Design of the Efficient Control System of Automatic Meteorological Station*

YIN Jing，TANG Huiqiang，JIANG Qian

(1.Forecast Meteorological Disaster Warning and Assessment Collaboration Innovation Center of Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.School of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

Design of the Efficient Control System of Automatic Meteorological Station*

YIN Jing2*，TANG Huiqiang1，2，JIANG Qian2

(1.Forecast Meteorological Disaster Warning and Assessment Collaboration Innovation Center of Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.School of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

The small power of solar power control system is introduced for automatic meteorological station．On the basis of detecting of battery and solar characteristics，the system can adjust the charging voltage and current to detecting the optimum charging strategy to make full use of the solar energy instantly．At the same time it has the ability to power detection，information storage and processing，real time monitoring，display and quick charging for lithium polymer battery，etc．The paper analyzes the system structure，work principle and work efficiency，the experimental results show that the highest power generation efficiency reaches up to 95%．The system can satisfy the demand of automatic meterological station．

solar power;power detection;real time monitoring;lithium battery

自動(dòng)氣象站是一種主要由傳感器、采集器、通訊接口、系統(tǒng)電源等組成的能自動(dòng)采集氣象數(shù)據(jù)的設(shè)備。一般采用大容量的蓄電池或鋰電池供電。在野外，自動(dòng)氣象站的電源通常來自太陽能電池，通過控制器對充電電池充電。一般而言，太陽能電池的有效輸出時(shí)間每天只有5 h左右。而高效的太陽能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠充分利用太陽能為負(fù)載供電、為鋰電池快速充電。

本文設(shè)計(jì)的電池充電方案，能有效克服因過充或欠充影響電池使用壽命、效率低下、不能及時(shí)檢測等缺點(diǎn)。

1　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)氣象站太陽能充電效率與太陽能電池效率、控制器效率和充電效率有關(guān)。由于光伏電池的制作材料不同，內(nèi)部禁帶寬度不同、對各種光波長光的響應(yīng)不同等原因，其光電轉(zhuǎn)換效率η也不同。目前按常規(guī)工藝生產(chǎn)的光伏電池其效率大約只有10%～18%左右，即便通過改善電池的工藝手段和流程，其實(shí)際效率也只能達(dá)到20%左右［1］。論文從提高電池充電效率角度出發(fā)，為自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)了高效控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件由電力主電路和控制電路兩部分組成。電力主電路主要包為DC/DC降壓變換電路［2］，控制電路主要包括電壓采集、電流采集、電池電量采集、驅(qū)動(dòng)輸出、顯示電路等。充電電池采用大容量鋰聚合物電池，內(nèi)置了充放電保護(hù)電路，具有較高的安全性。在外界光照條件不好的陰雨天或霧霾天氣，由鋰電池向負(fù)載供電;在光照條件良好的晴天，由經(jīng)過控制電路的太陽能電板為負(fù)載供電并給鋰電池充電。充電控制電路以LTC4008芯片為核心，通過編程設(shè)置電池的最大充電電流為3 A，充電電壓為12．6 V。充電過程中，單片機(jī)通過對太陽能電池板電壓、電流、鋰電池電壓、負(fù)載電流等參數(shù)的循環(huán)檢測、判斷、控制驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對鋰電池充電的智能控制?？刂葡到y(tǒng)中各檢測參數(shù)，可通過LCD顯示，若出現(xiàn)異常將會報(bào)警，方便用戶查詢數(shù)據(jù)，分析異常原因。

圖1　系統(tǒng)框架圖

2　主要單元電路設(shè)計(jì)

2．1MPPT控制策略及實(shí)施方法

針對光伏電池的輸出特性為非線性特征，要提高發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，就必須改變系統(tǒng)負(fù)載特性，使發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近，即最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)［3］。

MPPT算法可分為3大類:基于參數(shù)選擇方式的間接控制法，基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法和基于現(xiàn)代控制理論的人工智能控制法。間接控制法沒有真正實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)跟蹤與控制，相對誤差較大，現(xiàn)代控制法雖控制精度較高，但控制算法實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜，工程代價(jià)較高，故論文采用被測參數(shù)較少，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制算法較易實(shí)現(xiàn)［4］的方法。通過控制Buck變換電路的占空比D，調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)MPPT控制，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載端電壓VL與光伏電池輸出端電壓VPV滿足VL=DVPV，控制流程圖如圖2所示。

圖2　占空比控制流程圖

設(shè)計(jì)中采用無錫光合太陽能有限公司的太陽能電池板GHM－20，最佳工作電壓17．5 V，最佳工作電流1．14 A，開路電壓21．5 V，短路電流1．29 A，最大功率20 W。根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)可得，最佳占空比的初始值為85%，能較快實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。然后通過電壓電流采樣電路(如圖3所示)檢測出光伏電池的輸出電壓、輸出電流，由于采用的C8051F020內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，能檢測的電壓范圍為0～2．43 V，故需要分壓。電流檢測采用霍爾傳感器ACS712，按照輸出電壓與輸入電流的線性關(guān)系I=(VOUT－VQ)/185，得到電流值，計(jì)算出輸出功率。然后在初始占空比的基礎(chǔ)上加一個(gè)正向擾動(dòng)量，再次檢測輸出功率。如果PN＞PN－1，則增加占空比D，若PN＜PN－1，則減小占空比D。如此循環(huán)，直到輸出功率在光伏電池輸出的最佳功率的很小范圍內(nèi)，即認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤。

圖3　電壓電流采樣電路

2．2充電方法及電路設(shè)計(jì)

2．2．1充電策略

因?yàn)橐惶熘刑柲茈姵剌敵鲎罴褧r(shí)間只有5 h左右，所以要提高電池的充電效率，則需在最短的時(shí)間內(nèi)將鋰聚合物電池充滿。目前常見的充電方法有:恒流－恒壓充電、急充電、分段充電和脈沖充電法等［5］。在此提出一種基于恒流－恒壓充電模式的改進(jìn)充電法，在恒流－恒壓充電模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件控制實(shí)現(xiàn)對鋰聚合物電池的快速充電，充分利用太陽能。在鋰聚合物電池的電壓達(dá)到安全充電電壓前，通過增加充電器輸出電壓與電池間的壓差將充電電流維持在最大，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測電池端電壓，在電池電壓達(dá)到安全電壓上限或電池溫度達(dá)到50℃時(shí)，轉(zhuǎn)入恒壓充電階段。針對所選用的3節(jié)串聯(lián)的10．8 V電池，最高電壓為12．6 V，充電控制策略流程如圖4所示。

圖4　充電過程流程圖

2．2．2充電控制電路

充電模塊采用美國凌特公司生產(chǎn)的充電控制芯片LTC4008及外圍電路組成，如圖5所示。LTC4008內(nèi)部集成了熱敏電阻檢測輸入電路、控制單元及MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器等，適用于電壓28 V以下的電池，對鋰電池采用恒壓/恒流方式充電［6］。

圖5　充電控制電路

(1)充電電流的設(shè)定。

其中VREF為芯片內(nèi)部參考電壓，VREF=1．19 V，設(shè)置RSENSE=0．033 Ω，RPROG=26．7 kΩ，可得充電電流最大值ICHARGE(MAX)=3A。

充電電流通過在RPROG與地之間連接MOSFET場效應(yīng)管，柵極通過C8051F020施加的PWM驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行編程。CPROG用來降低RPROG開關(guān)所造成的紋波，ITH端的補(bǔ)償電容在啟動(dòng)條件下提高穩(wěn)定性防止過充電流，充電電流的大小與開關(guān)的占空比成正比。

(2)充電電壓的設(shè)定。

(3)電感器的選擇。

開關(guān)電路允許在較高的工作頻率使用較小的電容和電感，但是頻率過高會由于MOSFET的柵極電荷損耗，導(dǎo)致效率降低。由可得電感紋波電流ΔIL會隨頻率的升高而減小，并隨輸入電壓UIN增加而增大，電感值大一些有利于減小紋波電流，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，電感取值27μH。

(4)MOSFET場效應(yīng)管和二極管的選擇。

開關(guān)電源的損耗除了部分來自電感和電容，大部分來自MOSFET和二極管的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。選擇低導(dǎo)通電阻、可快速切換的MOSFET和低導(dǎo)通壓降、快速恢復(fù)的二極管可有效減小開關(guān)器件的損耗［7］。在本設(shè)計(jì)中采用飛思卡爾的FDC645N、Si4431DY和安森美半導(dǎo)體的MBRS130T3，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷。

充電過程中，當(dāng)溫度超過50℃時(shí)，充電器會暫停充電，直至電池溫度降至50℃以內(nèi)，再自動(dòng)恢復(fù)充電。在充電過程中，隨著電池充電接近終止電壓12．6 V，充電電流開始減小。當(dāng)電流降至滿充電電流的10%時(shí)，芯片指示電池進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)。當(dāng)ACP/SHDN腳為低電平，充電過程結(jié)束。

2．3電池電量檢測電路

為了進(jìn)一步提高電池的使用安全性，采用Dallas公司推出的高精度鋰電池監(jiān)測芯片DS2762。該芯片集數(shù)據(jù)采集、信息存儲、安全保護(hù)于一身，還具有功能強(qiáng)大、體積小、硬件電路簡單等優(yōu)勢。它可實(shí)時(shí)對鋰電池的電流、電壓、剩余電量和充放電情況進(jìn)行監(jiān)測，并把采集的數(shù)據(jù)存儲供與單片機(jī)處理［8］。

圖6　電量監(jiān)測電路

以DS2762為核心的電量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。鋰電池電量監(jiān)測系統(tǒng)由電池監(jiān)測芯片、51系列單片機(jī)、液晶顯示模塊組成。DS2762芯片通過一根雙向數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通訊，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字溫度傳感器，檢測系統(tǒng)通過單片機(jī)對DS2762發(fā)出采集電池的溫度、電壓的控制命令，待數(shù)據(jù)采集完畢將測量值存入相應(yīng)的寄存器。此外，DS2762利用片內(nèi)電流累加寄存器的值對電池的剩余電量進(jìn)行計(jì)算，可通過單片機(jī)讀取。同時(shí)該芯片具有兩種工作模式:工作方式和睡眠方式。在正常工作模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)檢測電池電量參數(shù)，而在睡眠模式時(shí)，將停止檢測行為。

3　實(shí)驗(yàn)測試

3．1降壓轉(zhuǎn)換效率測試

降壓轉(zhuǎn)換器分別在15 V DC、19 V DC輸入，12．6 V輸出時(shí)，實(shí)驗(yàn)所記錄的充電電流與轉(zhuǎn)換效率，效率最高可達(dá)95%，具體見表1。

表1　降壓轉(zhuǎn)換效率測試

3．2充電器能輸出電壓紋波測試

經(jīng)測試，充電器輸出的噪聲電壓小于10 mV，如圖7所示，能達(dá)到預(yù)期的充電效果。

圖7　充電器輸出噪聲電壓

4　結(jié)語

本文介紹的自動(dòng)氣象站用高效發(fā)電系統(tǒng)以太陽能為能源，利用智能充電管理外圍電路簡單的特點(diǎn)，結(jié)合電量檢測芯片，能夠?yàn)殇嚲酆衔镫姵乜焖俪潆姡軐?shí)時(shí)檢測并存儲電池電量，檢查故障。實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)能夠滿足自動(dòng)氣象站的正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，太陽能作為可再生能源，在使用該系統(tǒng)的同時(shí)為環(huán)保做出了貢獻(xiàn)。

［1］趙爭鳴，陳劍，孫曉英．太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤．［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2012:14－15．

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［6］方劉祿，張開偉，肖軼，等．線性鋰離子電池充電器的分析與設(shè)計(jì)［J］．電子器件，2008(5):1577－1580．

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印晶(1989－)，男，漢族，江蘇泰興人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軆x器，798429938@qq．com;

唐慧強(qiáng)(1965－)，男，漢，浙江嘉興人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，教授，博/碩導(dǎo)，主要研究方向?yàn)閮x器儀表、物聯(lián)網(wǎng)，thq@nuist．edu．cn。

EEACC:8250;771010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．039

自動(dòng)氣象站用太陽能高效控制器的設(shè)計(jì)*

印晶2*，唐慧強(qiáng)1，2，蔣錢2
(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044; 2.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

介紹了供自動(dòng)氣象站用的小功率太陽能電源控制系統(tǒng)，能夠在檢測電池及太陽能特性的基礎(chǔ)上，及時(shí)調(diào)整充電電壓及電流來確定優(yōu)化的充電策略，以充分利用太陽能。同時(shí)系統(tǒng)具有信息存儲、實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋰電池的快速充電。論文分析了系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和工作效率，實(shí)驗(yàn)表明，其發(fā)電量的利用效率最高可達(dá)95%，系統(tǒng)能夠滿足自動(dòng)氣象站的用電需求。

太陽能;電量檢測;實(shí)時(shí)監(jiān)測;鋰電池

TM914．4;TH851

A文獻(xiàn)標(biāo)識碼:1005－9490(2015)01－0184－05

2014－03－06修改日期:2014－04－10

項(xiàng)目來源:國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ170003)