النظام الفرعي للطاقة الشمسية + البطارية لعقدة IoT الزراعية عن بعد
1) الغرض والسياق
تم تصميم نظام الطاقة الفرعي هذا لعقدة IoT التي تعمل بالطاقة الشمسية والمدعومة بالبطارية والمستخدمة في المراقبة الزراعية والاستشعار عن بعد. يجب أن تحافظ العقدة على MCU والمنطق الأساسي على قيد الحياة 24/7 من حاجز مستمر 3.3 فولت، بينما القضبان المساعدة القابلة للتحويل (12 فولت، 5 فولت، 3.3 فولت_AUX) أجهزة استشعار الطاقة وأجهزة الراديو والمشغلات فقط عند الحاجة عبر إشارة EN_AUX مشتركة. يجب أن يتحمل التصميم البيئة الخارجية القاسية (تقلبات درجات الحرارة، والرطوبة، والأوساخ، وESD)، والتعامل مع جهد اللوحة حتى النطاق العالي 20 فولت النموذجي للوحدات الكهروضوئية “فئة 12 فولت”، وحماية حزمة بطارية Li‑ion من سوء الاستخدام (الجهد الزائد/الناقص والأحداث الحالية) مع رؤية تفصيلية لحالة الشحن.
على مستوى عالٍ (انظر المخطط التفصيلي المقدم)، تتدفق الطاقة من موصل الطاقة الشمسية القوي Deutsch DT إلى حماية التيار العكسي وشاحن الطاقة الشمسية MPPT، ثم إلى مجموعة بطارية 18650 ذات خلية واحدة (خلايا متوازية للسعة). في نهاية الحزمة، eFuse التي تعمل على فرض UVLO/OVLO والحد الحالي. يقوم أحد منظم تعزيز الجهد الذي يعمل دائمًا بجهد 3.3 فولت بتغذية وحدة MCU (“3V3_CNT”). ثلاثة منظمات مساعدة (12 فولت معزز، 5 فولت معزز، 3.3 فولت معزز) مسورة بواسطة EN_AUX لتقليل سحب الخمول. يُبلغ IC Fuel Gauge عن SoC والجهد إلى وحدة MCU عبر I²C.
يتم تبرير قرارات التصميم أدناه مع البدائل والمقايضات. وينتهي كل قسم بجدول مقارنة موجز. تستخدم الاستشهادات الرقمية المضمنة ترقيم الأقواس بأسلوب APA (على سبيل المثال، [4])؛وتظهر قائمة المراجع الكاملة في النهاية.
2) مدخلات الطاقة الشمسية والواجهة الأمامية
2. 1 لوحة كهروضوئية وموصل ميداني
** ما استخدمناه ولماذا. ** يتوقع النظام وحدة كهروضوئية “من فئة 12 فولت” (≈17-18 فولت عند أقصى طاقة، ≈21-22 فولت دائرة مفتوحة، اعتمادًا على درجة الحرارة) متصلة من خلال موصل مغلق Deutsch DT-series 2-pin. تُستخدم موصلات DT على نطاق واسع في المعدات الزراعية ومعدات الطرق الوعرة لأختامها ذات تصنيف IP، وقوة المزلاج، ومقاومة الاهتزاز، مما يقلل من دخول الماء ومخاطر الاتصال المتقطع التي تصيب مقابس أسطوانية DC العامة في الميدان [14]. يعد ارتفاع Voc للوحات “12V” أمرًا طبيعيًا ويضمن وجود مساحة رأسية للشحن؛يتم التعامل مع هذا بواسطة شاحن MPPT [20].[مكونات RS](https://docs. rs-online. com/9955/A700000011098985. pdf?utm_source=chatgpt. com)[AltEالمتجر](https://www. altestore. com/blogs/articles/how-do-i-read-solar-panel-specations?srsltid=AfmBOooBjTlM5tG3y_KhlqbfWbUDmUoFEfLmeCljGjogj3Eado9K7Is9&utm_source=chatgpt. com)
تم أخذ البدائل بعين الاعتبار. موصلات دائرية M8 (أجهزة استشعار صناعية)، ومقابس أسطوانية غير محكمة الغلق. فازت DT بالختم والقفل اللمسي؛تعد M8s ممتازة ولكنها تتطلب حواجز مثبتة على اللوحة وهي أكثر تكلفة؛تم رفض الرافعات البرميلية بسبب ضعف حماية الدخول.
| الخيار | الملكية الفكرية/الختم | التصنيف الحالي | إمكانية الخدمة الميدانية | التكلفة النموذجية | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| ** الألمانية DT‑2 ** (تم الاختيار) | IP67/68 مع الأختام | ~13 أمبير لكل حجم - 16 جهة اتصال | تجعيد الاتصالات، مزلاج إيجابي | $$ | تم إثبات كفاءته في القيادة على الطرق الوعرة/الطرق الوعرة [14] |
| M8 مشفرة | IP67/68 | 3-4A نموذجي | مترابطة. حاجز مثبت على اللوحة | $$$ | رائعة، ولكن تكلفة BoM والتجميع أعلى |
| جاك برميل العاصمة | فقير | 1-5 أ | سهل | $ | غير مقاومة للعوامل الجوية - غير مناسبة في الهواء الطلق |
2. 2 الحماية من التيار العكسي والتدفق المفاجئ (الجانب الكهروضوئي)
ما استخدمناه ولماذا. يعمل eFuse ذو الجهد العالي مع حجب القطبية العكسية/التيار العكسي (عائلة TI TPS2660x) على حماية النظام من أخطاء الأسلاك ويمنع البطارية من التغذية الخلفية للوحة المظلمة. بالمقارنة مع صمام ثنائي شوتكي، يتجنب eFuse خسائر التوصيل الكبيرة، ويدعم حد التيار القابل للتعديل، ويتحمل أسوأ حالة ≈30 فولت للمركبات الصوتية/العابرة من لوحات “12 فولت” [3].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps2660. pdf?utm_source=chatgpt. com)
البدائل التي تم النظر فيها.
| الخيار | فقدان التوصيل | الحظر العكسي | الدقة/الميزات | التعقيد | الملاءمة |
|---|---|---|---|---|---|
| eFuse TPS2660x (تم الاختيار) | منخفض (موسفيت) | نعم (OVP، RCP) | OVP/UVP/ILIM، القياس عن بعد (يختلف) | متوسط | أفضل حماية شاملة حتى 60 فولت [3] |
| وحدة تحكم الصمام الثنائي المثالي (LTC4412، LM5050‑1) | منخفض جدًا | نعم | لا يوجد حد الحالي. إضافة أجزاء لـ OVP | متوسط | فعالة، ولكنها أقل شمولاً [8][9] |
| شوتكي ديود | عالية | جزئيا | لا شيء | منخفض | أبسط؛فقدان الطاقة غير المقبول عند> 1-2A |
الأساس المنطقي: في العقدة البعيدة، تتفوق القدرة على البقاء على مدخرات BoM الصغيرة. يوفر eFuse السلوك الصحيح في حالة سوء توصيل الأسلاك والتوصيل السريع وانقطاع التيار الكهربائي عن اللوحة.
جهاز التحكم بالشحن الشمسي 2. 3 MPPT
ما استخدمناه ولماذا. TI bq24650 — شاحن باك متزامن مع حلقة MPPT مدمجة ذات جهد ثابت. فهو يقلل من تيار الشحن بحيث تعمل اللوحة بالقرب من MPP المبرمج وتدعم نطاق إدخال كهروضوئي واسع، مما يجعلها مثالية للوحدات “من فئة 12 فولت” [4]. يتعامل الجهاز مع الشحن المسبق والإنهاء والحالة؛فهو يشحن حزمة Li‑ion ذات خلية واحدة إلى 4.2V (قابلة للتعديل عبر ردود الفعل).[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/bq24650. pdf?utm_source=chatgpt. com)[Farnell](https://www. farnell. com/datasheets/1276191. pdf?utm_source=chatgpt. com)
البدائل التي تم النظر فيها.
| إيك | طوبولوجيا | نطاق الإدخال | طريقة MPPT | ماكس أنا_CHG | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| bq24650 (مختار) | باك، تحويلة. FETs | 5-28 فولت (نموذجي) | تنظيم إدخال الجهد المستمر | فئة 5A (تعتمد على التصميم) | التتبع الكهروضوئي الموثق جيدًا [4] |
| أدي ** LT3652 ** | باك متجانسة | 4. 95-32 فولت | تنظيم جهد الإدخال (تتبع طاقة الذروة) | ما يصل إلى 2A | ممتاز للتصميمات المدمجة ذات التيار المعتدل [12] |
| CN3791 | تحكم باك | 4. 5-28 فولت | MPPT (1. 205 فولت المرجع) | ما يصل إلى 4A | فعالة من حيث التكلفة؛حماية أقل [13] |
| MCP73871 | خطي | 3. 5-6 فولت | لا شيء (مدير مسار الطاقة) | ~1أ | جيد لـ USB/PV الصغيرة؛ضعف الكفاءة عند ارتفاع فين [11] |
الأساس المنطقي: يوفر bq24650 أفضل توازن بين نطاق الإدخال والكفاءة وسلوك MPPT الموثق لفئة اللوحة الخاصة بنا. إذا أعطى النظام الأولوية للحد الأدنى من BoM على تيار الشحن الأقصى، فسيكون LT3652 بديلاً موثوقًا به.[الأجهزة التناظرية](https://www. analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3652fe. pdf?utm_source=chatgpt. com)
ملاحظة طول عمر البطارية. إذا كان دورة العمر الافتراضي أمرًا بالغ الأهمية، فيمكن تقليل جهد الشحن (على سبيل المثال، 4.10 فولت) لإطالة عمر الدورة على حساب السعة؛تشير الأدبيات الصناعية باستمرار إلى مكاسب كبيرة في دورة الحياة عند الشحن بأقل من 4.2 فولت [6]. نحتفظ بـ 4.20 فولت هنا للحفاظ على السعة الكاملة للأحمال ذات الذروة العالية، مع خيار خفض السرعة لاحقًا عبر مقسم التغذية الراجعة.[جامعة البطاريات](https://batteryuniversity. com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries?utm_source=chatgpt. com)
3) تخزين الطاقة: حزمة بطارية 18650 خلية واحدة
ما استخدمناه ولماذا. 1S (خلية واحدة) حزمة Li‑ion تم إنشاؤها من خلايا 18650 متعددة بالتوازي لزيادة السعة وذروة التيار مع الحفاظ على النظام عند 3. 0–4.2V. وهذا يحافظ على كفاءة المحولات النهائية ويسمح بشاحن IC واحد. يضمن استخدام الخلايا ذات السمعة الطيبة (على سبيل المثال، Samsung 30Q/35E) مقاومة ثابتة وعمر دورة، وهو أمر مهم لبدء التشغيل البارد وانفجارات الراديو. السعات النموذجية هي 3000-3500 مللي أمبير لكل خلية (الاختيار الدقيق هو قرار BoM). من أجل عمر طويل في التطبيقات ذات الخدمة الدورية، نتجنب التفريغ العميق (انظر UVLO في الفقرة 3)، ويمكننا، إذا لزم الأمر، اعتماد جهد تعويم أقل لكل ملاحظة أعلاه [6].
تم أخذ البدائل في الاعتبار. 2S Li‑ion (يعمل الناقل الأعلى على تبسيط تعزيز 12 فولت ولكنه يزيد من عدد الأجزاء)، أو LiFePO₄ 1S (عمر دورة أكثر أمانًا/أعلى ولكن كثافة طاقة أقل، شاحن مختلف). لقد اخترنا 1S Li‑ion لتقليل تنوع IC والحفاظ على كفاءة المحول العالية عند الأحمال الخفيفة.
4) حماية جانب البطارية (eFuse + المشرفون)**
ما استخدمناه ولماذا.** يوفر eFuse الموجود على جانب البطارية (TI TPS25946) حد تيار قابل للتعديل، وUVLO وOVLO، والتحكم في التدفق، والتحكم في التيار العكسي. يقوم هذا الجهاز بفصل العبوة بشكل نظيف عن القضبان السفلية عند حدوث أخطاء (السراويل القصيرة، الجهد الزائد)، مما يحد من الضغط ويمنع المزالج عند الأحمال ذات القابس الساخن. يوفر مشرف الجهد المخصص UVLO دقيقًا حوالي 3.3 فولت (للحفاظ على صحة الخلية) وOVLO حوالي 4. 1 فولت (يستخدم اختياريًا إذا اخترنا تقييد ناقل النظام أثناء تسليم الشحن). تعد FET المدمجة وحلقة التحكم في eFuse أكثر قابلية للتنبؤ بها بشكل ملحوظ من صمامات البوليمر + الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة المنفصلة في الإلكترونيات منخفضة الطاقة [7].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps25946. pdf?utm_source=chatgpt. com)
البدائل التي تم النظر فيها.
| الخيار | الايجابيات | سلبيات | الملاءمة |
|---|---|---|---|
| eFuse TPS25946 (تم الاختيار) | ILIM/OVLO/UVLO، التحكم في التدفق، ميزات التيار العكسي | يضيف تكلفة IC. رعاية التخطيط | حماية قوية وقابلة للضبط [7] |
| واقي مستوى العبوة (DW01A + MOSFETs) | تكلفة منخفضة للغاية، في كل مكان | عتبات ثابتة، لا يوجد قياس عن بعد أو منحدر حالي | موافق لحزم المستهلك؛تحكم محدود في النظام [18] |
| “اعتمد على حدود الشاحن فقط” | الحد الأدنى من BoM | لا توجد حماية قصيرة في اتجاه مجرى النهر؛خطير في الميدان | غير مقبول |
5) قضبان النظام، والتمكين، وبوابة الطاقة
تعمل سكة واحدة ** تعمل دائمًا بجهد 3.3 فولت** على تشغيل وحدة MCU ومقياس الوقود.يتم تعطيل القضبان الإضافية (12 فولت، 5 فولت، 3.3 فولت_AUX) افتراضيًا** ويتم تمكينها فقط عندما تتطلب المهام ذلك. تعمل إستراتيجية بوابة الطاقة هذه على تقليل سحب الخمول عن طريق إزالة كل من تيار المنظم الهادئ وتسرب المستشعر عند عدم الاستخدام. عندما تكون الأحمال ذات سعة إدخال كبيرة (على سبيل المثال، أجهزة الراديو والملفات اللولبية)، يتيح تسلسل التمكين لـ eFuse والمنظم البدء الناعم في ترويض inrush. إذا كان التحكم في التدفق بشكل خاص مطلوبًا لكل حمل، فيمكن أن يضيف مفتاح التحميل الصغير (على سبيل المثال، TPS22965) عند نقطة تحميل السكك الحديدية تحكمًا إضافيًا في معدل الدوران باستخدام microamp IQ [17].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps7a02. pdf?utm_source=chatgpt. com)
5. 1 يعمل دائمًا بجهد 3.3 فولت (سكة MCU): متزامن **
معزز الجهد** (TPS63020)
ما استخدمناه ولماذا. يحافظ TPS63020 على 3.3 فولت عبر فترة البطارية الكاملة (≈3. 0–4.2 فولت)، وينتقل بسلاسة بين الجهد والتعزيز. يعمل وضع دورة العمل بنسبة 100% على تقليل خسائر التبديل والتموج عندما يكون Vin أعلى قليلاً من Vout (شائع عند 3. 5-3. 8 فولت)، وهو مثالي لسكة MCU الهادئة. إنه يوفر كفاءة قوية في الحمل الخفيف دون مشاكل التسرب التي يمكن أن يواجهها الدولار فقط بالقرب من 3.3 فولت [1].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps63020. pdf?utm_source=chatgpt. com)
** البدائل الرئيسية (ومتى قد تفوز).**
| الخيار | الكفاءة عبر 3. 0-4.2 فولت | معدل الذكاء (النوع) | EMI/الضوضاء | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ** باك بوست TPS63020 ** (تم الاختيار) | عالية ومسطحة (باك ↔ دفعة) | منخفض | جيد؛100% واجب بالدولار | أفضل تنظيم على الإطلاق لشركة نفط الجنوب [1] |
| LDO (على سبيل المثال، TPS7A02) | قطرات مثل فين ↑؛الأسوأ عند 4.2 فولت | منخفض للغاية | ممتاز | إنه أمر رائع إذا كان الحمل منخفضًا للغاية وكانت الضوضاء أمرًا بالغ الأهمية؛لكنه يخسر >20% عند 4.2→3.3 فولت [15] |
| باك فقط (TPS62130) | عالية إذا Vin≫Vout | منخفض | جيد | فشل مع اقتراب Vin من 3.3 فولت (التسرب) [11] |
لماذا اخترنا buck-boost: نحن بحاجة إلى 3.3 فولت مضمون في أي شركة على رقاقة مع كفاءة جيدة وتموج منخفض لأجهزة MCU وI²C.
السكة المساعدة 5. 2 5 فولت: متزامن **
معزز الجهد** (TPS63020)
تعمل هذه السكة على تشغيل الأجهزة الطرفية بجهد 5 فولت عند التأكيد على EN_AUX.الطوبولوجيا وIC متماثلان عن عمد في الفقرة 4. 1 لتقليل تنوع BoM وإعادة استخدام المعرفة بالتخطيط. هنا يعمل المحول حصريًا في منطقة التعزيز (منذ 3. 0–4.2 فولت → 5 فولت). يعد محول التعزيز فقط (على سبيل المثال، TPS61023) بديلاً صالحًا ويمكن أن يكون أرخص قليلاً مع معدل ذكاء منخفض جدًا، ولكن إعادة استخدام TPS63020 تبسط التأهيل والنمذجة الحرارية [10]. لا داعي لتكرار المناقشة الكهرومغناطيسية/التعويضية التي تمت تغطيتها بالفعل في الفقرة 1. 4.[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/product/LM5050-1?utm_source=chatgpt. com)الاختلافات المستهدفة مقابل الفقرة 4. 1: • من المتوقع حدوث أحمال انفجارية أثقل (أجهزة استشعار من فئة USB، والواجهات الأمامية التناظرية)، لذلك نقوم بتحديد حجم المحث وأغطية الإخراج وفقًا لذلك. • بما أن السكة متوقفة عن العمل في معظم الأوقات، فإن معدل إيقاف التشغيل هو المهيمن — تيار التعطيل الخاص بـ TPS63020 منخفض بما يكفي لميزانيتنا [1].
مقارنة مركزة لـ 5 فولت:
| الخيار | فوت | ملاحظات |
|---|---|---|
| TPS63020 (مختار) | 5 فولت | إعادة الاستخدام؛معالجة عابرة قوية [1] |
| TPS61023 | 5 فولت | تعزيز أبسط فقط؛معدل ذكاء ممتاز في الحمل الخفيف [10] |
السكة المساعدة 5. 3 12 فولت: متزامن **
تعزيز** (TPS61377)
ما استخدمناه ولماذا. يوفر TPS61377 12 فولت (وأعلى) من الناقل 1S مع قدرة 6A ذروة التبديل الحالية و ~70μA IQ؛إنه مناسب تمامًا للملفات اللولبية والصمامات والأجهزة التي تحتاج إلى 12 فولت بشكل متقطع فقط. وهو يدعم PFM/PWM القابل للتحديد لتحقيق كفاءة الحمل الخفيف، ويحتوي على حماية OVP/OCP. في تصميمنا، يرتبط تمكينه بـ EN_AUX [2].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/product/TPS61377?utm_source=chatgpt. com)[موسر الفأرإلكترونيات](https://www. mouser. com/datasheet/2/405/1/slvuct4-3369279. pdf?srsltid=AfmBOorjHZ_dLA74yXyv1s6YuGaevg96h66UegopuVl99W7c5gCEyMRP&utm_source=chatgpt. com)
البدائل التي تم النظر فيها.
| الخيار | طوبولوجيا | الايجابيات | سلبيات | الملاءمة |
|---|---|---|---|---|
| TPS61377 (مختار) | دفعة | طاقة خرج عالية، معدل ذكاء منخفض، مدمج | يحتاج إلى تخطيط دقيق | أفضل توازن لقضبان 12-24 فولت [2] |
| وحدة تحكم سيبيك (LT3757 / LM3478) | سيبيك/تعزيز | يمكن لـ Vin–Vout الواسع جدًا أن يصعد لأعلى/لأسفل | FETs الخارجية. أكبر BoM | مبالغة هنا؛يتألق بإدخال واسع النطاق [16] |
| وحدة تعزيز باك | متكامل | سريع التنفيذ | التكلفة/الحجم | صالحة للنماذج الأولية فقط |
##6) قياس الوقود والقياس عن بعد
ما استخدمناه ولماذا. MAX17043 مقياس الوقود باستخدام خوارزمية ModelGauge الخاصة بالبائع. فهو يُبلغ عن حالة الشحن وجهد الخلية عبر I²C بدون مقاومة حسية، مما يقلل من الخسائر ويبسط التخطيط. تعمل حدود التشغيل السريع والتنبيه على تسهيل تنفيذ سلوكيات قوية تتعلق بالبطارية المنخفضة على وحدة MCU [5].[الأجهزة التناظرية](https://www. analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets/max17043-max17044. pdf?utm_source=chatgpt. com)
البدائل التي تم النظر فيها.
| إيك | المقاوم الشعور | خوارزمية | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| ** MAX17043 ** (تم الاختيار) | لا | شركة نفط الجنوب القائمة على النموذج | تكامل بسيط، حمل منخفض [5] |
| bq27441 | نعم | مسار المعاوقة CC | دقة عالية على مدى الشيخوخة. المزيد من الإعداد [مطبوعات الطرف الثالث، نموذجية] |
| ** ماكس 17048 ** | لا | نموذج قياس م3 | أحدث عائلة؛حالة استخدام مماثلة |
لماذا اخترنا MAX17043: كنا بحاجة إلى مراقبة تفصيلية مع الحد الأدنى من الحمل الزائد لـ BoM/firmware وعدم وجود خسائر في التحويلات - وهو مثالي للعقدة ذات الطاقة المحدودة.
7) ملاحظات حول تكامل النظام
- ** مجال الطاقة EN_AUX.** تحافظ وحدة MCU على تشغيل 3V3_CNT دائمًا. عندما تتطلب المهام أجهزة طرفية، فإنها تؤكد EN_AUX. تشترك الهيئات التنظيمية المساعدة الثلاثة في EN_AUX، ولكن يمكن إضافة تمكينات متداخلة زمنيًا في firmware إذا تسببت الأحداث الواردة في إفساد الناقل. يمكن إضافة مفاتيح التحميل (TPS22965) عند الأحمال الفردية التي لا تزال بحاجة إلى التحكم في معدل الدوران [17].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps7a02. pdf?utm_source=chatgpt. com)
- التأريض والتخطيط. حافظ على عودة الطاقة الكهروضوئية، وإمداد طاقة الشاحن الأرضي، وتبديل المنظمين على مستوى أرضي منخفض المقاومة. قم بنجمة عودة eFuse/البطارية إلى هذا المستوى لتجنب الأخطاء الحسية في شبكة الشاحن/الحد الحالي.
- سلوك اللون البني للداخل/الخارج. يمنع UVLO الموجود في جانب البطارية من eFuse التفريغ العميق؛يقوم شاحن MPPT بإعادة تشغيل الشحن عند استعادة الطاقة الكهروضوئية. يتجنب هذا التنسيق حلقات “الشحن أثناء انتهاء اللون”.
- ** نقاط ضبط الشحن. ** الهدف الافتراضي 4.20 فولت؛ملف تعريف اختياري 4.10 فولت لتمديد العمر وفقًا للفقرة 1. 3 إذا كانت مراجعة البرنامج الثابت/BoM المستقبلية تستبدل القدرة على دورة الحياة [6]. 5. توقعات الجهد الكهروضوئي. تعد اللوحات من فئة “12 فولت” التي يبلغ قياسها ≈22 فولت دائرة مفتوحة أمرًا طبيعيًا؛تم تصميم نظام تنظيم إدخال الشاحن (MPPT) خصيصًا لهذا النظام [4][20].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/bq24650. pdf?utm_source=chatgpt. com)[AltEالمتجر](https://www. altestore. com/blogs/articles/how-do-i-read-solar-panel-specations?srsltid=AfmBOooBjTlM5tG3y_KhlqbfWbUDmUoFEfLmeCljGjogj3Eado9K7Is9&utm_source=chatgpt. com)
8) تقييم المخاطر والتخفيف منها
- التغذية العكسية والتوصيل الخاطئ: يعمل eFuse (الجانب الكهروضوئي وجانب البطارية) مع حجب التيار العكسي وOVP/UVP على تقليل مخاطر فشل المجال بشكل كبير مقارنةً بالصمامات الثنائية/المفاتيح المتعددة وحدها [3][7].[تكساس إنسترومنتس+1](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps2660. pdf?utm_source=chatgpt. com)
- إجهاد البطارية: UVLO حوالي 3.3 فولت والتنسيق الحراري/OVLO يحمي صحة الخلايا. استخدم الخلايا المتطابقة، وحافظ على انخفاض مقاومة العبوة، وقم بتكوين مؤقتات الشاحن بشكل مناسب.
- EMI/الضوضاء على سكة MCU: وضع دورة العمل بنسبة 100% لـ TPS63020 واختيار LC المناسب يحافظ على التموج منخفضًا في منطقة باك؛ضع المحث وأغطية الإدخال/الإخراج وفقًا لتوجيهات تخطيط ورقة البيانات [1].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps63020. pdf?utm_source=chatgpt. com)
- الأحمال المتفجرة المساعدة: بالنسبة للملفات اللولبية/الصمامات التي تعمل بجهد 12 فولت، قم بتضمين مسارات TVS المحلية ومسارات flyback إذا كانت حثية؛الاعتماد على OCP لمحول التعزيز وحد تيار eFuse من جانب البطارية لاحتواء الأخطاء [2][7].[تكساس إنسترومنتس+1](https://www. ti. com/product/TPS61377?utm_source=chatgpt. com)
9) ملخصات كل مكون على حدة مع البدائل
أدناه، تسرد كل كتلة تفاصيل إضافية فقط إذا كانت تعيد استخدام المفاهيم التي تمت تغطيتها بالفعل. وهذا يتجنب التكرار ويركز على الاختلافات المهمة.
9. 1 لوحة شمسية + موصل
- المختار: وحدة “12 فولت” من فئة 25 وات، موصل Deutsch DT‑2.
- السبب: متين، ومحكم الغلق، وقابل للخدمة في الميدان؛يتم توقع ارتفاع لوحة Voc ويتم التعامل معها بواسطة الشاحن [14][20].[مكونات RS](https://docs. rs-online. com/9955/A700000011098985. pdf?utm_source=chatgpt. com)[AltEالمتجر](https://www. altestore. com/blogs/articles/how-do-i-read-solar-panel-specations?srsltid=AfmBOooBjTlM5tG3y_KhlqbfWbUDmUoFEfLmeCljGjogj3Eado9K7Is9&utm_source=chatgpt. com)
9. 2 الحماية الحالية العكسية (الإدخال الكهروضوئي)
- المختار: TPS2660x eFuse إلى 60 فولت.
- السبب: حماية شاملة (OVP/UVP/ILIM) وخسارة منخفضة؛أفضل من الصمام الثنائي أو الصمام الثنائي المثالي الأساسي للعقدة الميدانية [3][8][9].[تكساسالأدوات](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps2660. pdf?utm_source=chatgpt. com)[Farnell](https://www. farnell. com/datasheets/628276. pdf?utm_source=chatgpt. com)[deutschconnectorstore. com](https://www. deutschconnectorstore. com/p-1779-dt-2-way-flanged-receptacle. html?utm_source=chatgpt. com)
شاحن 9. 3 MPPT
- المختار: bq24650، CV‑type MPPT؛1S ليثيوم أيون عند 4.20 فولت.
- البدائل: LT3652 (متجانسة 2A)، CN3791 (فعالة من حيث التكلفة).
- السبب: نطاق الإدخال والوثائق القوية للطاقة الكهروضوئية تجعل من bq24650 الأكثر مرونة للوحات “فئة 12 فولت” [4][12][13].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/bq24650. pdf?utm_source=chatgpt. com)[تناظريالأجهزة](https://www. analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3652fe. pdf?utm_source=chatgpt. com)[laskakit. cz](https://www. laskakit. cz/user/dependent_files/dse-cn3791-2. pdf)
حزمة بطارية 9. 4
- المختار: 1S‑nP 18650 (تحجيم السعة بمقدار n).
- السبب: كثافة طاقة عالية، وقضيب شاحن واحد؛النظام البيئي المشترك.
- ملاحظة: شحن اختياري بقدرة 4.10 فولت لطول العمر وفقًا للفقرة 1. 3 [6].[جامعة البطاريات](https://batteryuniversity. com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries?utm_source=chatgpt. com)
حماية البطارية 9. 5
- المختار: TPS25946 eFuse + المشرف على UVLO/OVLO.
- البدائل: واقيات فئة DW01A (مستوى الحزمة)، أو “لا توجد حماية إضافية”.- السبب: يتفوق السلوك القابل للتعديل والمتوقع على مستوى النظام على الحدود الثابتة [7][18].[تكساس إنسترومنتس+1](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps25946. pdf?utm_source=chatgpt. com)
9. 6 3.3 فولت يعمل دائمًا (MCU)
- المختار: TPS63020 باك-بوست.
- البدائل: TPS7A02 LDO (ضوضاء حرجة، معدل ذكاء منخفض للغاية)؛TPS62130 باك (غير آمن بالقرب من مدخلات 3.3 فولت).
- السبب: تنظيم مضمون عبر شركة نفط الجنوب الكاملة بكفاءة جيدة [1][15][11].[تكساس إنسترومنتس+2تكساس إنسترومنتس+2](https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps63020. pdf?utm_source=chatgpt. com)
9. 7 5 فولت مساعد
- المختار: TPS63020 باك-بوست (إعادة الاستخدام).
- البديل: TPS61023 (تعزيز فقط) إذا كان تخفيض BoM يفوق إعادة الاستخدام [10].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/product/LM5050-1?utm_source=chatgpt. com)
9. 8 12 فولت مساعد
- المختار: TPS61377 دفعة.
- البديل: LT3757/LM3478 SEPIC لإدخال واسع جدًا أو مخرجات أعلى [16].[تكساس إنسترومنتس](https://www. ti. com/product/TPS61377?utm_source=chatgpt. com)[Octopart](https://datasheet. octopart. com/LM3478MM-Texas-Instruments-datasheet-10845345. pdf?utm_source=chatgpt. com)
9. 9 مقياس الوقود
- المختار: MAX17043.
- البدائل: bq27441, MAX17048.
- السبب: لا توجد تحويلة، وحمل منخفض، وتكامل بسيط لـ I²C [5].[الأجهزة التناظرية](https://www. analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets/max17043-max17044. pdf?utm_source=chatgpt. com)
10) قائمة التحقق
- ** الجانب الكهروضوئي ** • مع توصيل اللوحة وغياب البطارية، تأكد من أن eFuse يسمح بالتوصيل الأمامي ويقوم bq24650 بتنظيم الإدخال بالقرب من MPP تحت الحمل. • في الظلام، تحقق من عدم وجود تيار عكسي في اللوحة (تسرب على مستوى مللي أمبير فقط).
- معلمات الشحن • قياس تيارات الشحن المسبق والشحن السريع وتيارات إنهاء السيرة الذاتية لكل نقاط ضبط التصميم. • تأكد من أن الثرمستور (إذا تم استخدامه) يحد من الشحن في الظروف الباردة/الساخنة (مجموعة ميزات bq24650).
- ** حماية البطارية ** • قم بمسح الحافلة من 2. 8 فولت → 3. 6 فولت وقم بتأكيد ** رحلة UVLO ** حوالي 3.3 فولت؛التحقق من سلوك OVLO أثناء عمليات تسليم الشحن العابرة. • قم بتقصير السكة 5 فولت/12 فولت عند حافة اللوحة مع وجود تيار محدود في المنبع؛قم بتأكيد حد eFuse الحالي وسلوك إعادة المحاولة التلقائية.
- **القضبان والتمكين ** • مع انخفاض EN_AUX، قم بقياس تيار النوم (الهدف: تهيمن عليه MCU + 3V3_CNT منظم IQ). • تبديل EN_AUX أثناء تسجيل تيار البطارية. تأكد من بقاء التدفق ضمن الحدود وعدم تراجع سكة MCU.
- مقياس الوقود • معايرة عتبات التنبيه. تأكد من أن شركة نفط الجنوب تتتبع تسلسلات الشحن/التفريغ بشكل معقول عبر درجة الحرارة.
##11) الاستنتاج
تحقق هذه البنية تشغيلًا خارجيًا قويًا مع تحكم دقيق في الطاقة. تعمل المرحلة bq24650 MPPT على زيادة حصاد الطاقة من اللوحات من فئة “12 فولت”؛تعمل حزمة 1S Li‑ion على تبسيط مراحل التحويل والحفاظ على الكفاءة؛تعمل استراتيجية الحماية المرتكزة على eFuse على تقوية العقدة ضد أعطال الأسلاك والتحميل؛وتضمن القضبان ذات بوابات EN_AUX أن الأحمال الإضافية لا تؤدي إلى تآكل عمر الاستعداد. تحقق الأجزاء المختارة توازنًا عمليًا بين الكفاءة والتكلفة والمرونة، ولكل كتلة بدائل واضحة في حالة تغير المتطلبات المستقبلية.
المراجع
[1] تكساس إنسترومنتس.(2023). TPS63020 - محول تعزيز باك ذو محث فردي عالي الكفاءة. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/product/TPS63020 [2] تكساس إنسترومنتس.(2024). TPS61377 – 23-VIN، 25-VOUT، 6-A محول تعزيز متزامن. صفحة المنتج وEVM. المصدر: https://www. ti. com/product/TPS61377 وhttps://www. ti. com/lit/gpn/tps61377 [3] تكساس إنسترومنتس.(2021). TPS2660x - 60-V، 2-A eFuse مع قطبية عكسية وحماية من الجهد الزائد. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/product/TPS2660[4] تكساس إنسترومنتس.(2016/2024). BQ24650 - شاحن بطارية باك متزامن مستقل للطاقة الشمسية مع MPPT. ورقة البيانات وملاحظات EVM. المصدر: https://www. ti. com/product/BQ24650 و https://www. ti. com/lit/ds/symlink/bq24650. pdf [5] الأجهزة التناظرية (مكسيم متكاملة).(2016). MAX17043/MAX17044 – مقياس وقود ذو خلية واحدة/خليتين مع ModelGauge. ورقة البيانات. المصدر: https://www. analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets/max17043-max17044. pdf [6] كاديكس للإلكترونيات.(اختصار الثاني.). جامعة البطارية BU‑808: كيفية إطالة عمر بطاريات الليثيوم - تأثير جهد الشحن على دورة الحياة. المصدر: https://batteryuniversity. com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries [7] تكساس إنسترومنتس.(2023/2024). TPS25946 – 2. 7 فولت إلى 23 فولت، 5. 5 أمبير eFuse مع دعم تيار ثنائي الاتجاه. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps25946. pdf [8] الأجهزة التناظرية (التقنية الخطية).(2010). LTC4412 – وحدة تحكم PowerPath منخفضة الفقد للديود المثالي ORing. ورقة البيانات. المصدر: https://www. analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets/4412fc. pdf [9] شركة تكساس إنسترومنتس (شركة وطنية لأشباه الموصلات).(2011). LM5050‑1 – جهاز التحكم المثالي بالديود. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/lit/ds/symlink/lm5050-1. pdf [10] تكساس إنسترومنتس.(2020). TPS61023 - محول تعزيز 5-V مع معدل ذكاء منخفض. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/product/TPS61023 [11] تكساس إنسترومنتس.(2017). TPS62130 - 3–17 فولت، 3-A محول تنحي. صفحة ورقة البيانات. المصدر: [https://www. ti. com/product/TPS62130](https://www. ti. com/product/TPS62130) [12] الأجهزة التناظرية.(2015). LT3652 – تتبع الطاقة 2-شاحن بطارية للطاقة الشمسية. ورقة البيانات. المصدر: https://www. analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3652fe. pdf [13] التناغم الإلكتروني.(اختصار الثاني.). CN3791 - شاحن Li‑ion مستقل بقدرة 4 أمبير مزود بتقنية MPPT الكهروضوئية. ورقة البيانات. المصدر: [https://www. laskakit. cz/user/available_files/dse-cn3791-2. pdf](https://www. laskakit. cz/user/available_files/dse-cn3791-2. pdf) [14] اتصال TE.(2018). نظام موصل سلسلة DEUTSCH DT - مواصفات التطبيق. وثيقة. المصدر: https://docs. rs-online. com/9955/A700000011098985. pdf [15] تكساس إنسترومنتس.(2020). TPS7A02 - 200 مللي أمبير، 25 نا معدل الذكاء، منظم جهد منخفض التسرب. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/product/TPS7A02 [16] تكساس إنسترومنتس / الأجهزة التناظرية.(2011+). LM3478 وLT3757 – وحدات تحكم Wide‑VIN Boost/SEPIC. أوراق البيانات. المصادر: https://www. ti. com/product/LM3478 وhttps://www. analog. com/en/products/lt3757. html [17] تكساس إنسترومنتس.(2021). TPS22965 - مفتاح تحميل 6-V، 6-A مع تفريغ سريع للإخراج. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/product/TPS22965 [18] شركة فورتشن لأشباه الموصلات.(اختصار الثاني.). DW01A – دائرة متكاملة لحماية بطارية ليثيوم أيون/بوليمر أحادية الخلية. ورقة البيانات. المصدر: https://www. ic-fortune. com/upload/Download/DS-02-0001(7). pdf [19] تكساس إنسترومنتس.(2023/2024). عائلة TPS61378‑Q1 – محولات التعزيز المتزامنة بقدرة 25‑μA IQ (متغيرات السيارات، للمقارنة). ورقة البيانات. المصدر: https://www. ti. com/lit/ds/symlink/tps61378-q1. pdf [20] متجر بديل.(2016). كيف أقرأ مواصفات الألواح الشمسية؟ شرح Voc/Vmp في لوحات “12V”. شرط. المصدر: https://www. altestore. com/blogs/articles/how-do-i-read-solar-panel-specations