基于LT3652的太陽能無線路由供電系統(tǒng)

范洪亮

沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110000

1 太陽能供電系統(tǒng)組成

太陽能供電系統(tǒng)主要由負載路由器、太陽能控制器、太陽能發(fā)電板、太陽能電池組成。太陽能發(fā)電板將采集光能轉(zhuǎn)換為電能輸出，太陽能控制器主要將太陽能發(fā)電板輸出的電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能供負載使用或者為太陽能電池進行充電，當(dāng)太陽能發(fā)電板輸出的功率較低無法滿足負載工作時，太陽能電池放電為負載供電。當(dāng)太陽能發(fā)電板輸出功率恢復(fù)正常時繼續(xù)為負載供電和為太陽能電池充電[1]。

1.1 負載功耗評估

1.1.1 模擬負載功耗計算，路由可帶40個節(jié)點，連續(xù)工作7天。以一口井為單元計算包括2個壓力表、1個示功儀、1個RTU共4個節(jié)點網(wǎng)關(guān)時隙長度為15.625ms,超幀長度為512為例，下表1、2、3、4、5為數(shù)據(jù)傳輸量。

表1 溫度、壓力表上行數(shù)據(jù)類型及上傳間隔

根據(jù)表1可計算2個壓力表1小時上傳數(shù)包為：

根據(jù)表2計算示功儀1個小時上傳數(shù)據(jù)包數(shù)為：

表2 示功儀上傳數(shù)據(jù)類型及上傳間隔

根據(jù)表3RTU每小時上傳數(shù)據(jù)包為：

表3 RTU上傳數(shù)據(jù)類型及上傳間隔

由于各儀表配置參數(shù)及遠程讀取發(fā)送數(shù)據(jù)不方便統(tǒng)計，所以將每個儀表下行數(shù)據(jù)包×2即4個儀表總上行數(shù)據(jù)包為：

表4 網(wǎng)關(guān)下行節(jié)點數(shù)據(jù)包及間隔

網(wǎng)關(guān)1個小時下行節(jié)點數(shù)據(jù)包為：

路由1小時內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)40個節(jié)點數(shù)據(jù)包為10×（1280+68）=13480包

表5 路由本身上傳數(shù)據(jù)類型及上傳間隔

配置和遠程讀取未統(tǒng)計，所以路由上傳數(shù)據(jù)包*2為：

路由自身+路由1小時內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)40個節(jié)點數(shù)據(jù)包為：

13480+54=13534包

路由數(shù)據(jù)率為13534/3600= 3.75包/S，將路由數(shù)據(jù)率設(shè)為250ms，每包數(shù)據(jù)128字節(jié)，通過功耗儀測試平均電流為6.8mA。

2路由+控制器+電源模塊帶40個節(jié)點，連續(xù)工作7天功耗為4.15mA。

1.2 太陽能電池選型

電池選擇三元鋰，標準電壓11.1V，負載帶20節(jié)點。連續(xù)工作7天功耗為：（14.2×11.1） mW×24h×（7+1）d=30.26wH。

電池容量=安全系數(shù)（1～1.4）×負載功率×供電時間×最長連續(xù)陰雨天數(shù)/（電池放深度×系統(tǒng)電壓×電源模塊轉(zhuǎn)換效率）=1.4×30.26/（0.8×11.1）=4.77AH。廠家型號為2A一節(jié)，所以需要3并一共6AH。

充電電池帶有充電保護板，充電保護板過充電保護電壓為11.7 V ～13.2V，過充電解除電壓11.4V ～13.2V。過放電檢測電壓6V ～9V，過放電解除電壓6V～10.2V。

1.3 太陽能板選型

控制器的作用僅用來將太陽能板電能傳輸，并對電池進行充放電保護的作用，并且模擬鋰電池的充電過程為電池充電，即控制器對電池充電無特別影響。對于電池充電效率主要為太陽能板選型。太陽能電池板需要4小時充滿電，電池板的峰值電流大于1.5A。測試實際平均電流小0.1A電流，需要電池板峰值電流大于1.6A12V太陽能板的峰值電壓為18V，太陽功率為18*1.6=28.8W由于在使用過程中出現(xiàn)灰塵、多云、線損等情況，增加余量取整功率30W。

1.4 太陽能控制器設(shè)計

太陽能控制器包含輸入防護功能以及充電控制功能。輸入防護包含太陽能防反接，防雷、防護靜電，過流等保護功能。充電控制由LT3652實現(xiàn)，該充電IC具有峰值功率跟蹤（MPPT）的輸入電源電壓調(diào)節(jié)功能。寬輸入電壓：4.95至32V，最大輸入電壓為40V。最大充電電流支持2A。支持配置充電截止條件，包含C/10h或內(nèi)置充電終止定時器。本系統(tǒng)設(shè)計充電電壓為12.6V，充電電流2A，最大功率電壓為12.8V。

太陽能控制器對電池充電過程為預(yù)充、快充、充電結(jié)束四個階段。如果控制器采集到電池電壓非常低時，LT3652自動進入預(yù)充電池模式，該模式下充電電流為300mA，當(dāng)充電電池的電壓達到充滿電壓的70%時，LT3652自動進入快充模式，該模式下充電電流提高到2A，當(dāng)充電池電壓接近12.6V時，充電電流逐漸減少，此時充電電流由2A降低到300mA或者充電電池電壓達到12.6V時，LT3652自動進入充電結(jié)束狀態(tài)。當(dāng)路由工作時，充電電池的電壓由12.6V降低2.5%時，LT3652自動重新啟動充電周期。此外，當(dāng)充電電池進行更換或失效故障后，LT3652也自動重新啟動充電周期。下面對每個管腳配置進行說明[2-3]：

1.4.1 引腳1（Vin）。該引腳為電源輸入引腳，太陽能板的最大輸出電壓為18V。當(dāng)太陽能輸出電壓大于電池浮充3.3V,充電IC進入工作模式。當(dāng)電池充滿電時，充電IC進入低功耗狀態(tài)，充電IC輸出電流小于100uA。由于Vin腳的輸入電路和電壓較大，所以在Vin腳添加一個低ESR的電容，降低系統(tǒng)噪聲，本系統(tǒng)設(shè)置采用一個7RX材質(zhì)的陶瓷電容進行濾波，電容容值為10uF。

1.4.2 引腳2（Vin_reg）。該引腳為輸入電壓調(diào)節(jié)基準，當(dāng)該引腳的電壓低于2.7V時最大充電電流減小。在Vin和該引腳連接一個分壓電阻可使能最小運Vin的電壓編程。該引腳通過用于設(shè)置太陽能發(fā)電板的峰值功率電壓。LT3652通過調(diào)節(jié)最大充電電流以維持設(shè)置的Vin運行電壓。如果未采用電壓調(diào)節(jié)功能，需要將該引腳連接至Vin。本充電控制系統(tǒng)的最大功率電壓為12.8V，針對最大功率電壓VIN(min)的分壓電阻Rin1和Rin2計算公式如下式所示：

其中：VIN(min)為12.8V，去RIN1為1K,則R in2=3.73k。

1.4.3 引腳3（SHDN）。精準門限停機引腳，該引腳使能門限為1.2V，具有120mv的輸入遲滯。當(dāng)處于停機模式時，所有充電功能均被停用。該功能若無使用需求，直接將該引腳連接至Vin。本系統(tǒng)設(shè)計方案，通過連接一個發(fā)光二極管以及限流電阻和電源至該引腳，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，可通過發(fā)光二極管的亮滅可直接獲取到故障信息。

1.4.4 引腳4（CHRG）。集電極開率充電器狀態(tài)輸出。通常通過一個電阻上拉至一個基準電壓。在一個充電周期內(nèi)，如果所需的充電電流大于編程電流的1/10時，該引腳將被拉低，溫度故障也會使引腳拉低，在充電結(jié)束后，則該引腳為高阻抗狀態(tài)。若該功能暫無使用需求，直接將該引腳連接至Vin。本系統(tǒng)設(shè)計方案，通過連接一個發(fā)光二極管以及限流電阻和電源至該引腳，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，可通過發(fā)光二極管的亮滅可直接獲取到故障信息。

1.4.5 引腳5（FAULT）。集電極開路充電器狀態(tài)輸出。常通過一個電阻上拉至一個基準電壓。在一個充電周期內(nèi)，溫度故障會導(dǎo)致該引腳輸出拉低。

1.4.6 引腳6（TIMER）。周期結(jié)束定時器編程引腳，如果使用定時器設(shè)定充電結(jié)束，需要在該引腳與地之間連接一個電容器。本方案不采用該方案，直接將TIMER引腳連接至地。

1.4.7 引腳7（Vfb）。電池浮充電壓反饋基準，充電功能運行在該引腳上現(xiàn)實一個3.3V的最終浮充電壓。浮充電壓采用一個電阻分壓器來設(shè)置。浮充電壓最大可設(shè)置為14.4V。設(shè)置浮充所需電阻遵循下面方程：

其中：VBAT(FLT)為12.6V，則R1=954K，R2=256k。

1.4.8 引腳8（NTC）。電池溫度監(jiān)視器引腳，該引腳是NTC熱敏電阻溫度監(jiān)視電路的輸入。該功能通過在NTC引腳和地之間連接一個10K、B=3380NTC熱敏電阻來啟動。由于本系統(tǒng)電池采用保溫防護，不需要使用電池溫度檢測功能，所以該引腳處于浮空狀態(tài)。

1.4.9 引腳9（BAT）。充電器輸出監(jiān)視引腳，連接一個10uF的去耦電容至地。本系統(tǒng)需要在無電池或者電池故障時，保證系統(tǒng)穩(wěn)定輸出能夠正常保障路由器繼續(xù)工作，所以在Vbat管腳連接一個額外的旁路電容，該旁路電容可視為一個并聯(lián)電池組，當(dāng)充電電池故障時，控制器為該旁路電容充電，此旁路電容需選用低ESR的鉭電容或者有機半導(dǎo)體電容，電容容值為100uF。

1.4.10 引腳10（SENSE）。充電電流檢測引腳，在SENSE引腳和BAT引腳之間連接電感器檢測電阻（Rsense）該電阻器兩端的電壓設(shè)定平均充電電流。最大充電電流對應(yīng)于檢測電阻器兩端上的100mV?？稍O(shè)定該電阻以設(shè)置高達2A的充電電流。檢測電阻阻值遵循下面的關(guān)系式：

本設(shè)計方案的最大充電電流為2A，所以檢測電阻為50mΩ。

1.4.11 引腳11（BOOST）。用于開關(guān)驅(qū)動器的自舉電源軌。該引腳助長開關(guān)晶體管的飽和。在BOOST引腳和SW引腳之間連接一個1uF或者更大的電容器。去耦電容的電壓通過二極管刷新，該二極管的正極連接至充電電池的輸出端或者一個外部電源，而負極則連接在BOOST引腳。該二管的平均電流額定值大于100mA，且其反向電壓額定值大于輸出電壓，一般取輸出電壓的1.5倍。

1.4.12 引腳12（SW）。開關(guān)輸出引腳。該引腳是充電器開關(guān)的輸出，而且對應(yīng)于開關(guān)晶體管的發(fā)射極，當(dāng)啟用是，開關(guān)把SW引腳短接值VIN電源。

1.4.13 引腳13（GND）。接地基準和背部裸露引線框架熱連接。

LT352 管腳配置基本設(shè)計完成，其余設(shè)計遵循參考設(shè)計即可。

3 現(xiàn)場使用反饋

目前該系統(tǒng)方案以大量應(yīng)用于東北油田，經(jīng)過一年的使用，通過路由的在網(wǎng)狀態(tài)可發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)方案設(shè)計合理，系統(tǒng)能夠保障在冬天穩(wěn)定運行，且可連續(xù)工作多個陰雨天。但該方案唯一缺點是當(dāng)系統(tǒng)未安裝在戶外時，長時間未充電狀態(tài)下電池以及保護板和控制器處于放電狀態(tài)，大概一個月的時間未使用時電池電量耗盡，出庫時需對電池進行充電，充電一段時間需才可配置路由器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

4 結(jié)束語

在本文中詳細介紹太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計思路以及現(xiàn)場使用狀態(tài)。太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)用解決戶外取電困難等問題，同時也為油田節(jié)能減排、綠色能源的設(shè)計邁出成功一小步。