一種戶外監(jiān)測設(shè)備的電池能量管理系統(tǒng)設(shè)計

李艷玲 楊飛虎 楊桂榮

（防城港供電局，廣西 防城港 538001）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，戶外監(jiān)測設(shè)備不斷增多。其中，電池能量損耗較快的問題限制了設(shè)備的使用壽命，且設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的維護管理十分不易。

近年來設(shè)計出了多種戶外設(shè)備供電方案來延長設(shè)備的工作時長。其中，無線電能傳輸技術(shù)[1]通過電磁場實現(xiàn)非接觸式充電，避免了接觸式漏電等潛在危害，但需要電源變換器進行電壓轉(zhuǎn)換，再由無線電能發(fā)射電路進行電能發(fā)射，且無線充電距離較近，不適用于復(fù)雜的環(huán)境。太陽能供電技術(shù)[2]通過太陽能電池板進行光電轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)清潔能源的有效利用，但由于天氣、浮灰等因素使得太陽能轉(zhuǎn)換效率較低、供電不穩(wěn)定、經(jīng)濟性較差，不適宜大量布置?；旌瞎╇奫3]采用PWM整流技術(shù)，實現(xiàn)太陽能電池與低溫電池聯(lián)合供電，但受所需光照和空間限制，設(shè)計復(fù)雜度較高，且太陽能板所占空間限制了監(jiān)測設(shè)備的部署。

針對上述供電問題，本文設(shè)計了可用于戶外監(jiān)測設(shè)備的電源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用小型低溫電池供電，并加入了電壓轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)電壓的平滑調(diào)控，通過MCU內(nèi)置溫度檢測單元對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測，并針對不同運行環(huán)境設(shè)計了三種運行方案，滿足復(fù)雜環(huán)境下監(jiān)測設(shè)備長期工作的要求。

1 電池能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計

電源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，本系統(tǒng)由MCU、通信單元、電壓轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、傳感器、電源組成。

本次電源管理系統(tǒng)是由設(shè)備的控制程序和低功耗器件共同配合實現(xiàn)。選取了STMicroelectronics公司生產(chǎn)的高擴展、低能耗、運行速度快的STM32L151微處理器作為控制器，采用8800mAh低溫電池，通過控制電壓轉(zhuǎn)換芯片對各個器件供電。

圖1 電源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 電壓轉(zhuǎn)換芯片選擇

在傳統(tǒng)供電方案中，大多采用對設(shè)備直接供電方式。由于設(shè)備中的各個器件供電電壓要求不同，造成初始電流過大，沒有過流保護，更易損壞元器件。當(dāng)電源電量下降，電壓將發(fā)生變化，造成供電電壓不穩(wěn)定。為解決上述器件安全供電問題，采用電壓轉(zhuǎn)換芯片，控制電壓平滑輸出。

其中，升壓轉(zhuǎn)換芯片選擇MP3414A，輸入電壓范圍為1.8V～5.5V，芯片轉(zhuǎn)換效率為97%；降壓轉(zhuǎn)換芯片選擇MP1601GTF，輸入電壓范圍為2.3V～5.5V，輸出電壓可低至0.6V。

1.3 控制程序設(shè)計

控制程序的流程圖如圖2所示，信息測量開始，監(jiān)測設(shè)備被喚醒，MCU進入低功耗運行模式，由MCU內(nèi)部溫度傳感器對器件周圍溫度進行測量，通過MCU內(nèi)部信息處理后，利用電壓轉(zhuǎn)換芯片合理控制動態(tài)電壓縮放，平滑調(diào)節(jié)供電電壓，實現(xiàn)信息采集、處理、發(fā)送任務(wù)，最后采用預(yù)先設(shè)定方案實現(xiàn)睡眠，等待下一次喚醒。

其中，面對具體測量需求可設(shè)定3種設(shè)計方案：

1.3.1 當(dāng)監(jiān)測設(shè)備需長期連續(xù)監(jiān)測時，則設(shè)定為低功耗運行模式；

在低功耗運行模式下，時鐘頻率和啟用外設(shè)的數(shù)量受限，將工作電流調(diào)節(jié)為最小。當(dāng)被事件喚醒時，系統(tǒng)返回運行模式。

1.3.2 當(dāng)監(jiān)測設(shè)備需定期測量時，則設(shè)定為RTC停止模式；

在RTC停止模式下，保留RAM、寄存器內(nèi)容和實時時鐘，電壓調(diào)節(jié)器為低功率運行。當(dāng)時鐘計時達到預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)返回低功耗運行模式。

1.3.3 當(dāng)監(jiān)測設(shè)備需定期測量，并滿足測量裝置超出閾值時喚醒設(shè)備

進行信息發(fā)送，則設(shè)定為低功耗睡眠模式。

在低功耗睡眠模式下，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器低功率運行，時鐘頻率和啟用外設(shè)數(shù)量受限。當(dāng)被中斷觸發(fā)喚醒時，系統(tǒng)返回低功耗運行模式。

圖2 控制程序流程圖

2 電能管理系統(tǒng)電量測試及分析

2.1 耗電量測試及分析

2.1.1 電池電量測試

系統(tǒng)電池組采用4×2200mAh電池供電，選擇1節(jié)2200mAh低溫電池作為測試樣本，在不同溫度下進行放電測試，電池放電如圖3所示，由表1可知，該電池較普通電池在不同溫度下效率更高。

2.1.2 系統(tǒng)耗電量測試

該系統(tǒng)工作功耗測試圖如圖4所示，應(yīng)用電池能量管理系統(tǒng)，在測試中通信單元發(fā)射時最大功耗為200mA，在系統(tǒng)休眠時功耗為60μA，經(jīng)過多組數(shù)據(jù)測量，平均電流為5.39mA，平均電壓為4.19V，在1000mAh電源下預(yù)計可工作185.46小時，與現(xiàn)有的戶外監(jiān)測設(shè)備相比，采用電池能量管理系統(tǒng)將極大延長了裝置的工作時長。

2.2 電池容量估算及分析

在利用電源管理系統(tǒng)對電池能耗進行優(yōu)化管理的基礎(chǔ)上，按如下公式對設(shè)備應(yīng)配備的電池容量進行估算。

圖3 電池放電測試圖

表1 普通電池與低溫電池放電數(shù)據(jù)表

圖4 電源管理系統(tǒng)功耗測試圖

其中：S-電池容量

A-單月耗電量

Y-預(yù)計工作年數(shù)

ai-單個電器件耗電量

B-滿足一定條件下單次測量耗電量總和

為得到能量管理系統(tǒng)實用效果，對系統(tǒng)進行耗電測試。其中，測試設(shè)備內(nèi)置2組傳感器，采用8800mAh低溫電池供電，將測量頻率設(shè)置為每4h測量一次，每天測量6次。在此條件下，經(jīng)過30天數(shù)據(jù)采集分析，估算該設(shè)備平均每進行一次測量所耗電量約為0.697mAh。并由公式（1）得

由此，對設(shè)備用電量進行估計，該設(shè)備在此運行條件下可至少工作5年。

3 應(yīng)用案例及效果

本次戶外監(jiān)測設(shè)備的電池能量管理系統(tǒng)應(yīng)用于防城港供電局的桿塔測量設(shè)備上，由2018年11月陸續(xù)投入使用，經(jīng)6個月的穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)設(shè)備斷電停運等現(xiàn)象。而且，基于本次設(shè)計，設(shè)備只需小型低溫電池組作為電源供電，無需外接太陽能供電設(shè)備，節(jié)省了空間，節(jié)約了成本，且在電壓轉(zhuǎn)換芯片作用下延長了系統(tǒng)各個器件的使用壽命。通過對控制程序的設(shè)計，針對不同的監(jiān)測要求設(shè)計了三種運行方案，使同一設(shè)備能夠應(yīng)用于多種測量環(huán)境下，減少了電能損耗。

該電池能量管理系統(tǒng)制做成實際電路，集成在戶外環(huán)境監(jiān)測裝置中，裝置實物圖如圖5所示。

目前，該裝置已在防城港供電局110kV新東I、II線41號桿塔，220kV竹新線17號桿塔，220kV海黃I、II線123號投入應(yīng)用，運行狀態(tài)穩(wěn)定，實用效果表明了本設(shè)計方案的可行性和有效性。

圖5 裝置實物圖

4 結(jié)語

本文通過對現(xiàn)有設(shè)備供電方式進行分析，并對器件進行合理選型，利用MCU內(nèi)置溫度檢測單元實現(xiàn)對設(shè)備自身狀態(tài)的監(jiān)測，采用電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)電量平滑控制，并根據(jù)不同測量需求設(shè)計了三種運行方案。與現(xiàn)有供電技術(shù)相比，該電源管理系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)用于不同測量環(huán)境中，極大的延長了監(jiān)測設(shè)備的工作時間。通過實驗驗證，預(yù)計裝設(shè)該電池能量管理系統(tǒng)的戶外監(jiān)測設(shè)備能夠持續(xù)工作5年。