超級(jí)電容斷電延時(shí)電源計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊永霞

(石家莊科技工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050800)

超級(jí)電容斷電延時(shí)電源計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊永霞

(石家莊科技工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050800)

作為供電系統(tǒng)的組成部分，電源是各種系統(tǒng)進(jìn)行正常工作的重要保證。超級(jí)電容具有存儲(chǔ)容量大、質(zhì)量輕、壽命長的特性，利用其電氣特性構(gòu)成的斷電延時(shí)系統(tǒng)可以在發(fā)生斷電故障或電壓暫降故障時(shí)，為相應(yīng)的系統(tǒng)提供延時(shí)電能供應(yīng)，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為提高系統(tǒng)的可靠性，采用以無線傳感網(wǎng)為核心的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來檢測(cè)電網(wǎng)供電的基本情況。當(dāng)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定、斷電等情況時(shí)，由繼電器接通超級(jí)電容儲(chǔ)能元件為系統(tǒng)供電；當(dāng)電網(wǎng)供電恢復(fù)正常時(shí)，由傳感器所采集的儲(chǔ)能器件中的電量等參數(shù)來決定超級(jí)電容器的工作狀況，以保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

斷電延時(shí)電源；超級(jí)電容；無線傳感網(wǎng)；計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)

電力電子技術(shù)的發(fā)展使各種精密儀器進(jìn)入到國民生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，這些精密儀器的正常工作離不開有效的電能支持。由于工作環(huán)境和工作特性的原因，電源的工作場(chǎng)合也是千差萬別，這對(duì)電源本身的質(zhì)量提出了更高的要求。質(zhì)量好、壽命長、可靠性高是電源性能的基本要求。近些年來，電源性能在各類科研人員的努力下不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率、高功率密度等指標(biāo)[1]。但是由于整個(gè)用電系統(tǒng)及供電系統(tǒng)的復(fù)雜化，使得電源的可靠性成為用電方更為關(guān)注的課題，尤其在供電系統(tǒng)突然發(fā)生斷電和其他故障時(shí)，容易造成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的紊亂和丟失數(shù)據(jù)等問題。因此，為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，為關(guān)鍵設(shè)備設(shè)置不間斷電源(UPS)是一種必要的手段。但是在一些場(chǎng)合下，無法滿足安裝UPS的基本要求，因此就需要利用一些技術(shù)手段構(gòu)造相應(yīng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，給斷電提供延時(shí)保護(hù)。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)這一類儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控，保證其工作的可靠性，以達(dá)到保護(hù)運(yùn)行系統(tǒng)正常工作的目的。

1 斷電延時(shí)電源儲(chǔ)能環(huán)節(jié)選擇

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)能源的需求呈現(xiàn)出高端性和多類化，這促使各種新材料電池得到了迅猛的發(fā)展，以鋰電池、太陽電池、燃料電池為代表的新型電池逐漸成為市場(chǎng)的主體。其中，鋰電池以其容量大、質(zhì)量輕、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)成為主力軍，但是，鋰電池充電時(shí)間長和易發(fā)生爆炸的缺點(diǎn)，阻礙了鋰電池的進(jìn)一步發(fā)展。太陽電池和燃料電池具有清潔能源的優(yōu)勢(shì)，但是，它們的輸出電壓和功率密度又相對(duì)較低。

超級(jí)電容是一種新型的電池形式，具有質(zhì)量輕、存儲(chǔ)容量大、充電時(shí)間短、充電次數(shù)多和壽命長的優(yōu)點(diǎn)，可提供大的瞬間電流，同時(shí)超級(jí)電容的安全性也較高，因此是一種優(yōu)質(zhì)的無源儲(chǔ)能電池。但是，超級(jí)電容也具有持續(xù)時(shí)間較短和內(nèi)阻大的缺點(diǎn)。持續(xù)時(shí)間短使超級(jí)電容的續(xù)航能力差，而內(nèi)阻大又導(dǎo)致超級(jí)電容很難應(yīng)用到交流電的場(chǎng)合。因此，要想利用超級(jí)電容構(gòu)建儲(chǔ)能電池，就要在實(shí)際應(yīng)用中解決這兩個(gè)難題。

2 斷電延時(shí)電源設(shè)計(jì)

斷電延時(shí)電源的功能是當(dāng)供電系統(tǒng)因故障斷電或電壓不穩(wěn)時(shí)，能夠短時(shí)間維持用電系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)正常退出運(yùn)行。

利用超級(jí)電容構(gòu)建斷電延時(shí)電源，需要解決超級(jí)電容的兩個(gè)缺點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，利用太陽電池作為超級(jí)電容的后備電源，利用控制電路來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制，具體電路如圖1所示。

圖1 斷電延時(shí)電源原理

圖1中的延時(shí)電路由超級(jí)電容組件、太陽電池組、DC/DC變換模塊、充電電路構(gòu)成，其中，超級(jí)電容作為主要的短時(shí)供電設(shè)備，太陽電池作為備用供電設(shè)備。當(dāng)超級(jí)電容能力不足時(shí)，由太陽電池向系統(tǒng)供電。超級(jí)電容通過充電電路吸收來自于市電的供電，當(dāng)市電供電問題時(shí)間較長時(shí)，由太陽電池向超級(jí)電容充電。整個(gè)系統(tǒng)由DC/DC變換模塊實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，將輸入的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備需要的電壓。

3 充電電路分析

本設(shè)計(jì)中，充電電路是一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。它要滿足來自于市電和太陽電池的兩種不同的輸入方式，同時(shí)又要對(duì)充電過程進(jìn)行有效管理，因此，采用TI公司的充電芯片UC309來實(shí)現(xiàn)充電參數(shù)的設(shè)置和跟蹤。具體設(shè)置如表1所示。

表1 充電電路參數(shù)設(shè)置

智能控制芯片UC3909中包含平均電流型PWM控制電路，可產(chǎn)生充電狀態(tài)邏輯電平，具有欠壓保護(hù)、充電狀態(tài)控制、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ埽€可根據(jù)電池的實(shí)際狀態(tài)實(shí)現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個(gè)階段的合理分配，而這四個(gè)階段由智能控制芯片自動(dòng)控制。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高整個(gè)電池組的工作效率和安全性，本設(shè)計(jì)為整個(gè)以超級(jí)電容為主體的斷電延時(shí)電源增加了計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩層：第一層是底層數(shù)據(jù)采集層，采集電池組的溫度、濕度、電量、電壓、電流等參數(shù)，以無線傳感器節(jié)點(diǎn)的形式傳至計(jì)算機(jī)的串口，計(jì)算機(jī)中安裝有上位機(jī)分析程序，以有效分析電池組的運(yùn)行狀態(tài)。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)采取ZigBee技術(shù)，由于電池組需要采集的參數(shù)并不多，而且各采集點(diǎn)之間的距離相對(duì)較近，因此本設(shè)計(jì)采用由四個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。四個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用CC2530，其中有一個(gè)為協(xié)調(diào)器，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要的功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)的設(shè)定、信息的管理及維護(hù)；而其他的三個(gè)節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，連接相應(yīng)的傳感器。四個(gè)節(jié)點(diǎn)以協(xié)調(diào)器為核心，構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序的開發(fā)環(huán)境為IAR MCS 7.51A，采用的協(xié)議棧為TI Z-Stack 2.3.1,具體組網(wǎng)流程如圖3所示[2]。協(xié)調(diào)器與計(jì)算機(jī)利用串口相連，上位機(jī)程序從串口中讀取信息字符串，進(jìn)行信息分析。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程

本設(shè)計(jì)中的上位機(jī)程序采用Java來開發(fā)，同時(shí)開發(fā)了基于Android的手機(jī)端APP完成遠(yuǎn)程通迅，開發(fā)環(huán)境采用eclipse，串口的數(shù)據(jù)傳輸通過Java中的Jar包來完成，計(jì)算機(jī)端口安裝3G卡，通過無線方式與手機(jī)通信。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用超級(jí)電容與太陽電池構(gòu)建了具有斷電延時(shí)功能的電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于短時(shí)斷電和電壓不穩(wěn)的供電系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試，其技術(shù)可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活。

[1]張士化，韓明，王學(xué)震.[C]//西安：全國抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)第十八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008：177-179.

[2]徐健.基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[M].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(5)：56-58.

Design of computer monitoring system of super capacitor delay power supply

FAN Yong-xia
(Shijiazhuang Vocational College for Scientific and Technical Engineering,Shijiazhuang Hebei 050800,China)

As part of the power supply system,the power supply is the important guarantee for normal work of various systems.Super capacitor has good characteristics such as great energy storage,light quality,long service life and so on. The delay system with electrical characteristics can provide delay power supply to ensure system normal operation in the event of power failure or voltage sag.In order to improve the reliability of the system,a computer monitoring system with wireless sensor network as the core was used to detect the basic situation of power grid. When the voltage was not stable or off,the super capacitor energy storage switched on relay provided power supply for the system;when the power supply was back to normal,the parameters such as power in energy storage devices collected by sensor were used to decide the operation condition of super capacitor, ensuring the reliability and security of the system.

delay power supply;super capacitor;WSN;computer monitoring

TM 53

A

1002-087 X(2015)08-1758-02

2015-05-29

樊永霞(1978—)，女，河北省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)檐浖こ獭?/p>