一種戶外監測設備的電池能量管理系統設計

李艷玲 楊飛虎 楊桂榮

（防城港供電局，廣西 防城港 538001）

隨著工業技術的發展，為保證電網安全穩定運行，戶外監測設備不斷增多。其中，電池能量損耗較快的問題限制了設備的使用壽命，且設備在復雜環境下的維護管理十分不易。

近年來設計出了多種戶外設備供電方案來延長設備的工作時長。其中，無線電能傳輸技術[1]通過電磁場實現非接觸式充電，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換，再由無線電能發射電路進行電能發射，且無線充電距離較近，不適用于復雜的環境。太陽能供電技術[2]通過太陽能電池板進行光電轉換，實現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換效率較低、供電不穩定、經濟性較差，不適宜大量布置。混合供電[3]采用PWM整流技術，實現太陽能電池與低溫電池聯合供電，但受所需光照和空間限制，設計復雜度較高，且太陽能板所占空間限制了監測設備的部署。

針對上述供電問題，本文設計了可用于戶外監測設備的電源管理系統。該系統利用小型低溫電池供電，并加入了電壓轉換芯片，實現電壓的平滑調控，通過MCU內置溫度檢測單元對設備狀態進行監測，并針對不同運行環境設計了三種運行方案，滿足復雜環境下監測設備長期工作的要求。

1 電池能量管理系統結構設計及原理

1.1 總體架構設計

電源管理系統架構圖如圖1所示，本系統由MCU、通信單元、電壓轉換芯片、數模轉換單元、傳感器、電源組成。

本次電源管理系統是由設備的控制程序和低功耗器件共同配合實現。選取了STMicroelectronics公司生產的高擴展、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，通過控制電壓轉換芯片對各個器件供電。

圖1 電源管理系統架構圖

1.2 電壓轉換芯片選擇

在傳統供電方案中，大多采用對設備直接供電方式。由于設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。當電源電量下降，電壓將發生變化，造成供電電壓不穩定。為解決上述器件安全供電問題，采用電壓轉換芯片，控制電壓平滑輸出。

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

1.3 控制程序設計

控制程序的流程圖如圖2所示，信息測量開始，監測設備被喚醒，MCU進入低功耗運行模式，由MCU內部溫度傳感器對器件周圍溫度進行測量，通過MCU內部信息處理后，利用電壓轉換芯片合理控制動態電壓縮放，平滑調節供電電壓，實現信息采集、處理、發送任務，最后采用預先設定方案實現睡眠，等待下一次喚醒。

其中，面對具體測量需求可設定3種設計方案：

1.3.1 當監測設備需長期連續監測時，則設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的數量受限，將工作電流調節為最小。當被事件喚醒時，系統返回運行模式。

1.3.2 當監測設備需定期測量時，則設定為RTC停止模式；

在RTC停止模式下，保留RAM、寄存器內容和實時時鐘，電壓調節器為低功率運行。當時鐘計時達到預設值，系統返回低功耗運行模式。

1.3.3 當監測設備需定期測量，并滿足測量裝置超出閾值時喚醒設備

進行信息發送，則設定為低功耗睡眠模式。

在低功耗睡眠模式下，內部電壓調節器低功率運行，時鐘頻率和啟用外設數量受限。當被中斷觸發喚醒時，系統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

系統電池組采用4×2200mAh電池供電，選擇1節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 系統耗電量測試

該系統工作功耗測試圖如圖4所示，應用電池能量管理系統，在測試中通信單元發射時最大功耗為200mA，在系統休眠時功耗為60μA，經過多組數據測量，平均電流為5.39mA，平均電壓為4.19V，在1000mAh電源下預計可工作185.46小時，與現有的戶外監測設備相比，采用電池能量管理系統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對電池能耗進行優化管理的基礎上，按如下公式對設備應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據表

圖4 電源管理系統功耗測試圖

其中：S-電池容量

A-單月耗電量

Y-預計工作年數

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實用效果，對系統進行耗電測試。其中，測試設備內置2組傳感器，采用8800mAh低溫電池供電，將測量頻率設置為每4h測量一次，每天測量6次。在此條件下，經過30天數據采集分析，估算該設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，對設備用電量進行估計，該設備在此運行條件下可至少工作5年。

3 應用案例及效果

本次戶外監測設備的電池能量管理系統應用于防城港供電局的桿塔測量設備上，由2018年11月陸續投入使用，經6個月的穩定運行，未出現設備斷電停運等現象。而且，基于本次設計，設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備，節省了空間，節約了成本，且在電壓轉換芯片作用下延長了系統各個器件的使用壽命。通過對控制程序的設計，針對不同的監測要求設計了三種運行方案，使同一設備能夠應用于多種測量環境下，減少了電能損耗。

該電池能量管理系統制做成實際電路，集成在戶外環境監測裝置中，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號投入應用，運行狀態穩定，實用效果表明了本設計方案的可行性和有效性。

圖5 裝置實物圖

4 結語

本文通過對現有設備供電方式進行分析，并對器件進行合理選型，利用MCU內置溫度檢測單元實現對設備自身狀態的監測，采用電壓轉換芯片實現電量平滑控制，并根據不同測量需求設計了三種運行方案。與現有供電技術相比，該電源管理系統能夠靈活應用于不同測量環境中，極大的延長了監測設備的工作時間。通過實驗驗證，預計裝設該電池能量管理系統的戶外監測設備能夠持續工作5年。