太陽(yáng)能供電電源管理控制器的研發(fā)

武建華等

【摘 要】 本文重點(diǎn)介紹了在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下，針對(duì)高壓輸電線路監(jiān)控設(shè)備的電源管理控制器的需求，提出了“電源管理控制器”的設(shè)計(jì)思路和具體實(shí)現(xiàn)，闡述了電源管理控制器的組成及工作原理，并對(duì)蓄電池充放電控制需要解決的問(wèn)題進(jìn)行了分析。為將來(lái)智能電網(wǎng)輸電線路監(jiān)控設(shè)備的電源管理控制器的成功使用提供了一種強(qiáng)有力解決方案。

【關(guān)鍵詞】 輸電線路 監(jiān)控設(shè)備 電源管理控制 蓄電池

2010年國(guó)家智能電網(wǎng)規(guī)劃總報(bào)告中提出加大對(duì)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置及其系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)，全面建成覆蓋全網(wǎng)范圍的輸電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)網(wǎng)檢修公司與廠家三川公司依據(jù)國(guó)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)合作研發(fā)出了一種“沿輸電線路展開(kāi)的無(wú)線寬帶專(zhuān)網(wǎng)通信系統(tǒng)”，成功應(yīng)用于輸電線路視頻監(jiān)視系統(tǒng)中。

由于輸電線路檢測(cè)設(shè)備的電源系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池組和蓄電池組成的。為保證蓄電池工作在合理的充放電條件下，我們?cè)谇捌诤献黜?xiàng)目的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了電源管理控制器，進(jìn)行電源管理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控輸電線路上各檢測(cè)點(diǎn)配備的監(jiān)測(cè)終端的蓄電池使用情況，并在特定的情況下對(duì)其電源進(jìn)行控制的目的，例如在蓄電池饋電的情況下關(guān)閉電源避免蓄電池過(guò)度放電或蓄電池滿電的情況下關(guān)閉太陽(yáng)能充電來(lái)避免蓄電池過(guò)度充電。通過(guò)合理的使用蓄電池來(lái)延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少因蓄電池?fù)p壞而造成的各種維修成本和人工成本。

1 電源管理控制器總體結(jié)構(gòu)

電源管理控制器由防反充保護(hù)電路，充電控制電路，放電控制電路，溫度、電壓采集電路以及MCU電路等組成，原理框圖如圖1所示。

圖中無(wú)線通訊終端是一款符合IEEE802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的電信級(jí)無(wú)線通信設(shè)備（上一項(xiàng)目的成果），由三川公司研發(fā)，該設(shè)備具有雙路射頻輸出，最高帶寬150M，具有中繼和雙向通信功能。通過(guò)RS485接口連接電源管理控制器。

充電控制電路是該控制器的關(guān)鍵部分，需要MCU針對(duì)蓄電池的不同溫度、電壓狀態(tài)對(duì)蓄電池進(jìn)行不同的操作，達(dá)到通過(guò)合理使用蓄電池來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命的目的。下面將詳細(xì)介紹充電控制的原理。

2 電源管理控制器充電原理

2.1 蓄電池充電原理

蓄電池在充電初期用較大的電流充電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間改用較小的電流，至充電后期改用更小的電流，即不同階段內(nèi)以不同的電流進(jìn)行充電。由于充電后期改用較小電流充電，這樣減少了氣泡對(duì)極板活性物質(zhì)的沖刷，減少了活性物質(zhì)的脫落。這種充電方法能延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，并節(jié)省電能，充電徹底。

把蓄電池的電池容量稱(chēng)為1C，在充電時(shí)，充電電流小于0.1C時(shí)，我們稱(chēng)為涓流充電，又稱(chēng)浮充。當(dāng)充電電流在0.1C和0.2C之間時(shí)我們稱(chēng)為慢速充電。充電電流大于0.2C，小于0.8C則稱(chēng)快速充電。

2.2 PWM原理

PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。我們采用的是脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期和占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。（見(jiàn)圖2、圖3）

TH為PWM波的高電平時(shí)間，TL為PWM波的低電平時(shí)間，T1、T2、T3時(shí)刻電容C的兩端電壓分別為V1、V2、V3。設(shè)TH時(shí)間內(nèi)C充滿電，TL時(shí)間內(nèi)C放完電，即電容C在一個(gè)周期內(nèi)充放電相等，故有V1=V3。

當(dāng)t

由于T=（TH+TL）<

當(dāng)t=TH時(shí)，

當(dāng)TH

當(dāng)t=TH+TL時(shí)，

又因?yàn)閂1=V3，即：

忽略二階小量，得到：

由于PWM的占空比定義為：

所以：

由于V1=V3≈V2，電容兩端的電壓近似為直流電壓，表示為：

由于VH為MOS管導(dǎo)通時(shí)電壓，即太陽(yáng)能電池組的電壓，而VL是MOS管截止時(shí)電壓為0所以：

所以，我們?cè)诖_定蓄電池充電電流和電路的參數(shù)后可以計(jì)算出所需的輸出電壓。再通過(guò)與采集到的太陽(yáng)能電池電壓相比可以求得所需的占空比。

3 電源管理控制器的軟件設(shè)計(jì)

電源管理控制器的MCU通過(guò)控制外圍電路采集蓄電池的電壓和溫度，并對(duì)電壓進(jìn)行分析，通過(guò)條件函數(shù)對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行判定，選擇對(duì)蓄電池的操作，包括停止充電，停止放電，浮充，慢充以及快充。實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載供電和蓄電池充放電的自動(dòng)控制功能。

在MCU初始化時(shí)打開(kāi)中斷和定時(shí)器，每隔固定的時(shí)間與無(wú)線通信終端通信，來(lái)檢測(cè)通信終端的工作狀態(tài)，用于蓄電池停止供電和恢復(fù)供電后對(duì)負(fù)載狀態(tài)檢測(cè)。

當(dāng)負(fù)載電路或充電電路故障導(dǎo)致負(fù)載電流或充電電流過(guò)大時(shí)，電路自動(dòng)切斷與蓄電池和太陽(yáng)能電池組的連接，同時(shí)MCU會(huì)響應(yīng)相應(yīng)的中斷函數(shù)，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)操作同時(shí)檢測(cè)電路信息，恢復(fù)正常后重新打開(kāi)電路開(kāi)關(guān)。其主要程序框圖如圖4所示。

4 電源管理控制器功能性能測(cè)試

本控制器在石家莊安廉II線試行半年，實(shí)現(xiàn)了初始設(shè)計(jì)時(shí)所要求的功能性能，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)影響系統(tǒng)運(yùn)行的故障。

5 結(jié)語(yǔ)

依本文給出的設(shè)計(jì)思路，開(kāi)發(fā)完成的“電源管理控制器”，解決了因蓄電池過(guò)度使用而造成財(cái)力、人力資源等浪費(fèi)的問(wèn)題。為輸電線路在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的廣泛使用提供了可靠的供電保障。為推動(dòng)我國(guó)高壓智能輸電網(wǎng)的建設(shè)，推動(dòng)世界高壓智能輸電網(wǎng)的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

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