电过程中的散热效果，但当模块需要长时间在炎热的户外或满载下工作，其可能因长时间处于高温环境而寿命缩短。过高的温度也会使OUT2过流保护电路的过流触发阈值降低，极端高温下也可能会使OUT1/USB1/USB2由于热保护而关闭。如果模块需要长时间运行在这类高温或高负载环境，建议用户使用常见的小功率静音机箱散热风扇增强模块的散热效能以延长其寿命，提高稳定性。

应用实例

使用电源适配器给铅酸电池充电
可利用额定功率不低于65W笔记本电源适配器（通常具有19V或20V额定电压）通过该模块给12V蓄电池提供最高4A充电电流。按照下图连线，将带有DC2.1公头的电源适配器插入附送转接头的DC2.1母口上，另一端使用短而粗的导线连接到模块的太阳能输入端口SOLAR IN，并将MPPT开关拨到OFF。

DFR0580 App2(CH).png


驱动Romeo搭建机械臂或智能小车
在使用Romeo搭建机械臂或智能小车时，为了驱动多路舵机或大功率的直流电机通常需要外接功率较大的电源适配器、动力型锂电池，甚至是12V蓄电池。利用该模块强大的输出能力，可轻松驱动6路舵机+额外的两路大功率直流电机，同时为蓄电池提供全方位的电源保护，在电源耗尽时，也可以通过电源适配器对其进行充电（当然也可以利用太阳能板，搭建太阳能驱动机器人或小车），十分适合作为12V蓄电池驱动的各类系统的嵌入电源管理模块。

DFR0580 App3 1(CH).png


DFR0580 App3 2(CH).png


作为Mini PC的UPS电源
常见的Mini PC如树莓派、Latte Panda或各类基于ARM核心的开发板经常被用于各类项目的开发，在有些项目中，mini PC可能作为小型服务器或安防监控系统的一部分，需要24小时持续工作，由于天气等原因而导致电网意外断电可能造成较大损失。传统UPS电源大而笨重，价格较高，而不少市售充电宝无法实现边冲边防，无法作为UPS电源，也无法为系统中其它的12V设备（如路由器，DTU，安防摄像头）供电。利用该模块即可搭建一个小型的UPS电源，在外部供电意外中断时，模块自动切换到电池供电，为系统提供持续供电，免遭断电。

DFR0580 App4(CH).png


常见问题

更多问题及有趣的应用，可以 访问论坛 进行查阅或发帖。


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