- 智能型太陽能充電電路設(shè)計與實現(xiàn)
- 自動調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡(luò)與電源管理芯片的相結(jié)合
- 將這些設(shè)計應(yīng)用到油田無線示功儀和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中
隨著無線技術(shù)的發(fā)展,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越多投入到實際應(yīng)用中, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般分布范圍較廣,架設(shè)供電線路,投資大,維護(hù)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(luò)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(luò)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(luò)節(jié)點設(shè)計一種智能化、免維護(hù)型的太陽能充電電路,為無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電。 該設(shè)計電路具有以下特點: ①基于開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計的充電網(wǎng)絡(luò)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(yù)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(hù)、鋰電池過放電保護(hù)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(zhǔn)太陽,充分利用太陽能。
1 系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(luò)保證在光照強(qiáng)度變化和負(fù)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(luò)的副邊電壓監(jiān)測,保護(hù)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(luò)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(dǎo)致的太陽能供電不足,設(shè)計應(yīng)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(shè)計模塊如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)設(shè)計示意圖
2 硬件電路設(shè)計
2.1 太陽能組件及充電電路設(shè)計
本文設(shè)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(luò)設(shè)計電路采用正激式拓?fù)浣Y(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(shè)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(dāng)基極( b)的電壓為高電平時, Q1 開始導(dǎo)通,變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負(fù)的電動勢,經(jīng)T1 耦合,在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負(fù)的感應(yīng)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(dǎo)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(fù)2正的電動勢。 變壓器T1 的324繞組中感應(yīng)出3負(fù)4正的電動勢,通過R5 , C2 ,使Q1 迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 經(jīng)R1 對C2 的不斷充電, Q1 又開始導(dǎo)通,進(jìn)入下一輪的開關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導(dǎo)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(dāng)負(fù)載減輕或太陽能組件輸出電壓升高時, A 點電壓上升。 當(dāng)該電壓大于511V 時, D0 擊穿, Q2 因b2e結(jié)正向偏置而迅速導(dǎo)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(dāng)負(fù)載過重時, Q1 的c2e電流增大, R4 上的壓降也隨之增大。 當(dāng)該電壓大于017V 時, Q2 導(dǎo)通, Q1 截止,達(dá)到過流保護(hù)的目的。 為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應(yīng)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(hù)控制
過電壓保護(hù)控制,具體電路如圖3所示:整流二極管D4 接過電壓保護(hù)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(luò)基本輸出電壓為5V,但當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化或負(fù)載變化較大時,輸出電壓仍然會有一定波動,為保護(hù)MCP73831不因短時的電壓波動而損壞,設(shè)計了過電壓保護(hù)控制器。 當(dāng)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(hù)。 具體分析如下:此部分電路設(shè)計主要采用了LM 2903電壓比較器和外圍電路擴(kuò)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(hù)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(dāng)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(dǎo)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(hù)控制電路
當(dāng)鋰電池電壓低于315V 時,即電池電量釋放92%以上時,認(rèn)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(shè)計過放電保護(hù)控制電路,此電路的具體設(shè)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(dāng)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(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài), Q6 飽和導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(jī)M 正轉(zhuǎn);當(dāng)只有RT2 , RT4 受太陽光照射,同理,電機(jī)M 反轉(zhuǎn)。 當(dāng)轉(zhuǎn)到垂直遮陽板兩側(cè)的光照度相同時, JDQ 4, JDQ 5都導(dǎo)通,電機(jī)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(qiáng)弱不斷地交替變化,電機(jī)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(shè)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(shè)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(zhǔn)確,任意設(shè)定充電電流,自動轉(zhuǎn)換充電模式,消耗電流極?。?5uA ) ,過充監(jiān)測保護(hù)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(shè)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(shè)計中RPROG = 2kΩ。
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則IREG = 500mA. STA T的各接口狀態(tài)及電路設(shè)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(jìn)行充電管理。 不發(fā)生過電壓保護(hù)時,供電網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(dá)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。 對供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yīng)急充電接口接入標(biāo)準(zhǔn)5V 電壓,斷開RT9193,對進(jìn)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(dāng)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(jìn)入涓流充電階段。 增加D5 , D6后,再進(jìn)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(dá)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(shè)為5V ) ,M1 接入0~5V 可調(diào)節(jié)電壓源(初始值設(shè)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(luò)設(shè)備, 對無線設(shè)備的壽命影響也極大。 分析發(fā)現(xiàn):在過放電保護(hù)過程中,檢測值和比較值如果達(dá)到基本一致的狀態(tài),則會產(chǎn)生臨界保護(hù)。 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(hù)控制器的保護(hù)延時時間。 設(shè)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(jī)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(jī)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(jī)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(luò)和充電管理芯片MCP73831進(jìn)行聯(lián)調(diào),然后增加RT9193進(jìn)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(shè)計目標(biāo)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(luò)與電源管理芯片的相結(jié)合,過壓與過放電保護(hù),自動跟蹤太陽等功能是比較有創(chuàng)造性的設(shè)計方式,特別是將這些設(shè)計應(yīng)用到油田無線示功儀和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中,是一種嶄新的嘗試,也是應(yīng)用上的突破。 目前本文所設(shè)計開發(fā)的太陽能充電及自動跟蹤電路已經(jīng)成功應(yīng)用于江蘇油田無線示功儀及其無線通訊網(wǎng)絡(luò)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(hù)量少。 具有較高的實用及推廣價值。