智能型太阳能充电电路设计

随着无线威廉希尔官方网站 的发展 ,无线网络威廉希尔官方网站 越来越多投入到实际应用中 ,无线传感器网络一般分布范围较广 ,架设供电线路 ,投资大 ,维护成本高. 如采取干电池方式供电 ,则每个节点的电源供电能力有限 ,对每个节点更换电池不仅费时、费力 ,增加成本 ,而且影响工作效率. 能否稳定持续的供电 ,成为制约油田无线示功仪及其无线网络发展的一个重要因素 ,太阳能威廉希尔官方网站 的发展使供电方式产生了飞跃式的发展 ,已经成为油田无线示功仪及其中继网络节点供电方式的发展方向. 本文拟对油田监测示功仪及中继网络节点设计一种智能化、免维护型的太阳能充电电路 ,为无线网络节点供电. 该设计电路具有以下特点 : ①基于开关电源威廉希尔官方网站 设计的充电网络具有自动调节占空比的功能 , 具有很宽的输入电压范围. ②采用线性电源管理芯片 ,用先预充 2恒流 2恒压的充电方式完成整个充电过程. ③采用低噪声、高速度的 CMOS型电压调节器 ,具有高精度的恒压、恒流输出. ④充电过压保护、锂电池过放电保护功能 ,使锂电池充、放电安全可靠. ⑤自动跟踪太阳的功能 ,太阳能采集板始终保持对准太阳 ,充分利用太阳能.

1 系统设计
  现有的光伏电池 ,单体的输出电压都很低 (在 1V 以下 ) ,本设计中 ,将多个光伏电池相串联 ,组成太阳能组件. 通过可以自动调节占空比的供电网络保证在光照强度变化和负载变化时 ,输出电压基本稳定[ 1 ],为充电管理芯片提供稳定的电压输入. 通过对供电网络的副边电压监测 ,保护充电管理芯片不因电压过高而损坏. 通过对电池两端的电压监测 ,保证锂电池不会因过放电而损坏. 由于无线示功仪及其中继网络节点的供电要求是 313V ,采用低噪声、高速度的 CMOS型电压调节器. 在自动跟踪控制器作用下 ,始终保持全天候跟踪太阳. 为了防止因连续阴雨天而导致的太阳能供电不足 ,设计应急充电电路 ,充电期间 ,无线示功仪及其节点正常运行. 具体系统设计模块如图 1所示.

2 硬件电路设计
  211 太阳能组件及充电电路设计
  本文设计中采用 16个光伏电池串联 ,组成电压约为 1218V 的太阳能组件 ,通过采集较高多的光能 ,保证日照能够使锂电池完全充满电. 供电网络设计电路采用正激式拓扑结构[ 1 ]. 具体电路如图 2所示.

  太阳能组件产生的电能 ,一路经过开关变压器 T1 的 122绕组加至开关管 Q1 的集电极 ( c) ,另一路经过 R1 为 Q1 提供基极电压. 当基极 ( b)的电压为高电平时 , Q1 开始导通 ,变压器 T1 的 122绕组中产生 1正2负的电动势 ,经 T1 耦合 ,在 T1 的 324绕组中产生 3正 4负的感应电动势 ,此电动势经 R5, C2 叠加到 Q1的基极 ( b) ,使 Q1 迅速饱和导通. 由于变压器 T1 的 122间的电流不能突变 ,在此过程中会产生 1负 2正的电动势. 变压器 T1 的 324绕组中感应出 3负 4正的电动势 ,通过 R5, C2,使 Q1 迅速进入截止状态. 经 R1 对C2 的不断充电 , Q1 又开始导通 ,进入下一轮的开关振荡状态. 在导通期间 , T1 变压器的副边绕组 526,经整流二极管 D4 向外输送能量.

  稳压电路由稳压管 D0、三极管 Q2 等元件组成. 当负载减轻或太阳能组件输出电压升高时 , A 点电压上升. 当该电压大于 511V 时 , D0 击穿 , Q2 因 b2e结正向偏置而迅速导通 ,使 Q1 提前截止 ,从而使输出电压趋于下降;反之 ,则控制过程相反 ,从而使变压器 T1 副边输出电压基本稳定. 当负载过重时 , Q1 的 c2e电流增大 , R4 上的压降也随之增大. 当该电压大于 017V 时 , Q2 导通 , Q1 截止 ,达到过流保护的目的. 为避免截止期间变压器 T1 的 122绕组感应出的尖峰脉冲击穿开关管 Q1,并联了尖峰脉冲吸收电路.
2.2 过电压保护控制
  过电压保护控制 ,具体电路如图 3所示 :整流二极管 D4 接过电压保护继电器 JDQ 1输出. 充电控制管理芯片 M CP73831最大输入电压为 6V. 虽然供电网络基本输出电压为 5V ,但当光照强度发生剧烈变化或负载变化较大时 ,输出电压仍然会有一定波动 ,为保护 M CP73831不因短时的电压波动而损坏 ,设计了过电压保护控制器. 当 W1 的电压超过 6V , JDQ 1会断开输出电路 , M CP73831因断电而得到保护. 具体分析如下 :此部分电路设计主要采用了 LM 2903电压比较器和外围电路扩展而成. LM 2903包含两路比较器 ,1, 2, 3脚为一路 , 1脚为 OU TPU TA , 2, 3脚为 IN PU TA. 5, 6, 7脚为另一路 , 7脚为 OU TPU TB, 5, 6脚为IN PU TB. 其中过电压保护控制器用 5, 6, 7脚的比较器[ 2 ]
. 电阻 R11, R13分压后接至比较器的 5脚. 当电压大于 6V 即分压值大于 214V. 比较器的 7脚输出电平由低转为高. Q3 饱和导通 ,则 Q5 截止 ,安全工作指示灯熄灭 ,接点 J1为高电平 ,此时 JDQ 1开始工作 ,供电电路与后续电路断开 ,同时过电压红色警示灯亮起.
2.3 过放电保护控制
  当锂电池电压低于 315V 时 ,即电池电量释放 92%以上时 ,认为不能继续放电 ,否则锂电池内部介质会发生变化 ,致使充电特性变坏 ,容量降低等. 为此设计过放电保护控制电路 ,此电路的具体设计如图 3,分析如下 :采用了 LM 2903的 1, 2, 3脚组成的一路比较器 ,与外围器件构成过放电压比较器 , R12, R14分压后接至 LM 2093的 3脚. 当电压值小于 315V 时 ,分压值小于 214V , LM 2903的 1脚由高电平转变为低电平 , Q4 由导通转变为截止状态 , Q6 饱和导通 , JDQ 2工作 ,同时过放红色指示灯亮.
2.4 自动跟踪控制器
  控制器的输入端 ,光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成. 每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻 ,另一只为下偏置电阻. 一只检测太阳光照 ,另一只则检测环境光照 ,送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差[ 3 - 4 ]. 具体电路如图 4所示 :光敏电阻 RT1, RT2 与电位器 R27和光敏电阻 RT3, RT4 与电位器 R28分别构成光敏传感电路. 将 RT1 和 RT3 安装在垂直遮阳板的一侧 , RT4 和 RT2安装在另一侧. 当 RT1, RT2, RT3 和 RT4 同时受环境自然光线作用时 , R27和 R28的中心点电压不变. 当只有RT1, RT3 受太阳光照射 , RT1 的内阻减小 , LM 2903的 5脚电位升高 , 7脚输出高电平 ,三极管 Q7 导通 ,JDQ 4工作 ,其触点 3, 5闭合. 同时 RT3 内阻减小 , LM 2903的 3脚电位下降 , JDQ 5不工作 ,电机 M 正转;当只有 RT2, RT4 受太阳光照射 ,同理 ,电机 M 反转. 当转到垂直遮阳板两侧的光照度相同时 , JDQ 4, JDQ 5都导通 ,电机 M 才停转. 在太阳不停地偏移过程中 ,垂直遮阳板两侧光照度的强弱不断地交替变化 ,电机不停的运动 ,使太阳能接收装置始终面朝太阳.
2.5 充电管理电路设计
  锂电池的充电过程一般分为 3个阶段 : ①涓流充电阶段. ②恒流充电阶段. 一般可以充电到电池容量的 85%左右. ③恒压充电阶段[ 5 ]. 锂电池过充 ,轻则减少电池寿命 ,性能变坏 ,重则产生漏液等[ 6 ]. 在本文的设计中 ,采用了线性充电管理芯片 M CP73831[ 7 ],如图 1所示. 该芯片具有输出电压准确 ,任意设定充电电流 ,自动转换充电模式 ,消耗电流极小 (25uA ) ,过充监测保护等功能和特点. M CP73831各管脚的功能 :

  VDD 为输入电压端; VSS为参考零电压端; VBA T为充电控制输出端; STA T为充电状态输出端. PROG为电流设定与充电控制使能端. 锂电池充电时 ,充电管理芯片 M CP73831的 PROG 接口须外接电阻到 VSS,具体计算公式 : IREG = 1000 (V ) /RPRO G其中 RPROG的单位为 kΩ, IREG的单位为 mA. 在本文设计中 RPROG = 2kΩ.则 IREG = 500mA. STA T的各接口状态及电路设计中指示灯的逻辑关系如表 1所示. 充电管理芯片 M CP73831通过检测锂电池的 BA T引脚来判断电池的各个状态 ,从而对电池进行充电管理. 不发生过电压保护时 ,供电网络一方面对 M CP73831提供 5V 电压. 一方面通过 D 5传输到 JDQ 2对后续电路供电. 应急充电时 ,外接 5V 电源 ,一路通过 D 5到继电器 JDQ 2. 另一路到达 M CP73831对锂电池充电. D5 阴极端输出电压 5(V ) - 017 (V ) = 413 (V ) ,由于锂电池的电压在充满或非充满电状态的时候 ,都低于 D6 阴极输出端电压(D5, D6 共阴极 ) , 所以在应急充电的过程中 , RT9193正常工作. 在 CMOS ( comp lem entary m etal2oxidesem iconducto r)型电压调节器 RT9193的 B P端和地之间连接一个 22nF的电容 ,可以极大的减少调节器的输出噪声[ 8 ]. 在常温状态下 ,充电完成时电压 412V 的锂电池 ,消耗了 90%的电量时候 ,电压仍然会保持315V. 本文设计中选用电压调节器 RT9193,即使 314V 的时候 ,输出电压仍然可以稳定在 313V.

3 试验数据及结果分析

  在调试中 ,采用模块化测试的方法 ,最后进行联合  调试. 对供电网络进行测试 ,选用可调电源 ,调节输入电  压 ,输出电压及试验数据如表 2所示. 通过应急充电接  口接入标准 5V 电压 ,断开 RT9193,对进行测试时 ,没有  连接二极管 D5  , D6  ,发现 M CP73831的指示灯指示不正  确. 分析发现 ,不连接二极管 D5  , D6  ,相当于 RT9193直  接连接在 BA T引脚输出 ,在 M CP73831上电的瞬间 ,要  检测 BA T的状态 , RT9193的输入引脚及支路连接到锂  电池的正极 ,直接影响到了 M CP73831对 BA T引脚的检测状态 ,致使充电进入涓流充电阶段. 增加 D5  , D6  后 ,再进行试验 ,指示灯符合逻辑要求. 测试输出电流为最大为 485mA ,充电电压达到 412V 时 ,绿色指示  灯熄灭 ,红色指示灯亮起 ,完成对锂电池的充电. W1 接入 0～10V 可调节电压源 (初始值设为 5V ) , M1 接  入 0～5V 可调节电压源 (初始值设为 4V ) ,调节滑动变阻器 R13  , R14  . 使 W 1输入电压 6V 时 LM 2903的 7  脚由低电平转为高电平. 测量此时滑动电阻器 R13 = 3115kΩ, 固定此电阻值. M1 输入电压 315V 时  LM 2903的 1脚由高电平转为低电平 ,测量此时滑动变阻器 R14 = 1kΩ,固定此电阻值. 此时发现 LM 2903  的 1脚输出处于临界值 ,不停的在高低电平之间变换 ,继电器 JDQ 2不停的通断 ,减少了 JDQ 2的使用寿  命 ,极易损坏无线示功仪及无线网络设备 ,对无线设备的寿命影响也极大. 分析发现 :在过放电保护过程  中 ,检测值和比较值如果达到基本一致的状态 ,则会产生临界保护. 为此在电阻 R20与 R2′0之间接电解电容  C13  ,通过对电容的充放电 ,延迟了 Q4 的关断时间 ,增加了开启和关断的时间间隔 ,电容的大小决定了时间  间隔的长短. 该时间即为过放保护控制器的保护延时时间. 设计选用 212μF电容 ,测试发现延时 15s左右.  

  自动跟踪控器调试 ,调试时 W1 接 5V 电源 ,用一只 100W 灯泡照射 RT1 与 RT3 并移动灯光 ,可以发现  太阳能采集板跟着灯光运动. 但稳定状态时电机不停震动 ,此时通过在电阻 R31与电阻 R32之间增加一个  417uF电容 ,延迟电机启动、停止时间. 经测试发现延时时间 40s左右 ,相对太阳照射时间来说 ,此时间可  以忽略不计 ,不影响跟踪功能. 同理在电阻 R34与电阻 R35之间增加一个 417μF电容. 经测试发现 :可以完  全消除电机震动现象且跟踪效果良好. 各部分独立调试完成后对供电网络和充电管理芯片 M CP73831进  行联调 ,然后增加 RT9193进行调试 ,最后实现整个系统的调试. 经测试证明 ,实现了设计目标和功能要求.