让太阳能 IoT 设备‘跑得更久’：Otii 工具箱实测光伏与储能性能

Qoitech

前言：Qoitech 将于 2025 年 9 月 23–24 日参加 The Things Conference（展位 B21），与合作伙伴 Silicon Labs 一起展示最新的能量采集与太阳能 IoT 测试技术。欢迎现场交流光伏性能评估、储能分析及 Otii 工具箱的应用经验。

理解在能量采集系统中的能量流动，对于设计高效可持续的物联网和嵌入式应用至关重要。在特定的光照条件下，精确测量光伏电池输出以及评估存储效率，对于物联网太阳能设备性能影响显著。本系列文章将会逐步解析析如何判断系统在不同环境条件下能否维持净正能量状态。

本文重点聚焦光伏电池评估，介绍如何测量PV电池在不同光照下的发电能力，以及如何评估从PV电池到存储系统的能量传输效率。

1.  基于Silicon Labs xG22-EK8200A能量采集套件的光伏电池评估

本研究采用了Silicon Labs共计的xG22-EK8200A能量采集套件进行性能评估。该套件包含多个核心组件，但本文重点关注以下元件：

• Silicon Labs BRD8201A 双能量采集扩展板（基于e-peas AEM13920 电源管理IC）
• TPLC-3R8/10MR8X14锂电容（Tecate 10F 3.8V）
• Voltaic Systems P121 R1H户外型光伏电池
  

图1：Silicon Labs 双能量采集扩展板，连接Voltaic Systems光伏电池

图1：Silicon Labs 双能量采集扩展板，连接Voltaic Systems光伏电池

2.  精确测量光伏电池性能

如图2所示：性能评估的测试装置由两台Otii Ace Pro 设备组成：1台用于测量光伏电池，另1台用于评估储能系统。由于本文仅关注光伏电池性能，因此只需1台Otii Ace Pro即可完成主要测量任务。

图2：两台Otii Ace组成了光伏电池和储能测量装置

图2：两台Otii Ace组成了光伏电池和储能测量装置

以下为测量设置的示意图：

图3：基于Silicon Labs xG22-EK8200A能量采集套件的太阳能电池与储能系统性能测试原理图 ...

图3：基于Silicon Labs xG22-EK8200A能量采集套件的太阳能电池与储能系统性能测试原理图

在 BRD8201A 双能量采集扩展板中，SRC2 为光伏电池专用输入端，用于接收来自直流光源（如户外 PV 模块）的能量；而 SRC1 则主要为负载侧供电（例如振动传感器等交流/脉冲型设备）。因此，在测试搭建时，应将光伏电池接入 SRC2，以确保其输出首先经过板载 PMIC 进行能量管理，再与储能单元形成完整的采能路径。详情参阅该扩展板的用户指南。

接下来采用串联方式（安培计模式）连接Otii Ace Pro ，使测量设备和DUT（被测设备）串联以测量系统电流。同时采用4线制连接方式（通过Sense + 和 Sense -）测量电压。若未采用4线制测量，Otii Ace 仅能测量内部电压降。

在Otii 项目和原理图中，我们将测量光伏性能的Otii Ace Pro标记为 Ace_EnergyHarvesting，检测储能的设备标记为Ace_Storage。

图4：Otii的串联模式和4线制测量设置

图4：Otii的串联模式和4线制测量设置

本研究在标准办公照明环境下进行评估，测试区域位于室内办公桌面，光照通过可控灯源进行调节，以保持稳定条件。

3. 能量采集性能

该评估方案不仅能深入了解光伏电池的性能表现，更能揭示能量采集PMIC的运行特性。

e-peas PMIC对光伏电池能量流的管理行为

本例中，我们考察了在默认办公照明条件下，由e-peas AEM13920 PMIC采集的光伏电池能量输出。通过监测Otii Ace Pro（项目中标记为Ace_EnergyHarvester）的电流和电压数据，系统在测量数据中呈现出频繁的尖峰现象（见图5）。

图5：电流和电压由Voltaic System 光伏电池和基于 e-peas AEM13920 PMIC的Silicon Labs BRD8201A 双能量扩 ...

图5：电流和电压由Voltaic System 光伏电池和基于 e-peas AEM13920 PMIC的Silicon Labs BRD8201A 双能量扩展板进行采集

如下图6所示，更加详细的尖峰分析显示了电源管理集成电路（PMIC）如何采集能量

图6：聚焦Otii软件上测量到的、e-peas PMIC 从光伏电池采集能量的行为

图6：聚焦Otii软件上测量到的、e-peas PMIC 从光伏电池采集能量的行为

每个工作周期开始时，PMIC会短暂断开光伏电池和负载之间的连接。在此暂停期间，PMIC测量到光伏电池的开路电压（OCV）。系统随后利用该数值计算最大功率点（MPP），即能量采集最高效的运行电压。

在大多数能量采集系统中，开路电压（OCV）与最大功率点（MPP）之间的比例在不同光照条件下通常保持相对稳定，典型范围约为 0.7–0.8。对于 e-peas AEM13920 PMIC，该比值可在 35% 至 85% 之间配置，默认值为 75%，这一设定使其在低照度下仍能快速锁定最优工作点并最大化能量捕获效率。在图6突出显示的区间内，PMIC捕捉了OCV，然后调整运行电压使其维持在该测量值的75%，从而确保能量采集性能最佳。

光伏电池在光照下的行为表现

我们在测试时通过提升光照强度来评估光伏电池的行为特性。随着光照增强，测量的OCV电压也同步上升。在OCV测量周期间隙，PMIC持续工作以维持系统在最佳状态。通过动态调节负载实现最大化捕获能量。如图7所示，该行为在数据中体现为更高的能量采集水平。

图7：不同光照条件下的光伏电池电流和电压

图7：不同光照条件下的光伏电池电流和电压

结语

本文作为系列文章的第一篇，聚焦于嵌入式和物联网太阳能应用中的光伏电池评估。我们展示了如何利用 Otii Ace Pro 与 Silicon Labs xG22-EK8200A 能量采集套件，精准测量光伏组件在不同光照下的性能，并深入分析电源管理集成电路（PMIC）在能量采集过程中的关键作用。

该测试平台结构简洁、易于搭建，既能提供高精度测量，又具备良好的可扩展性，适合在后续研究中逐步集成更多采能或储能组件。每新增待测组件，开发人员在本设置基础上添加1台Otii 设备即可构建稳健灵活的测试系统。后续文章将聚焦于能量存储技术，进一步解析如何在动态环境下保持系统净能量为正。

如果您对能量采集技术感兴趣，Qoitech 的合作伙伴 Mouser 已将核心组件打包为便捷的一站式采购方案，欢迎联系获取更多信息。

同时，诚邀您在 2025 年 9 月 23–24 日莅临荷兰阿姆斯特丹 The Things Conference（展位 B21），与 Qoitech 团队及合作伙伴 Silicon Labs 一同深入交流最新的能量采集实践。