【導(dǎo)讀】此智能型太陽能充電電路，具有工作性能穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠、低損耗，高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電壓精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前本文所設(shè)計(jì)開發(fā)的太陽能充電及自動(dòng)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。
針對(duì)油田無線示功儀及其無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問題，采用開關(guān)電源技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太陽能組件電壓變化或負(fù)載波動(dòng)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)了過電壓保護(hù)電路、過放電保護(hù)電路與應(yīng)急充電電路等， 采用充電管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋰電池充電及電壓調(diào)節(jié)電路，根據(jù)光敏傳感器輸出差值比較電壓設(shè)計(jì)了太陽自動(dòng)跟蹤控制器。該太陽能充電電路思路新穎，在應(yīng)用上是一種突破，工作效率達(dá)到92% ，輸出電壓精度為98% ，系統(tǒng)運(yùn)行一年來，工作性能安全、穩(wěn)定。應(yīng)用證明具有較高的實(shí)用和推廣價(jià)值。
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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的電源供電能力有限，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)更換電池不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)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(gè)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(diǎn)供電方式的發(fā)展方向。本文擬對(duì)油田監(jiān)測(cè)示功儀及中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)供電。
該設(shè)計(jì)電路具有以下特點(diǎn)：
①基于開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)的充電網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)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(gè)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(dòng)跟蹤太陽的功能，太陽能采集板始終保持對(duì)準(zhǔn)太陽，充分利用太陽能。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jì)中，將多個(gè)光伏電池相串聯(lián)，組成太陽能組件。通過可以自動(dòng)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(shí)，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(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的副邊電壓監(jiān)測(cè)，保護(hù)充電管理芯片不因電壓過高而損壞。通過對(duì)電池兩端的電壓監(jiān)測(cè)，保證鋰電池不會(huì)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(diǎn)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(dòng)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(jì)應(yīng)急充電電路，充電期間，無線示功儀及其節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊如圖1 所示。
圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖
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2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 太陽能組件及充電電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)中采用16 個(gè)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(jì)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(jì)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(shí)， 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(dòng)勢(shì)，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(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)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(huì)產(chǎn)生1 負(fù)2 正的電動(dòng)勢(shì)。變壓器T1 的324 繞組中感應(yīng)出3 負(fù)4 正的電動(dòng)勢(shì)，通過R5 ， C2 ，使Q1 迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。經(jīng)R1 對(duì)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。
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(shí)， A 點(diǎn)電壓上升。當(dāng)該電壓大于511V 時(shí)， 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(shí)，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(shí)， 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(shí)，輸出電壓仍然會(huì)有一定波動(dòng)，為保護(hù)MCP73831 不因短時(shí)的電壓波動(dòng)而損壞，設(shè)計(jì)了過電壓保護(hù)控制器。當(dāng)W1 的電壓超過6V， JDQ 1 會(huì)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(jì)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(diǎn)J1 為高電平，此時(shí)JDQ 1 開始工作，供電電路與后續(xù)電路斷開，同時(shí)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
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2.3 過放電保護(hù)控制
當(dāng)鋰電池電壓低于315V 時(shí)，即電池電量釋放92%以上時(shí)，認(rèn)為不能繼續(xù)放電，否則鋰電池內(nèi)部介質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，致使充電特性變壞，容量降低等。為此設(shè)計(jì)過放電保護(hù)控制電路，此電路的具體設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)過放紅色指示燈亮。
2.4 自動(dòng)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(cè)太陽光照，另一只則檢測(cè)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(shí)受環(huán)境自然光線作用時(shí)，R27 和R28 的中心點(diǎn)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(diǎn)3， 5 閉合。同時(shí)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(shí)，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(yùn)動(dòng)，使太陽能接收裝置始終面朝太陽。
圖4：自動(dòng)跟蹤控制器
2.5 充電管理電路設(shè)計(jì)
鋰電池的充電過程一般分為3 個(gè)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(jì)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(dòng)轉(zhuǎn)換充電模式，消耗電流極小（25uA ） ，過充監(jiān)測(cè)保護(hù)等功能和特點(diǎn)。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(shí)，充電管理芯片MCP73831 的PROG 接口須外接電阻到VSS，具體計(jì)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(jì)
中RPROG = 2kΩ。
則IREG = 500mA. STA T 的各接口狀態(tài)及電路設(shè)計(jì)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(cè)鋰電池的BA T 引腳來判斷電池的各個(gè)狀態(tài)，從而對(duì)電池進(jìn)行充電管理。不發(fā)生過電壓保護(hù)時(shí)，供電網(wǎng)絡(luò)一方面對(duì)MCP73831 提供5V 電壓。一方面通過D 5 傳輸?shù)絁DQ2 對(duì)后續(xù)電路供電。應(yīng)急充電時(shí)，外接5V 電源，一路通過D5 到繼電器JDQ 2. 另一路到達(dá)MCP73831對(duì)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(shí)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(gè)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(shí)電壓412V 的鋰電池， 消耗了90%的電量時(shí)候， 電壓仍然會(huì)保持315V. 本文設(shè)計(jì)中選用電壓調(diào)節(jié)器RT9193，即使314V 的時(shí)候，輸出電壓仍然可以穩(wěn)定在313V。
表1：MCP73831 電路設(shè)計(jì)中指示燈的邏輯關(guān)系
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3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
在調(diào)試中， 采用模塊化測(cè)試的方法， 最后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，選用可調(diào)電源，調(diào)節(jié)輸入電壓，輸出電壓及試驗(yàn)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(duì)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，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(cè)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(duì)BA T 引腳的檢測(cè)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(yàn)，指示燈符合邏輯要求。測(cè)試輸出電流為最大為485mA，充電電壓達(dá)到412V 時(shí)，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈亮起，完成對(duì)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(dòng)變阻器R13 ， R14. 使W 1 輸入電壓6V 時(shí)LM 2903 的7 腳由低電平轉(zhuǎn)為高電平。測(cè)量此時(shí)滑動(dòng)電阻器R13 =3115kΩ， 固定此電阻值。M1 輸入電壓315V 時(shí)LM 2903 的1 腳由高電平轉(zhuǎn)為低電平，測(cè)量此時(shí)滑動(dòng)變阻器R14 = 1kΩ，固定此電阻值。此時(shí)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(duì)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(cè)值和比較值如果達(dá)到基本一致的狀態(tài)，則會(huì)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(duì)電容的充放電，延遲了Q4 的關(guān)斷時(shí)間，增加了開啟和關(guān)斷的時(shí)間間隔，電容的大小決定了時(shí)間間隔的長短。該時(shí)間即為過放保護(hù)控制器的保護(hù)延時(shí)時(shí)間。設(shè)計(jì)選用212μF 電容，測(cè)試發(fā)現(xiàn)延時(shí)15s 左右。
自動(dòng)跟蹤控器調(diào)試，調(diào)試時(shí)W1 接5V 電源，用一只100W 燈泡照射RT1 與RT3 并移動(dòng)燈光，可以發(fā)現(xiàn)太陽能采集板跟著燈光運(yùn)動(dòng)。但穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)電機(jī)不停震動(dòng)， 此時(shí)通過在電阻R31 與電阻R32 之間增加一個(gè)417uF 電容，延遲電機(jī)啟動(dòng)、停止時(shí)間。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)延時(shí)時(shí)間40s 左右，相對(duì)太陽照射時(shí)間來說，此時(shí)間可以忽略不計(jì)，不影響跟蹤功能。同理在電阻R34 與電阻R35 之間增加一個(gè)417μF 電容。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：可以完全消除電機(jī)震動(dòng)現(xiàn)象且跟蹤效果良好。各部分獨(dú)立調(diào)試完成后對(duì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試。經(jīng)測(cè)試證明， 實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)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(yùn)行安全可靠、低損耗，高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電壓精度高等優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)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(dòng)跟蹤太陽等功能是比較有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方式，特別是將這些設(shè)計(jì)應(yīng)用到油田無線示功儀和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jì)開發(fā)的太陽能充電及自動(dòng)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(shí)踐證明該系統(tǒng)充電速度快，效率較高，可以實(shí)時(shí)跟蹤太陽， 工作穩(wěn)定，維護(hù)量少，具有較高的實(shí)用及推廣價(jià)值。
