- 智能型太陽能充電電路設計與實現(xiàn)
- 自動調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡與電源管理芯片的相結(jié)合
- 將這些設計應用到油田無線示功儀和無線網(wǎng)絡節(jié)點中
隨著無線技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡技術(shù)越來越多投入到實際應用中， 無線傳感器網(wǎng)絡一般分布范圍較廣，架設供電線路，投資大，維護成本高。 如采取干電池方式供電，則每個節(jié)點的電源供電能力有限，對每個節(jié)點更換電池不僅費時、費力，增加成本，而且影響工作效率。 能否穩(wěn)定持續(xù)的供電，成為制約油田無線示功儀及其無線網(wǎng)絡發(fā)展的一個重要因素，太陽能技術(shù)的發(fā)展使供電方式產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展，已經(jīng)成為油田無線示功儀及其中繼網(wǎng)絡節(jié)點供電方式的發(fā)展方向。 本文擬對油田監(jiān)測示功儀及中繼網(wǎng)絡節(jié)點設計一種智能化、免維護型的太陽能充電電路，為無線網(wǎng)絡節(jié)點供電。 該設計電路具有以下特點： ①基于開關(guān)電源技術(shù)設計的充電網(wǎng)絡具有自動調(diào)節(jié)占空比的功能， 具有很寬的輸入電壓范圍。 ②采用線性電源管理芯片，用先預充2恒流2恒壓的充電方式完成整個充電過程。 ③采用低噪聲、高速度的CMOS 型電壓調(diào)節(jié)器，具有高精度的恒壓、恒流輸出。 ④充電過壓保護、鋰電池過放電保護功能，使鋰電池充、放電安全可靠。 ⑤自動跟蹤太陽的功能，太陽能采集板始終保持對準太陽，充分利用太陽能。
1 系統(tǒng)設計
現(xiàn)有的光伏電池，單體的輸出電壓都很低（在1V 以下） ，本設計中，將多個光伏電池相串聯(lián)，組成太陽能組件。 通過可以自動調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡保證在光照強度變化和負載變化時，輸出電壓基本穩(wěn)定，為充電管理芯片提供穩(wěn)定的電壓輸入。 通過對供電網(wǎng)絡的副邊電壓監(jiān)測，保護充電管理芯片不因電壓過高而損壞。 通過對電池兩端的電壓監(jiān)測，保證鋰電池不會因過放電而損壞。 由于無線示功儀及其中繼網(wǎng)絡節(jié)點的供電要求是313V，采用低噪聲、高速度的CMOS型電壓調(diào)節(jié)器。 在自動跟蹤控制器作用下，始終保持全天候跟蹤太陽。 為了防止因連續(xù)陰雨天而導致的太陽能供電不足，設計應急充電電路，充電期間，無線示功儀及其節(jié)點正常運行。 具體系統(tǒng)設計模塊如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)設計示意圖
2 硬件電路設計
2.1 太陽能組件及充電電路設計
本文設計中采用16個光伏電池串聯(lián)，組成電壓約為1218V 的太陽能組件，通過采集較高多的光能，保證日照能夠使鋰電池完全充滿電。 供電網(wǎng)絡設計電路采用正激式拓撲結(jié)構(gòu)［ 1 ］ 。 具體電路如圖2所示。
圖2 智能型太陽能充電電路設計主電路
太陽能組件產(chǎn)生的電能，一路經(jīng)過開關(guān)變壓器T1 的122繞組加至開關(guān)管Q1 的集電極（ c） ，另一路經(jīng)過R1 為Q1 提供基極電壓。 當基極（ b）的電壓為高電平時， Q1 開始導通，變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負的電動勢，經(jīng)T1 耦合，在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負的感應電動勢，此電動勢經(jīng)R5 ， C2 疊加到Q1的基極（ b） ，使Q1 迅速飽和導通。 由于變壓器T1 的122間的電流不能突變，在此過程中會產(chǎn)生1負2正的電動勢。 變壓器T1 的324繞組中感應出3負4正的電動勢，通過R5 ， C2 ，使Q1 迅速進入截止狀態(tài)。 經(jīng)R1 對C2 的不斷充電， Q1 又開始導通，進入下一輪的開關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導通期間， T1 變壓器的副邊繞組526，經(jīng)整流二極管D4 向外輸送能量。
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穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管D0、三極管Q2 等元件組成。 當負載減輕或太陽能組件輸出電壓升高時， A 點電壓上升。 當該電壓大于511V 時， D0 擊穿， Q2 因b2e結(jié)正向偏置而迅速導通，使Q1 提前截止，從而使輸出電壓趨于下降；反之，則控制過程相反，從而使變壓器T1 副邊輸出電壓基本穩(wěn)定。 當負載過重時， Q1 的c2e電流增大， R4 上的壓降也隨之增大。 當該電壓大于017V 時， Q2 導通， Q1 截止，達到過流保護的目的。 為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應出的尖峰脈沖擊穿開關(guān)管Q1 ，并聯(lián)了尖峰脈沖吸收電路。
2.2 過電壓保護控制
過電壓保護控制，具體電路如圖3所示：整流二極管D4 接過電壓保護繼電器JDQ1輸出。 充電控制管理芯片MCP73831最大輸入電壓為6V. 雖然供電網(wǎng)絡基本輸出電壓為5V，但當光照強度發(fā)生劇烈變化或負載變化較大時，輸出電壓仍然會有一定波動，為保護MCP73831不因短時的電壓波動而損壞，設計了過電壓保護控制器。 當W1 的電壓超過6V， JDQ 1會斷開輸出電路，MCP73831因斷電而得到保護。 具體分析如下：此部分電路設計主要采用了LM 2903電壓比較器和外圍電路擴展而成。 LM 2903包含兩路比較器，1， 2， 3腳為一路， 1腳為OU TPU TA， 2， 3腳為IN PU TA. 5， 6， 7腳為另一路， 7腳為OU TPU TB， 5， 6腳為IN PU TB. 其中過電壓保護控制器用5， 6， 7腳的比較器。電阻R11 ， R13分壓后接至比較器的5腳。 當電壓大于6V 即分壓值大于214V. 比較器的7腳輸出電平由低轉(zhuǎn)為高。 Q3 飽和導通，則Q5 截止，安全工作指示燈熄滅，接點J1為高電平，此時JDQ 1開始工作，供電電路與后續(xù)電路斷開，同時過電壓紅色警示燈亮起。
圖3 過電壓與過放電保護控制電路
當鋰電池電壓低于315V 時，即電池電量釋放92%以上時，認為不能繼續(xù)放電，否則鋰電池內(nèi)部介質(zhì)會發(fā)生變化，致使充電特性變壞，容量降低等。 為此設計過放電保護控制電路，此電路的具體設計如圖3，分析如下：采用了LM 2903的1， 2， 3腳組成的一路比較器，與外圍器件構(gòu)成過放電壓比較器， R12 ， R14分壓后接至LM 2093的3腳。 當電壓值小于315V 時，分壓值小于214V， LM 2903的1腳由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑?Q4 由導通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範顟B(tài)， Q6 飽和導通， JDQ2工作，同時過放紅色指示燈亮。
2.4 自動跟蹤控制器
控制器的輸入端，光敏傳感器分別由兩只光敏電阻串聯(lián)交叉組合而成。 每一組兩只光敏電阻中的一只為比較器的上偏置電阻，另一只為下偏置電阻。 一只檢測太陽光照，另一只則檢測環(huán)境光照，送至比較器輸入端的比較電平始終為兩者光照之差。 具體電路如圖4所示：光敏電阻RT1 ， RT2 與電位器R27和光敏電阻RT3 ， RT4 與電位器R28分別構(gòu)成光敏傳感電路。 將RT1 和RT3 安裝在垂直遮陽板的一側(cè)， RT4 和RT2安裝在另一側(cè)。 當RT1 ， RT2 ， RT3 和RT4 同時受環(huán)境自然光線作用時， R27和R28的中心點電壓不變。 當只有RT1 ， RT3 受太陽光照射， RT1 的內(nèi)阻減小， LM 2903 的5 腳電位升高， 7 腳輸出高電平， 三極管Q7 導通，JDQ 4工作，其觸點3， 5閉合。 同時RT3 內(nèi)阻減小， LM 2903的3腳電位下降， JDQ 5不工作，電機M 正轉(zhuǎn)；當只有RT2 ， RT4 受太陽光照射，同理，電機M 反轉(zhuǎn)。 當轉(zhuǎn)到垂直遮陽板兩側(cè)的光照度相同時， JDQ 4， JDQ 5都導通，電機M 才停轉(zhuǎn)。 在太陽不停地偏移過程中，垂直遮陽板兩側(cè)光照度的強弱不斷地交替變化，電機不停的運動，使太陽能接收裝置始終面朝太陽。
2.5 充電管理電路設計
鋰電池的充電過程一般分為3個階段： ①涓流充電階段。 ②恒流充電階段。 一般可以充電到電池容量的85%左右。 ③恒壓充電階段。鋰電池過充，輕則減少電池壽命，性能變壞，重則產(chǎn)生漏液等。在本文的設計中，采用了線性充電管理芯片MCP73831，如圖1所示。 該芯片具有輸出電壓準確，任意設定充電電流，自動轉(zhuǎn)換充電模式，消耗電流極小（25uA ） ，過充監(jiān)測保護等功能和特點。 MCP73831各管腳的功能：
VDD 為輸入電壓端； VSS 為參考零電壓端； VBA T為充電控制輸出端； STA T 為充電狀態(tài)輸出端。 PROG為電流設定與充電控制使能端。 鋰電池充電時，充電管理芯片MCP73831的PROG 接口須外接電阻到VSS，具體計算公式： IREG = 1000 （V ） /RPROG其中RPROG的單位為kΩ， IREG的單位為mA. 在本文設計中RPROG = 2kΩ。
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則IREG = 500mA. STA T的各接口狀態(tài)及電路設計中指示燈的邏輯關(guān)系如表1所示。 充電管理芯片MCP73831通過檢測鋰電池的BA T引腳來判斷電池的各個狀態(tài)，從而對電池進行充電管理。 不發(fā)生過電壓保護時，供電網(wǎng)絡一方面對MCP73831提供5V 電壓。 一方面通過D 5傳輸?shù)絁DQ2對后續(xù)電路供電。 應急充電時，外接5V 電源，一路通過D5到繼電器JDQ 2. 另一路到達MCP73831對鋰電池充電。 D5 陰極端輸出電壓5（V ） - 017 （V ） = 413 （V ） ，由于鋰電池的電壓在充滿或非充滿電狀態(tài)的時候，都低于D6 陰極輸出端電壓（D5 ， D6 共陰極） ， 所以在應急充電的過程中， RT9193正常工作。 在CMOS （ comp lem entary m etal2oxidesem iconducto r）型電壓調(diào)節(jié)器RT9193的B P端和地之間連接一個22nF的電容，可以極大的減少調(diào)節(jié)器的輸出噪聲。在常溫狀態(tài)下，充電完成時電壓412V 的鋰電池， 消耗了90%的電量時候， 電壓仍然會保持315V. 本文設計中選用電壓調(diào)節(jié)器RT9193，即使314V 的時候，輸出電壓仍然可以穩(wěn)定在313V。
表1MCP73831電路設計中指示燈的邏輯關(guān)系
3 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
在調(diào)試中， 采用模塊化測試的方法， 最后進行聯(lián)合調(diào)試。 對供電網(wǎng)絡進行測試，選用可調(diào)電源，調(diào)節(jié)輸入電壓，輸出電壓及試驗數(shù)據(jù)如表2所示。 通過應急充電接口接入標準5V 電壓，斷開RT9193，對進行測試時，沒有連接二極管D5 ， D6 ，發(fā)現(xiàn)MCP73831的指示燈指示不正確。 分析發(fā)現(xiàn)， 不連接二極管D5 ， D6 ， 相當于RT9193直接連接在BA T引腳輸出，在MCP73831上電的瞬間， 要檢測BA T的狀態(tài)， RT9193的輸入引腳及支路連接到鋰電池的正極，直接影響到了MCP73831對BA T引腳的檢測狀態(tài)，致使充電進入涓流充電階段。 增加D5 ， D6后，再進行試驗，指示燈符合邏輯要求。 測試輸出電流為最大為485mA，充電電壓達到412V 時，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈亮起，完成對鋰電池的充電。 W1 接入0~10V 可調(diào)節(jié)電壓源（初始值設為5V ） ，M1 接入0~5V 可調(diào)節(jié)電壓源（初始值設為4V ） ，調(diào)節(jié)滑動變阻器R13 ， R14. 使W 1輸入電壓6V 時LM 2903的7腳由低電平轉(zhuǎn)為高電平。 測量此時滑動電阻器R13 = 3115kΩ， 固定此電阻值。 M1 輸入電壓315V 時LM 2903的1腳由高電平轉(zhuǎn)為低電平，測量此時滑動變阻器R14 = 1kΩ，固定此電阻值。 此時發(fā)現(xiàn)LM 2903的1腳輸出處于臨界值，不停的在高低電平之間變換，繼電器JDQ2不停的通斷， 減少了JDQ2的使用壽命，極易損壞無線示功儀及無線網(wǎng)絡設備， 對無線設備的壽命影響也極大。 分析發(fā)現(xiàn)：在過放電保護過程中，檢測值和比較值如果達到基本一致的狀態(tài)，則會產(chǎn)生臨界保護。 為此在電阻R20與R′20之間接電解電容C13 ，通過對電容的充放電，延遲了Q4 的關(guān)斷時間，增加了開啟和關(guān)斷的時間間隔，電容的大小決定了時間間隔的長短。 該時間即為過放保護控制器的保護延時時間。 設計選用212μF電容，測試發(fā)現(xiàn)延時15s左右。
自動跟蹤控器調(diào)試，調(diào)試時W1 接5V 電源，用一只100W 燈泡照射RT1 與RT3 并移動燈光，可以發(fā)現(xiàn)太陽能采集板跟著燈光運動。 但穩(wěn)定狀態(tài)時電機不停震動， 此時通過在電阻R31與電阻R32之間增加一個417uF電容，延遲電機啟動、停止時間。 經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)延時時間40s左右，相對太陽照射時間來說，此時間可以忽略不計，不影響跟蹤功能。 同理在電阻R34與電阻R35之間增加一個417μF電容。 經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：可以完全消除電機震動現(xiàn)象且跟蹤效果良好。 各部分獨立調(diào)試完成后對供電網(wǎng)絡和充電管理芯片MCP73831進行聯(lián)調(diào)，然后增加RT9193進行調(diào)試， 最后實現(xiàn)整個系統(tǒng)的調(diào)試。 經(jīng)測試證明， 實現(xiàn)了設計目標和功能要求。
4 結(jié)語
此智能型太陽能充電電路，具有工作性能穩(wěn)定，運行安全可靠、低損耗，高效率、結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓精度高等優(yōu)點。 自動調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡與電源管理芯片的相結(jié)合，過壓與過放電保護，自動跟蹤太陽等功能是比較有創(chuàng)造性的設計方式，特別是將這些設計應用到油田無線示功儀和無線網(wǎng)絡節(jié)點中，是一種嶄新的嘗試，也是應用上的突破。 目前本文所設計開發(fā)的太陽能充電及自動跟蹤電路已經(jīng)成功應用于江蘇油田無線示功儀及其無線通訊網(wǎng)絡中。 實踐證明該系統(tǒng)充電速度快， 效率較高， 可以實時跟蹤太陽， 工作穩(wěn)定，維護量少。 具有較高的實用及推廣價值。
