智能太阳能充电电路设计

　　摘要： 针对油田无线示功仪及其无线网络节点的供电问题，采用开关电源技术实现了太阳能组件电压变化或负载波动时自动调节占空比的供电网络，运用自动控制技术设计了过电压保护电路、过放电保护电路与应急充电电路等， 采用充电管理技术实现了锂电池充电及电压调节电路，根据光敏传感器输出差值比较电压设计了太阳自动跟踪控制器。 该太阳能充电电路思路新颖，在应用上是一种突破，工作效率达到92% ，输出电压精度为98% ，系统运行一年来，工作性能安全、稳定。 应用证明具有较高的实用和推广价值。

　　随着无线技术的发展，无线网络技术越来越多投入到实际应用中， 无线传感器网络一般分布范围较广，架设供电线路，投资大，维护成本高。 如采取干电池方式供电，则每个节点的电源供电能力有限，对每个节点更换电池不仅费时、费力，增加成本，而且影响工作效率。 能否稳定持续的供电，成为制约油田无线示功仪及其无线网络发展的一个重要因素，太阳能技术的发展使供电方式产生了飞跃式的发展，已经成为油田无线示功仪及其中继网络节点供电方式的发展方向。 本文拟对油田监测示功仪及中继网络节点设计一种智能化、免维护型的太阳能充电电路，为无线网络节点供电。 该设计电路具有以下特点： ①基于开关电源技术设计的充电网络具有自动调节占空比的功能， 具有很宽的输入电压范围。 ②采用线性电源管理芯片，用先预充2恒流2恒压的充电方式完成整个充电过程。 ③采用低噪声、高速度的CMOS 型电压调节器，具有高精度的恒压、恒流输出。 ④充电过压保护、锂电池过放电保护功能，使锂电池充、放电安全可靠。 ⑤自动跟踪太阳的功能，太阳能采集板始终保持对准太阳，充分利用太阳能。

　　1 系统设计

　　现有的光伏电池，单体的输出电压都很低（在1V 以下） ，本设计中，将多个光伏电池相串联，组成太阳能组件。 通过可以自动调节占空比的供电网络保证在光照强度变化和负载变化时，输出电压基本稳定，为充电管理芯片提供稳定的电压输入。 通过对供电网络的副边电压监测，保护充电管理芯片不因电压过高而损坏。 通过对电池两端的电压监测，保证锂电池不会因过放电而损坏。 由于无线示功仪及其中继网络节点的供电要求是313V，采用低噪声、高速度的CMOS型电压调节器。 在自动跟踪控制器作用下，始终保持全天候跟踪太阳。 为了防止因连续阴雨天而导致的太阳能供电不足，设计应急充电电路，充电期间，无线示功仪及其节点正常运行。 具体系统设计模块如图1所示。

图1 系统设计示意图

　　2 硬件电路设计

　　2.1 太阳能组件及充电电路设计

　　本文设计中采用16个光伏电池串联，组成电压约为1218V 的太阳能组件，通过采集较高多的光能，保证日照能够使锂电池完全充满电。 供电网络设计电路采用正激式拓扑结构［ 1 ］ 。 具体电路如图2所示。

图2 智能型太阳能充电电路设计主电路

　　太阳能组件产生的电能，一路经过开关变压器T1 的122绕组加至开关管Q1 的集电极（ c） ，另一路经过R1 为Q1 提供基极电压。 当基极（ b）的电压为高电平时， Q1 开始导通，变压器T1 的122绕组中产生1正2 负的电动势，经T1 耦合，在T1 的324绕组中产生3正4负的感应电动势，此电动势经R5 ， C2 叠加到Q1的基极（ b） ，使Q1 迅速饱和导通。 由于变压器T1 的122间的电流不能突变，在此过程中会产生1负2正的电动势。 变压器T1 的324绕组中感应出3负4正的电动势，通过R5 ， C2 ，使Q1 迅速进入截止状态。 经R1 对C2 的不断充电， Q1 又开始导通，进入下一轮的开关振荡状态。 在导通期间， T1 变压器的副边绕组526，经整流二极管D4 向外输送能量。

　　稳压电路由稳压管D0、三极管Q2 等元件组成。 当负载减轻或太阳能组件输出电压升高时， A 点电压上升。 当该电压大于511V 时， D0 击穿， Q2 因b2e结正向偏置而迅速导通，使Q1 提前截止，从而使输出电压趋于下降；反之，则控制过程相反，从而使变压器T1 副边输出电压基本稳定。 当负载过重时， Q1 的c2e电流增大， R4 上的压降也随之增大。 当该电压大于017V 时， Q2 导通， Q1 截止，达到过流保护的目的。 为避免截止期间变压器T1 的122 绕组感应出的尖峰脉冲击穿开关管Q1 ，并联了尖峰脉冲吸收电路。

　　2.2 过电压保护控制

过电压保护控制，具体电路如图3所示：整流二极管D4 接过电压保护继电器JDQ1输出。 充电控制管理芯片MCP73831最大输入电压为6V. 虽然供电网络基本输出电压为5V，但当光照强度发生剧烈变化或负载变化较大时，输出电压仍然会有一定波动，为保护MCP73831不因短时的电压波动而损