野外無人值守遙測站太陽能穩(wěn)壓充電裝置的設(shè)計(jì)

李延軍，景波云

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211106）

遙測站在防汛減災(zāi)、山洪預(yù)警、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和水情測報(bào)等自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中都是不可或缺的。一個(gè)最基本的自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，一般都由一個(gè)中心站和若干個(gè)遙測站所組成。系統(tǒng)中，遙測站的多少和遙測站站址的選擇則要受到測報(bào)系統(tǒng)預(yù)期和地形地理環(huán)境等多種約束條件的限制，具體遙測站站址的選擇大多都只能在野外因地制宜地進(jìn)行，這些遙測站要實(shí)現(xiàn)無人值守條件下的連續(xù)工作，大多都采用了太陽能電池組給鉛酸蓄電池組充電的供電方案，以維持其持續(xù)性地工作需要。由于太陽能電池組輸出電壓不固定，不能直接給鉛酸蓄電池供電，必須由太陽能充電裝置將太陽能電池組輸出電壓加以轉(zhuǎn)換才能給鉛酸蓄電池供電[1]，因此，太陽能充電裝置就成為大多數(shù)野外無人值守遙測站不可缺少的重要組成部分。

1 野外無人值守遙測站的應(yīng)用環(huán)境需求

無論是在山洪預(yù)警自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)還是在水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中，遙測站的建站要受到系統(tǒng)預(yù)期、監(jiān)測對(duì)象和地理環(huán)境條件等因素的制約，有些遙測站甚至要建在連交通、供電和通信都不便利的高山峽谷或人跡罕至地方。在這些地方，遙測站就需要解決供電，通信組網(wǎng)、野外架設(shè)、設(shè)備維護(hù)成本和無人值守等問題，其自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)性質(zhì)要求野外遙測站要在惡劣氣象條件下進(jìn)行可靠地?cái)?shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，為自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)及時(shí)預(yù)測，迅速反應(yīng)，準(zhǔn)確決策支持并實(shí)施自動(dòng)控制提供過程數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而氣象條件越惡劣、采集對(duì)象量變化越劇烈則遙測站的采集工作就越頻繁、工作強(qiáng)度就越大，消耗的電能也就越多，而氣象條件惡劣的程度又多為人為不可控的。為保證測報(bào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，遙測站應(yīng)滿足在一個(gè)連續(xù)性降水過程、一個(gè)陣發(fā)性降水過程或陰沉多雨的梅雨期等多種惡劣氣象過程條件中無電能補(bǔ)充的條件下堅(jiān)持全過程連續(xù)工作的需求。因此，野外工作環(huán)境中，遙測站不僅要有寬的工作溫度、高的可靠性，較小的體積（便于運(yùn)送和安裝架設(shè)）、而且還應(yīng)滿足低功耗、免維護(hù)、無人值守和適應(yīng)多種氣象條件的需求。

在早期的測報(bào)系統(tǒng)中，由于參數(shù)少，采集量小，遙測站的功能也較為明確、單一，有的測站系統(tǒng)中就采用大容量電池加定期更換的方式來滿足遙測站用電的需求。美國悍達(dá)(Handar)公司早期的遙測站產(chǎn)品就有采用這種工作方式。但，隨著測報(bào)系統(tǒng)的功能越來越多、預(yù)期要求越來越高，測量對(duì)象越來越多、工作條件越來越復(fù)雜，由太陽能補(bǔ)充電能的野外無人值守的遙測站就成為必要的需求。

2 野外無人值守遙測站系統(tǒng)對(duì)太陽能充電裝置的指標(biāo)要求

1)工作溫度:太陽能充電裝置應(yīng)有盡可能寬的工作溫度范圍，以適應(yīng)在我國氣候區(qū)的不同極限氣象條件下的野外工作。

2)平均無故障時(shí)間（MTBF）:衡量設(shè)備可靠工作的指標(biāo)[2]。根據(jù)太陽能充電裝置在遙測站系統(tǒng)中的位置和作用，太陽能充電裝置在遙測站系統(tǒng)的可靠性分析模型上屬于串聯(lián)性質(zhì)，太陽能充電裝置的接入應(yīng)不影響遙測站系統(tǒng)整體的可靠工作水平，其可靠性指標(biāo)應(yīng)遠(yuǎn)大于遙測站系統(tǒng)的可靠性整體指標(biāo)。

3)起始工作電壓：太陽能充電裝置穩(wěn)定工作時(shí)的最小輸入電壓。起始電壓越低，表明可利用太陽能電池電壓的值越小。在蓄電池深度放電的情況下，此指標(biāo)意味著蓄電池能盡早地從太陽能電池中獲得電能補(bǔ)充。

4)工作電流：太陽能充電裝置從起始工作電壓起到輸出電壓達(dá)到規(guī)定的電壓值時(shí)，太陽能充電裝置自身所消耗的最大工作電流。遙測站系統(tǒng)要求太陽能電池的能量盡可能多的被利用，此指標(biāo)在太陽能電池光源照射不足的天氣（連續(xù)性、陣發(fā)性降水過程和連續(xù)性陰天相繼存在的天氣，持續(xù)可長達(dá)30天[3]）下給微功耗遙測站充電時(shí)作用尤為顯要。

5)電壓降：太陽能充電裝置輸出電壓達(dá)到規(guī)定的穩(wěn)定值時(shí)，輸入電壓與規(guī)定的穩(wěn)壓值之間

的電壓值之差。此值表明太陽能充電裝置的電壓利用率。

6)最大輸出電流：表明太陽能充電裝置充電能力的大小，遙測站系統(tǒng)要求在太陽能電池有電能的時(shí)隙內(nèi)盡快完成對(duì)蓄電池的充電。

7)最大輸入電壓：表明太陽能充電裝置所能承受的最大輸入電壓，此值應(yīng)遠(yuǎn)大于太陽能電池的開路電壓。

8)輸出電壓值 ：太陽能充電裝置輸出電壓大小的值，應(yīng)滿足蓄電池充電電壓范圍的要求。

9)逆向電流（單向供電）：表明充電裝置單向充電的特性。太陽能電池電量的輸出隨日出日落的照射而周期性地產(chǎn)生，在太陽能電池不產(chǎn)生電能或產(chǎn)生電能不足以充電情況下充電裝置不應(yīng)成為蓄電池的負(fù)載而消耗電能。此值越小越好。

10)功耗：充電裝置輸入與輸出電壓差與輸出電流的乘積，該值反映了在充電裝置上可消耗的功率既電壓調(diào)節(jié)能力。

3 充電裝置實(shí)現(xiàn)方案考慮

實(shí)現(xiàn)野外無人值守太陽能充電裝置設(shè)計(jì)首要考慮的指標(biāo)就是工作溫度和可靠度。而電路簡單、成熟，使用元器件尤其是儲(chǔ)能元器件少則是考慮電路實(shí)現(xiàn)的首要問題之一。

目前，常規(guī)用的太陽能電池的規(guī)格為標(biāo)稱工作電壓17.5 V，開路電壓21.5 V，每5 w一檔。在實(shí)際使用中，太陽能電池的輸出電壓為0 V～21.5 V～0 V，并且隨日照周而復(fù)始地循環(huán)。標(biāo)稱12 V的鉛酸蓄電池，允許的浮充電壓范圍為13.8～14.1 V，恒流充電電壓為15 V。就僅對(duì)這兩種電池充電的方式而言，兩種充電方式都有制約，對(duì)于浮充方式，有初始充電電流大小的限制和長時(shí)間處于浮充狀態(tài)下的電池必須要在一定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行放電的要求，恒流充電必須限制最終充電電壓。但兩者相比，限流浮充電路比恒流限壓電路容易實(shí)現(xiàn)而且電路也更為簡單、可靠，在實(shí)際使用中，由于日照周而復(fù)始地循環(huán)，浮充狀態(tài)下的電池必須要在一定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行放電的要求自然會(huì)得到滿足，因此，選用限流穩(wěn)壓浮充的充電方式是適宜的。

太陽能穩(wěn)壓充電裝置的電路設(shè)計(jì)有很多，可將太陽能電池經(jīng)過電壓電流采樣，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)反饋至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)太陽能電池的工作狀況輸出PWM信號(hào)去驅(qū)動(dòng)PMOS管，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池的最大功率跟蹤。然后通過一個(gè)大電容、DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池的充電控制，這樣的電路設(shè)計(jì)使用的儲(chǔ)能器件較多，相對(duì)復(fù)雜，且多為商業(yè)應(yīng)用，盡管電壓利用率和效率較高，但不適合長期工作在野外等環(huán)境惡劣的場合，同時(shí)PMOS管采用PWM驅(qū)動(dòng)，輸出電壓上會(huì)有紋波的存在，這對(duì)電源電壓質(zhì)量要求嚴(yán)格的電路的正常工作會(huì)產(chǎn)生不利影響。

常規(guī)串聯(lián)型穩(wěn)壓方法是通過一個(gè)放大控制電路控制PMOS管的導(dǎo)通電流，從而控制輸出電壓的大小以達(dá)到穩(wěn)壓輸出，這種穩(wěn)壓的特點(diǎn)是電路簡單、無需儲(chǔ)能元件、輸出電壓無紋波，這些特點(diǎn)正適合于限流浮充充電方式的野外遙測站太陽能充電裝置的設(shè)計(jì)需求，而此電路因調(diào)整電壓使其效率變低的弱點(diǎn)是產(chǎn)生在太陽能電池產(chǎn)能大于蓄電池充電所需電能時(shí)發(fā)生的，因此，這時(shí)的效率已沒有太大意義，可忽略，只是要在功率散熱時(shí)加以考慮，況且太陽能電池的工作電壓與開路電壓間的壓差是有限的，綜合考慮，在實(shí)現(xiàn)野外無人值守遙測站太陽能充電裝置時(shí)采用常規(guī)的串聯(lián)型穩(wěn)壓加限流的方案是適宜的。

4 可靠性預(yù)設(shè)計(jì)

根據(jù)太陽能充電裝置在遙測站系統(tǒng)中的位置和作用，在可靠性分析模型上太陽能充電裝置與遙測站系統(tǒng)屬于串聯(lián)性質(zhì)，太陽能充電裝置的接入應(yīng)不影響遙測站系統(tǒng)整體的可靠工作水平，其可靠性指標(biāo)應(yīng)遠(yuǎn)大于遙測站系統(tǒng)的可靠性整體指標(biāo)[4]。

若用MTBFs、MTBF1和 MTBF1′分別表示太陽能充電器平均無故障時(shí)間MTBFs、接入太陽能充電器前遙測站的平均無故障時(shí)間MTBF1和接入后遙測站的的平均無故障時(shí)間MTBF1′，并假定其壽命都服從指數(shù)分布，則接入充電裝置后的遙測站系統(tǒng)的 MTBF1′可用公式可見，若要減少對(duì)遙測站系統(tǒng)可靠性的影響，MTBFs應(yīng)遠(yuǎn)大于MTBF1。一般要求遙測站系統(tǒng)平均無故障時(shí)間為25 000h[5]，則僅對(duì)太陽能充電裝置的平均無故障時(shí)間應(yīng)至少為300 000 h，考慮到實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用情況，按太陽能充電裝置有三分之一的時(shí)間在工作，其平均無故障時(shí)間應(yīng)至少大于100 000 h。

首先，選擇簡單、成熟的電路，使用元器件的數(shù)目盡可能地少，盡可能少地使用儲(chǔ)能元器件、可調(diào)元器件和功率型器件，選用質(zhì)量好的元器件都是可靠性設(shè)計(jì)要遵循的基本準(zhǔn)則?？煽啃灶A(yù)設(shè)計(jì)中，假定各元器件在可靠性模型上都是串聯(lián)的(最保守的假定)，電路整體基本失效率λbs就等于各元器件基本失效率λb之和；器件間的成熟系數(shù)πl(wèi)的選擇可相差十倍之多[6]；元器件質(zhì)量系數(shù)πq的選擇上可相差數(shù)十倍甚至上百倍之多[6]，不同種類的元器件間的基本失效率λb也可相差數(shù)十倍甚至上百倍[6]。因此，遵守基本準(zhǔn)則必須是貫串設(shè)計(jì)階段的全過程。

元器件降額使用是可顯著改善其失效率[7]，而且設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)。在基本電路形式確定之后，根據(jù)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》給出的數(shù)據(jù)，按各元器件基本失效率λb的大小排序，以確定影響電路可靠性的主要元器件。然后依據(jù)《元器件降額準(zhǔn)則》給出的數(shù)據(jù)，綜合考慮了成本、體積等方面的因素后，依次確定降額等級(jí)。在該充電裝置中，重點(diǎn)對(duì)PMOS管、電壓基準(zhǔn)集成電路、電位平移集成電路都做了一、二級(jí)降額的使用。

電路的可靠性設(shè)計(jì)是遵守原則下的一個(gè)反復(fù)比較、綜合和優(yōu)化的過程。該裝置電路設(shè)計(jì)經(jīng)反復(fù)推敲優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)了工作溫度范圍大于-40～85℃，平均無故障時(shí)間大于100 000 h的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 電路實(shí)現(xiàn)

圖1所示為太陽能電池限流穩(wěn)壓充裝置原理圖。太陽能電池充電裝置是通過一個(gè)過電流保護(hù)器件，實(shí)現(xiàn)恒壓下限流的功能。此功能是防止蓄電池初始充電電流過流的可能發(fā)生，同時(shí)，也防止了因輸出短路、電池深度放電、電池過放電等現(xiàn)場異常現(xiàn)象發(fā)生而損壞PMOS管的可能。一個(gè)放大控制電路控制PMOS管的導(dǎo)通電壓以達(dá)到控制輸出電壓的大小。輸出電壓通過電位平移技術(shù)近似等值地負(fù)反饋到放大控制電路中與控制電路的電壓基準(zhǔn)比較后控制PMOS管的導(dǎo)通狀態(tài)，形成一個(gè)閉環(huán)控制電路。選用具有導(dǎo)通電阻小，功率大、電壓驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)的PMOS管作為調(diào)整管，通過調(diào)節(jié)PMOS管導(dǎo)通狀態(tài)，保持輸出電壓穩(wěn)定，以滿足蓄電池浮充電壓的要求，在輸出端，一個(gè)逆向電流極小的電壓防反控制器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓充電裝置的單向輸出的特性，防止了穩(wěn)壓充電裝置在太陽能電池能量不足時(shí)而消耗蓄電池能量的可能。

圖1 太陽能穩(wěn)壓充電裝置原理圖Fig.1 Schematic of the solar power charging device

6 太陽能電池限流穩(wěn)壓充裝置的現(xiàn)場使用問題

任何裝置的應(yīng)用都有一定的局限，沒有完全意義上的通用，該太陽能電池限流穩(wěn)壓充裝置的應(yīng)用也不例外。該太陽能電池限流穩(wěn)壓充裝置設(shè)計(jì)對(duì)象是固定為5～50 W/17.5 V太陽能電池配12～48 AH使用的，處于可靠性的考慮和大多數(shù)應(yīng)用情況，裝置中沒有設(shè)可調(diào)的部分。實(shí)際使用時(shí)要特別注意電池容量、太陽能電池功率的大小以及系統(tǒng)的總功耗之間的相互匹配。如若太陽能電池功率相對(duì)于蓄電池容量過大時(shí)，實(shí)際使用時(shí)就有可能發(fā)生充電過流而損害電池或發(fā)生過流充電阻塞現(xiàn)象 （太陽能電池功率大于50 W或蓄電池容量小于12 AH時(shí)）。在山澗或峽谷中的遙測站經(jīng)常處在連續(xù)性或陣發(fā)性降水過程和連續(xù)性陰天相繼或交替存在的天氣下，這里太陽照射時(shí)間有限、突然且照射角度大，極有可能發(fā)生充電過流損害蓄電池或過流充電阻塞現(xiàn)象；若太陽能電池功率相對(duì)于蓄電池容量過小時(shí)，蓄電池充電時(shí)間需要較長，在災(zāi)害天氣、連續(xù)性或陣發(fā)性降水過程和連續(xù)性陰天相繼或交替存在的天氣下，蓄電池就有可能處在過放電狀態(tài)甚至導(dǎo)致遙測站工作中斷。因此，在實(shí)際使用時(shí)，要根據(jù)遙測站的實(shí)際情況，合理配置太陽能電池的大小和蓄電池容量，否則，難以發(fā)揮其正常作用。

7 結(jié)束語

本文論述了一個(gè)成功應(yīng)用于實(shí)際的野外無人值守遙測站太陽能充電裝置的設(shè)計(jì)過程，用該方法設(shè)計(jì)的太陽能電池限流穩(wěn)壓充電裝置已在水情自動(dòng)測報(bào)、水文自動(dòng)測報(bào)、自動(dòng)氣象站、山洪預(yù)警和風(fēng)電場測報(bào)系統(tǒng)的多種自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)的野外遙測站中使用，有些遙測站已運(yùn)行達(dá)十余年。應(yīng)用實(shí)踐表明，該裝置設(shè)計(jì)合理、工作可靠，完全適用于大多數(shù)種類的野外無人值守遙測站的使用。

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