CN102611149A - 一种野外在线监测装置的充电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种野外在线监测装置的充电电路，包括至少一路充电回路，所述充电回路包括依次连接的太阳能电池板，DC/DC变换器，充电控制电路和电池组，各充电回路并联连接至一DC/DC3变换器后连接至一负载，所述各充电回路以及各回路之间设有一防放电阻断开关。本发明可以解决在户外给电力设备进行在线监测的装置方便供电的问题，实现最大限度的利用太阳能来给电池充电，及管理电池组之间的充供电控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能供电电源的充电电路，具体涉及一种野外在线监测装置的充电电路。
背景技术
电力系统中的很多电力设备安装在户外，有些甚至在高压线路上。对这些电力设备进行在线监测的装置不可避免地要安装在户外，因此如何方便地给在线监测装置供电是亟待解决的问题。
太阳能供电电源分为充电管理和供电管理两个部分。充电管理部分主要负责最大限度的利用太阳能来给电池充电，及管理电池组之间的充供电控制。供电管理部分主要负责前端各个数据采集通道的供电控制，以达到最优化的利用电源，达到省电的目的。
由于锂电池的寿命是按照其充放电循环周期来计算，何时利用太阳能给在线监测装置供电或给锂电池充电，何时利用锂电池给在线监测装置供电就变得尤为重要。现有的充电方式大多数利用一块蓄电池，此时电池充供电逻辑复杂，不宜最大的利用太阳能电池板输出功率，没有优先利用太阳能给系统供电，同时加大了对锂电池使用的频率，从而减少了电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种野外在线监测装置的充电电路，以解决在户外给电力设备进行在线监测的装置方便供电的问题，以实现最大限度的利用太阳能来给电池充电，及管理电池组之间的充供电控制。
本发明的设计构思当太阳能充足时，优先给系统供电，多余的电量给电池充电。
为实现上述发明的发明目的，本发明提供了一种野外在线监测装置的充电电路，包括至少一路充电回路，所述充电回路包括依次连接的太阳能电池板，DC/DC变换器，充电控制电路和电池组，各充电回路并联连接至另一DC/DC变换器后连接至一负载，所述各充电回路上以及各充电回路之间均设有防放电阻断开关。
优选地，所述防放电阻断开关是一二极管，所述充电回路包括第一充电回路和第二充电回路，一第一二极管、一第二二极管和一第五二极管的正极接至第一充电回路的DC/DC变换器的输出，一第三二极管、一第四二极管(D4)和一第六二极管的正极接至第二充电回路的DC/DC变换器的输出，第五二极管和第六二极管的负极接至所述另一DC/DC的输出标签上，第一二极管和第三二极管的负极接至第一充电回路中充电控制电路的输入端，第二二极管和第四二极管的负极接至第二充电回路中充电控制电路的输入端。
优选地，所述各充电回路中的DC/DC变换器包括依次连接的接插件，过流保护元件，输入电压检测电路，过压保护元件，一第一滤波电路，一稳压芯片，一第二滤波电路和至少一组电池组，所述电池组的电路上串联一二极管。
优选地，所述第一滤波电路包括并联连接的一第一电容和一第二电容；所述过压保护元件与第一滤波电路并联连接；第一滤波电路的一端与过流保护元件连接，另一端与稳压芯片的输入端连接；输入电压检测电路的一端与过流保护元件连接，另一端接地，输入电压检测电路包括并联连接的第二电阻和过压保护二极管，以及与并联连接后的第二电阻和过压保护二极管串联连接的第一电阻；稳压芯片工作控制端通过一第三电阻与过流保护元件连接；所述第二滤波电路一端与电池组连接，另一端接地，其包括与稳压芯片的输出端连接的一第三电容，并联连接的一第四电容和一第五电容、一储能电感和一续流二极管，所述第三电容与储能电感和续流二极管的连接点连接。
优选地，所述充电控制电路包括依次连接的逻辑控制开关，涓流充电回路和电压测量电路。
优选地，所述的逻辑控制开关包括一第四电阻，一三极管，一第五电阻和三个并联的MOSFET；三极管的基极与第四电阻连接，集电极与各MOSFET的栅极连接，发射极接地；第五电阻与各MOSFET并联；各MOSFET的源极和涓流充电回路的一端连接。
优选地，所述的涓流充电回路包括串联连接的另一二极管和一第六电阻，涓流充电回路的一端与各MOSFET的源极连接，另一端与各MOSFET的漏极连接。
优选地，所述的电压测量电路包括并联连接的又一二极管，一第六电容和一第十电阻，以及与该并联电路串联连接的一第九电阻。
优选地，所述另一DC/DC变换器包括依次连接的第三滤波电路，另一稳压芯片和第四滤波电路。
优选地，所述第三滤波电路和一端与电池的输出端连接，另一端接地，第三滤波电路包括并联连接的一第七电容和一第八电容；另一稳压芯片与一电感并联连接；第四滤波电路一端与负载连接，另一端接地，其包括串联连接的一第十四电阻和一第十五电阻，以及与串联连接后的第十四电阻和第十五电阻并联连接的一第九电容和一第十电容。
本发明的有益效果：太阳能电池板的输出可等效为一个恒压源，DC/DC1和DC/DC2可将把太阳能电池板的输出电压有效的转换为系统的工作电压和电池的充电电压范围之内。DC/DC3的则把电池的输出电压(3.3V-4.2V)稳定在3.7V。两块电池分别进行充放电管理，使得控制逻辑简单，并且可严格按照电池特性来使用，从而延长电池的使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述的一种野外在线监测装置的充电电路在一种实施方式中的电路图。
图2是本发明所述的一种野外在线监测装置的充电电路中DC/DC变换器在一种实施方式中的电路图。
图3是本发明所述的一种野外在线监测装置的充电电路中充电控制电路在一种实施方式中的电路图。
图4是本发明所述的一种野外在线监测装置的充电电路中另一DC/DC变换器在一种实施方式中的电路图。
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明所述的野外在线监测装置的充电电路做进一步的解释说明。
如图1所示，充电回路系统包括两路充电回路，每一路充电回路包括依次连接的太阳能电池板，DC/DC变换器，充电控制电路和电池组，两路充电回路并联连接至一DC/DC3变换器后连接至一负载，所述各充电回路以及各回路之间设有二极管作为防放电阻断开关。
在图1的充电回路中，为了防止电池组向太阳能电池组或其它电池组放电，必须在充电回路中添加单向二极管来防止电池通过MOSFET的续流二极管放电，以此来保证充电回路和供电回路的单向性。但是锂电池有效的电压范围为3.3-4.2V，当电池电压降为3.7V以下时，系统将无法工作，故还须添加一DC/DC转换器来消除电池电压变化带来的影响。电池保护监测模块不断的监测充电和供电电流，当充电电流或供电电流超过设定值时，立即切断充电或供电回路，防止电池过充电或者过放电。二极管D1、D2和D5的正极接至DC/DC1的输出，二极管D3、D4和D6的正极接至DC/DC2的输出。同时D5和D6的负极接至DC/DC3的输出+3.7V标签上，D1和D3的负极接至第一路充电控制电路的输入端，D2和D4的负极接至第二路充电控制电路的输入端。
下面结合图2、图3和图4分别说明DC/DC变换器、充电控制电路、DC/DC3变换器的结构组成及各部分的连接关系。
如图2所示，DC/DC1和DC/DC2的主要功能是把太阳能电池板的输出电压有效的转换为系统的工作电压和电池的充电电压范围之内。锂电池的最大电压可达到4.2V，加上充电回路中一个二极管的管压降0.4V左右，故输入电压应大于4.6V而系统的电源供电部分有低压差稳压器，其电压的输入最大值为10V，故DC/DC变换器的输出电压在4.6-10V之间都可满足要求，但是压差越大意味着电源芯片上的损耗越大，而本系统的设计宗旨是低功耗设计，故应略高于4.6V即可，本DC/DC变换器的输出电压确定在5.0V。本系统的太阳能电池板，最佳工作电压为18V，最佳工作电流为0.8A，通过DC/DC变换器以后电压变为5V，理论上电流最大可达2.88A，基于负载电流这一指标选用LM2678比较合适，LM2678的负载电流高达5A，输入电压范围为8-40V，非常适合太阳能电池板较宽的电压输出，并且转换效率最高可达92％。可充分的利用太阳能。
图2中DC/DC变换电路包括接插件J1，保险丝FU1、瞬态抑制二极管D1，稳压二极管D2，电容E1、E2、C1、C2、C3，电阻R1、R2、R3，电感L1，二极管D3、D4、D5。接插件J1为太阳能电池板接入端，D1和FU1形成系统保护电路，其中D1为过压保护，当电压超过其额定电压时，D1限定电压为其额定值，FU1为过流保护，当电流超过其额定值时，FU1断开；E1、C1形成输入滤波电容，用于滤除输入电源上的纹波；R1、R2和D2形成输入电压检测电路，其中D2为过压保护二极管，当R2上电压超过其额定值时，限定R2上电压值为其额定值。R3为LM2678工作控制端，高电平时LM2678工作，低电平时LM2678停止工作；C2、D3、E2、C3构成LM2678输出滤波电路。二极管D4、D5构成单向回路，分别为输送至各个电池组。
FU1为自恢复保险丝和D1为瞬态抑制二极管，他们共同保护LM2678，不使之过流或者过压。E1，C1为LM2678的输入电容。R1，R2，D2为太阳能电池板输出电压的测量回路，D2保护AD的输入端口，不使之过电压。充电模块的单片机不断的监测太阳能的输出电压，当其大于18V时，增加充电电流，当其小用18V时，减小充电电流，使太阳能电池板的输出电压始终稳定在18V。R3把LM2678的工作控制端上拉到电源端，使之永远处在工作状态。L1为储能电感，D3为L1的续流二极管。D4，D5为大电流肖特基二极管，LM2678的输出经D4，D5构成单向回路后分别接至两组电池。
本系统对电池的充电电流控制采用PWM控制，单片机内部集成了PWM发生器，这样可以充分利用单片机的资源。由上面的分析可知一路DC/DC变换器的理论输出电流最大可达2.88A，而系统设计的是两路DC/DC变换器并联给电池充电，故给电池提供充电电流最大可达5.76A。充电控制电路如图3所示，包括依次连接的逻辑控制开关，涓流充电回路和电压测量电路。充电控制电路的开关管选用P沟道的MOSFET NTR4101PT1G，此开关管的导通电阻仅为70mΩ，导通电流最大可达3.2A，3个NTR4101PT1G并联最大导通电流在9A左右，并且导通电阻仅为23mΩ，极大的减小了开关功耗。
图3中充电控制电路包括电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12，MOSFET Q1、Q3、Q4、Q5、Q6，二极管D6、D7、D8，接插件J2，电容C4。R4，R5和Q2完成逻辑控制，当PWMO端为高电平时，三极管Q2导通，MOSFET的栅极为低电平，MOSFET Q1、Q3、Q4导通。当PWMO端为低电平时，三极管Q2截止，MOSFET关断。D6，R6为电池提供涓流充电回路，R9，R10，C4，D7构成电池电压测量电路，R9，R10分压后送到A/D转换器，D7为保护二极管，保证R10上电压在A/D转换器的正常输入电压范围之内，C4为滤波电容，消除R10上的毛刺。R11，R12，Q5，Q6，Q7，和D8为电池供电控制电路。
DC/DC3的主要功能是把电池的输出电压(3.3V-4.2V)稳定在3.7V，DC/DC芯片选用CS5171其标称输出电流为1.5A，其详细电路图如图4所示。各元器件的功能和图2中LM2678应用电路的功能基本相同，这里不再赘述。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，包括至少一路充电回路，所述充电回路包括依次连接的太阳能电池板，DC/DC变换器，充电控制电路和电池组，各充电回路并联连接至另一DC/DC变换器后连接至一负载，所述各充电回路上以及各充电回路之间均设有防放电阻断开关。
2.如权利要求1所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述防放电阻断开关是一二极管，所述充电回路包括第一充电回路和第二充电回路，一第一二极管(D1)、一第二二极管(D2)和一第五二极管(D5)的正极接至第一充电回路的DC/DC变换器的输出，一第三二极管(D3)、一第四二极管(D4)和一第六二极管(D6)的正极接至第二充电回路的DC/DC变换器的输出，第五二极管(D5)和第六二极管(D6)的负极接至所述另一DC/DC的输出标签上，第一二极管(D1)和第三二极管(D3)的负极接至第一充电回路中充电控制电路的输入端，第二二极管(D2)和第四二极管(D4)的负极接至第二充电回路中充电控制电路的输入端。
3.如权利要求1或2所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述各充电回路中的DC/DC变换器包括依次连接的接插件，过流保护元件，输入电压检测电路，过压保护元件，一第一滤波电路，一稳压芯片，一第二滤波电路和至少一组电池组，所述电池组的电路上串联一二极管。
4.如权利要求3所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，
所述第一滤波电路包括并联连接的一第一电容(E1)和一第二电容(C1)；所述过压保护元件与第一滤波电路并联连接；第一滤波电路的一端与过流保护元件连接，另一端与稳压芯片的输入端连接；输入电压检测电路的一端与过流保护元件连接，另一端接地，输入电压检测电路包括并联连接的第二电阻(R2)和过压保护二极管(D2)，以及与并联连接后的第二电阻(R2)和过压保护二极管(D2)串联连接的第一电阻(R1)；稳压芯片工作控制端通过一第三电阻(R3)与过流保护元件连接；所述第二滤波电路一端与电池组连接，另一端接地，其包括与稳压芯片的输出端连接的一第三电容(C2)，并联连接的一第四电容(E2)和一第五电容(C3)、一储能电感(L1)和一续流二极管(D3)，所述第三电容(C2)与储能电感(L1)和续流二极管(D3)的连接点连接。
5.如权利要求1所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述充电控制电路包括依次连接的逻辑控制开关，涓流充电回路和电压测量电路。
6.如权利要求5所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述的逻辑控制开关包括一第四电阻(R4)，一三极管，一第五电阻(R5)和三个并联的MOSFET；三极管的基极与第四电阻(R4)连接，集电极与各MOSFET的栅极连接，发射极接地；第五电阻(R5)与各MOSFET并联；各MOSFET的源极和涓流充电回路的一端连接。
7.如权利要求6所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述的涓流充电回路包括串联连接的另一二极管(D6)和一第六电阻(R6)，涓流充电回路的一端与各MOSFET的源极连接，另一端与各MOSFET的漏极连接。
8.如权利要求5所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述的电压测量电路包括并联连接的又一二极管(D7)，一第六电容(C4)和一第十电阻(R10)，以及与该并联电路串联连接的一第九电阻(R9)。
9.如权利要求1所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述另一DC/DC变换器包括依次连接的第三滤波电路，另一稳压芯片和第四滤波电路。
10.如权利要求9所述的野外在线监测装置的充电电路，其特征在于，所述第三滤波电路和一端与电池的输出端连接，另一端接地，第三滤波电路包括并联连接的一第七电容(E3)和一第八电容(C5)；另一稳压芯片与一电感(L2)并联连接；第四滤波电路一端与负载连接，另一端接地，其包括串联连接的一第十四电阻(R14)和一第十五电阻(R15)，以及与串联连接后的第十四电阻(R14)和第十五电阻(R15)并联连接的一第九电容(C7)和一第十电容(E4)。
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