CN102868193A

CN102868193A - 无线传感器网络节点太阳能供电电路

Info

Publication number: CN102868193A
Application number: CN2012103368162A
Authority: CN
Inventors: 臧建国; 刘文平; 闫述
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络节点太阳能供电电路，包括太阳能电池板、充电保护电路、蓄电池、放电保护电路、DC-DC电路和负载，其特征在于：所述太阳能电池板通过充电保护电路采用恒压方式给蓄电池供电；所述放电保护电路串接所述蓄电池，其设置有一个基准电压，当蓄电池参考端的输出电压达到或者超过基准电压时，蓄电池向负载供电，当蓄电池参考端的输出电压低于基准电压时，蓄电池停止给负载供电，进行防电保护；所述DC-DC电路串接在放电保护电路。本发明的充电、充电保护电路，放电保护电路功能完整，结构简单、自耗电低，是一种适应范围广的无线传感器网络太阳能供电电路。

Description

无线传感器网络节点太阳能供电电路

技术领域

本发明属于无线通信领域供电技术，具体涉及无线传感器网络（WSN）节点太阳能供电装置的蓄电池充放电保护电路。

背景技术

具有现代意义的无线传感器网络，因自身的特点在大面积远程环境监测领域有着广阔的应用前景。但是网络节点携带的电源能量有限，部署区域面积广大、路途遥远，通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。采用太阳能电池板为节点蓄电池充电成为实现节点持续能量供应的可行方法之一，蓄电池的充放电保护电路，既可保证电池的使用寿命，同时也延长了整个网络的生命周期。为使太阳能供电装置在连续阴、雨、雾、雪和冬季日照短等情况下，有比较充足的能量储存，为传感器节点配备了6V/12Ah蓄电池、为汇聚节点的GPRS（General Packet Radio Service）配备了12V/70Ah铅酸蓄电池。

太阳能充放电保护电路的供电，来源于太阳能电池产生的能源和蓄电池储存的能源，因此要求电路的构成简单，尽可能使耗能最小化，须特别设计。现有无线传感器网络节点的太阳能充放电保护电路，如在《通信电源技术》中的杨志勇、王卫星所著《无线传感器网络电源智能控制系统设计》中为锂电池充电的由智能充电芯片CN3063（标称耗电A650）构成的电路,利用二极管降压为节点数传模块(Mi2caz) 提供3V电压,利用升压芯片2301（耗电100mA）和MC34063（耗电100mA）分别为传感器提供5V和12V电压。其中的充电和升压芯片增加了电路复杂度和耗能，且仅考虑了充电保护，未考虑连续日照不足极端情况下，电池因过放电被损坏的放电保护问题。另外，在孙浩明、韩焱所著《现代电子技术》中公开了一种无线传感器网络电源智能控制系统，由低压差线性调压器LM1117（压降1V、输出电流950mA）、取样电阻（R1，R2，R3，R4，R5）、电压比较器LM139（耗电20mA）、反相器74HC04（耗电40mA~400mA）以及编码器74HC148（标称耗电A3）构成，电路更复杂，自身耗能更大。还有在《无线通信技术》的王冬冬、闫述、陈祖爵、严晨哲、刘文平所著《无线传感器网络节点太阳能蓄电池充放电保护电路》中公开了一种WSN节点太阳能蓄电池充放电保护电路，自耗电较低（约5.7mA），但采用的恒流方式充电效率不高，需用比较器、三极管、分流稳压器进行充电保护，放电保护电路中还有防振荡滞回设计，整体电路仍然比较复杂。

发明内容

本发明针对现有无线传感器网络节点太阳能充放电保护电路复杂、能耗高，充电效率不高等问题，提供了一种简单易行、自身能耗低的太阳能充电保护电路和蓄电池放电保护电路。

实现本发明目的的技术方案是：一种无线传感器网络节点太阳能供电电路，包括太阳能电池板、充电保护电路、蓄电池、放电保护电路、DC-DC电路和负载，所述太阳能电池板通过充电保护电路采用恒压方式给蓄电池供电；所述放电保护电路串接所述蓄电池，其设置有一个基准电压，当蓄电池参考端的输出电压达到或者超过基准电压时，蓄电池向负载供电，当蓄电池参考端的输出电压低于基准电压时，蓄电池停止给负载供电，进行防电保护；所述DC-DC电路串接在放电保护电路。

在恒压充电和恒流充电两种方式中，恒流充电电流仍然会随太阳能光电板的输入电压变化，恒流是人为限制的结果，还需要比较单元进行电压检测，进一步减小了充电电流。本发明采用恒压方式充电，充电效率高，充电电流随蓄电池两端电压的升高逐渐减小，直到涓流充电，保证蓄电池不会过充。无需专门的充电保护模块，电路简单、降低了故障率和自身能耗。保护时的涓流电流还可抵消电池的自耗电，使电池始终保持满电状态，延长使用寿命。充电电压、充电保护阈值和涓流充电电流均可根据需要调整。在日照充足的情况下，太阳能板直接对节点供电，同时对蓄电池充电；在阳光不充足或夜间无阳光时，太阳能板停止对节点供电和对蓄电池充电，转为蓄电池对节点供电，此后蓄电池电压逐渐下降。放电保护电路在蓄电池电压低到一定程度需要与节点断开防止过放时，选择保有适当微弱电流不完全关断的沟道管，防止蓄电池断开后电压反弹引起的振荡现象，无须设计专门的防振荡滞回电路。进一步降低了电路的复杂度和自耗电，提高了电路的可靠性。

有益效果

本发明应用于无线传感器网络节点的太阳能供电装置的蓄电池充电和充放电保护。采用的恒压充电方式充电效率高，可在连续雨雪天气和北方冬季利用较短暂的日照快速为蓄电池补充电能，保持电池储能饱满增强了太阳能供电装置的续航能力。充电电流随蓄电池两端电压的升高逐渐减小，直到保护时的涓流充电。蓄电池的充电电压和保护阈值在2.5V~36V范围内可调，涓流充电电流可根据蓄电池自耗电设定。日照充足时，太阳能板直接对节点供电、同时对蓄电池充电。阳光不充足或夜间，太阳能板停止供电和充电，节点转由蓄电池供电。当蓄电池电压降低到设定的保护阈值时，放电保护电路将断开蓄电池和节点的连接，避免蓄电池因过放损坏，起到保护作用。蓄电池消耗的电能将在太阳能板恢复发电后补充。保护电路采用的耗尽型PMOS沟道管，在截止后仍保有微弱电流，可防止蓄电池和节点完全断开后电压的反弹现象，不会出现放电保护振荡，取消了防振荡滞回电路。

本发明的充电、充电保护电路，放电保护电路功能完整，结构简单、自耗电低（充电保护电路的自耗电约为5mA，放电保护电路的自耗电约为2.8mA），是一种适应范围广的无线传感器网络太阳能供电电路。

附图说明

图1 太阳能充电及蓄电池放电保护电路总体框图；

图2 太阳能充电保护电路；

图3 蓄电池放电保护电路；

图4 DC-DC电路；

图中：1太阳能电池；2充电保护电路；3蓄电池；4放电保护电路；5 DC-DC电路；6作为负载的节点；L-是负载负极接线柱；L+是负载正极接线柱；B+是蓄电池正极接线柱；B-是蓄电池负极接线柱；S+是太阳能电池板正极接线柱；S-是太阳能电池板负极接线柱。

具体实施方式

图1是通常为WSN和汇聚节点铅酸蓄电池设计的太阳能充电和蓄电池放电保护电路总体框图，由太阳能电池板1，充电保护电路2，蓄电池3，放电保护电路4，DC-DC电路5和作为负载的节点6组成。

图2是太阳能板充电保护电路。太阳能板1通过充电保护电路2给蓄电池3供电。首先，在连接蓄电池3之前，使用万用表测量转换输出电压，调节滑动变阻器W1的阻值来控制蓄电池输入端的电压大小、确定充电保护阈值。调节W2的阻值来控制蓄电池涓流充电电流的大小。充电保护电路中，R4为保险电阻，Q4，TL431，W1组成可调稳压器调节充电电压，可在2.5V~36V的范围内为蓄电池充电。当光照不足太阳能板输出电压低于蓄电池电压时，三极管Q4反向截止，太阳能板不再向蓄电池充电，直到恢复正常充电电压。铅酸蓄电池每天的自耗电约为6‰C,6V12Ah换算后约为3mA，12V70Ah换算后约为17.5mA。实际使用中，可根据电池自身耗电情况，适当选择涓流充电电流的大小。

太阳能板输出电压、转换输出电压和充电电流之间的实验测试结果如表1所示。

表1太阳能板输出电压、转换输出电压和充电电流的实测结果

Figure 2012103368162100002DEST_PATH_IMAGE002

测试时选用一块9V/10W的太阳能板，给6V蓄电池充电，实验选取的蓄电池初始电压为6.2V，天气晴好。实验表明，充电电流受转换电压与太阳能板电压共同影响。太阳能板电压反映了日照条件，阳光越充足，太阳能板输出电压越高，充电电流越大。转换输出电压越高，充电电流越大。但值得注意的是，当转换输出电压达到6.8V，即充电压差为0.6V时，充电电流受转换输出电压的影响较小。当压差低于0.6V时，转换输出电压对充电电流有较大影响。当蓄电池电压接近转换输出电压时，电流微弱，达到了充电保护的目的。测试表明：同等条件下，采用恒压方式的充电效率约为恒流方式充电的两倍。

图3放电保护电路中，采用可调分流基准芯片TL431芯片和R5、R8分压电阻和P 沟道MOS管（AO4405）组成放电保护单元。TL431是德州仪器公司(TI)生产的一个有良好热稳定性能的精密三端稳压源并联稳压器。TL431由一个2.5V的精密基准电压源、一个电压比较器和一个输出开关管等组成。当参考端的输出电压达到或超过2.5V时，TL431阴极向阳极方向立即导通。图中R8两端电压即为TL431的参考端电压。调节R5、R8两电阻的阻值，使得当蓄电池电压低至保护电压时，R8两端电压刚好达到2.5V。当R8两端电压不低于2.5时，TL431阴极向阳极导通，U _GS<0,P沟道MOS管导通，蓄电池向节点供电；当R8两端电压低于2.5V时，U _GS>0, P沟道MOS管截止，蓄电池停止给节点供电，实行放电保护。由于耗尽型PMOS管是在保有微弱电流情况下的关断，电池电压实际上还有缓慢的下降，可防止蓄电池完全断开后电压反弹引起的振荡现象，因此不需要防振荡滞回电路。实验表明，当电池电压接近放电保护电压时，随着PMOS管的截止节点指示灯缓慢变暗，直至熄灭，没有指示灯重新点亮的现象，证实电路不存在震荡现象。电路中电流减至0的过程将持续一个多小时。电路中电流为0后，电路完全保护，直至太阳能供电板工作将蓄电池电压充足后再次接通。

图4是HT7330芯片（允许输入电压4V～12V，转换精度±3%）DC-DC电路。其中C5和C4分别是蓄电池3输入高频和低频滤波电容；C2和C3分别是HT7330电压输出高频和低频滤波电容。

以上所有参数确定好之后就可以按照图2、图3和图4分别进行充电保护电路、放电保护电路和DC-DC电路的安装、测试。对于WSN中用于远程通信的GPRS（工作电压5V～12V、平均工作点电压8.5V）供电的12V/70Ah蓄电池，上述充放电保护电路只需改变图2、图3电阻的比值即可。如充电保护电路，12V/70Ah的蓄电池3的充电阈值为12.9V，只需调节滑动变阻器W1的大小，使得转换板的输出电压即蓄电池3阴阳极的输入电压达到12.9V，即可达到充电保护的目的。对于放电保护电路，设12V/70Ah蓄电池3放电阈值为11V，此时使图3中R8、R5的电压之比为5:17，可选择R8为50KΩ，R5为170KΩ，就能使12V/70Ah蓄电池3得到过放电保护。相应的DC-DC电路只需要将图4中的HT7330电路更换成HT7333电路即可。

Claims

1.一种无线传感器网络节点太阳能供电电路，包括太阳能电池板、充电保护电路、蓄电池、放电保护电路、DC-DC电路和负载，其特征在于：

所述太阳能电池板通过充电保护电路采用恒压方式给蓄电池供电；

所述放电保护电路串接所述蓄电池，其设置有一个基准电压，当蓄电池参考端的输出电压达到或者超过基准电压时，蓄电池向负载供电，当蓄电池参考端的输出电压低于基准电压时，蓄电池停止给负载供电，进行防电保护；

所述DC-DC电路串接在放电保护电路。

2.如权利要求1所述无线传感器网络节点太阳能供电电路，所述充电保护电路采用可调分流基准芯片TL431芯片和R5、R8分压电阻和P 沟道MOS管（AO4405）组成放电保护单元；通过调节滑动变阻器W1的阻值来控制蓄电池输入端的电压大小，确定充电保护阈值。

3.如权利要求2所述无线传感器网络节点太阳能供电电路，所述充电保护电路通过调节滑动变阻器W2的阻值来控制蓄电池涓流充电电流的大小。

4.如权利要求2所述无线传感器网络节点太阳能供电电路，所述充电保护电路中，R4为保险电阻，三极管Q4，精密三端稳压源并联稳压器TL431，滑动变阻器W1组成可调稳压器调节充电电压；当光照不足太阳能板输出电压低于蓄电池电压时，三极管Q4反向截止，太阳能板不再向蓄电池充电，直到恢复正常充电电压。