太陽能供電電源管理控制器的研發

武建華等

【摘 要】 本文重點介紹了在智能電網建設背景下，針對高壓輸電線路監控設備的電源管理控制器的需求，提出了“電源管理控制器”的設計思路和具體實現，闡述了電源管理控制器的組成及工作原理，并對蓄電池充放電控制需要解決的問題進行了分析。為將來智能電網輸電線路監控設備的電源管理控制器的成功使用提供了一種強有力解決方案。

【關鍵詞】 輸電線路 監控設備 電源管理控制 蓄電池

2010年國家智能電網規劃總報告中提出加大對輸電線路狀態監測裝置及其系統的研制開發，全面建成覆蓋全網范圍的輸電設備狀態監測系統。國網檢修公司與廠家三川公司依據國網相關標準合作研發出了一種“沿輸電線路展開的無線寬帶專網通信系統”，成功應用于輸電線路視頻監視系統中。

由于輸電線路檢測設備的電源系統是由太陽能電池組和蓄電池組成的。為保證蓄電池工作在合理的充放電條件下，我們在前期合作項目的基礎上，開發設計了電源管理控制器，進行電源管理，以達到實時監控輸電線路上各檢測點配備的監測終端的蓄電池使用情況，并在特定的情況下對其電源進行控制的目的，例如在蓄電池饋電的情況下關閉電源避免蓄電池過度放電或蓄電池滿電的情況下關閉太陽能充電來避免蓄電池過度充電。通過合理的使用蓄電池來延長蓄電池的使用壽命，減少因蓄電池損壞而造成的各種維修成本和人工成本。

1 電源管理控制器總體結構

電源管理控制器由防反充保護電路，充電控制電路，放電控制電路，溫度、電壓采集電路以及MCU電路等組成，原理框圖如圖1所示。

圖中無線通訊終端是一款符合IEEE802.11a/b/g標準的電信級無線通信設備（上一項目的成果），由三川公司研發，該設備具有雙路射頻輸出，最高帶寬150M，具有中繼和雙向通信功能。通過RS485接口連接電源管理控制器。

充電控制電路是該控制器的關鍵部分，需要MCU針對蓄電池的不同溫度、電壓狀態對蓄電池進行不同的操作，達到通過合理使用蓄電池來延長其使用壽命的目的。下面將詳細介紹充電控制的原理。

2 電源管理控制器充電原理

2.1 蓄電池充電原理

蓄電池在充電初期用較大的電流充電，經過一段時間改用較小的電流，至充電后期改用更小的電流，即不同階段內以不同的電流進行充電。由于充電后期改用較小電流充電，這樣減少了氣泡對極板活性物質的沖刷，減少了活性物質的脫落。這種充電方法能延長蓄電池使用壽命，并節省電能，充電徹底。

把蓄電池的電池容量稱為1C，在充電時，充電電流小于0.1C時，我們稱為涓流充電，又稱浮充。當充電電流在0.1C和0.2C之間時我們稱為慢速充電。充電電流大于0.2C，小于0.8C則稱快速充電。

2.2 PWM原理

PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。我們采用的是脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的周期和占空比而達到控制充電電流的目的。（見圖2、圖3）

TH為PWM波的高電平時間，TL為PWM波的低電平時間，T1、T2、T3時刻電容C的兩端電壓分別為V1、V2、V3。設TH時間內C充滿電，TL時間內C放完電，即電容C在一個周期內充放電相等，故有V1=V3。

當t

由于T=（TH+TL）<

當t=TH時，

當TH

當t=TH+TL時，

又因為V1=V3，即：

忽略二階小量，得到：

由于PWM的占空比定義為：

所以：

由于V1=V3≈V2，電容兩端的電壓近似為直流電壓，表示為：

由于VH為MOS管導通時電壓，即太陽能電池組的電壓，而VL是MOS管截止時電壓為0所以：

所以，我們在確定蓄電池充電電流和電路的參數后可以計算出所需的輸出電壓。再通過與采集到的太陽能電池電壓相比可以求得所需的占空比。

3 電源管理控制器的軟件設計

電源管理控制器的MCU通過控制外圍電路采集蓄電池的電壓和溫度，并對電壓進行分析，通過條件函數對蓄電池的工作狀態進行判定，選擇對蓄電池的操作，包括停止充電，停止放電，浮充，慢充以及快充。實現對負載供電和蓄電池充放電的自動控制功能。

在MCU初始化時打開中斷和定時器，每隔固定的時間與無線通信終端通信，來檢測通信終端的工作狀態，用于蓄電池停止供電和恢復供電后對負載狀態檢測。

當負載電路或充電電路故障導致負載電流或充電電流過大時，電路自動切斷與蓄電池和太陽能電池組的連接，同時MCU會響應相應的中斷函數，對電路進行保護操作同時檢測電路信息，恢復正常后重新打開電路開關。其主要程序框圖如圖4所示。

4 電源管理控制器功能性能測試

本控制器在石家莊安廉II線試行半年，實現了初始設計時所要求的功能性能，在實際運行過程中未出現影響系統運行的故障。

5 結語

依本文給出的設計思路，開發完成的“電源管理控制器”，解決了因蓄電池過度使用而造成財力、人力資源等浪費的問題。為輸電線路在線狀態監測系統的廣泛使用提供了可靠的供電保障。為推動我國高壓智能輸電網的建設，推動世界高壓智能輸電網的建設做出貢獻。

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