CN107222009B - 一种基于太阳能取电的通信装置的电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能取电的通信装置的电源系统，包括能量搜集管理模块和能量存储管理模块；所述能量搜集管理模块，以输入电压调节的方式保证太阳能电池板始终以最大的功率输出；所述能量存储管理模块，与所述能量搜集管理模块电压输出端连接，实现对后备电源的过欠压、浮充电和寿命的预测管理。本发明实现了太阳能取电能量的搜集与存储管理，电源经过调理后，能够平稳持续为充电电池等后备电源或用电系统供电，性能可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种基于太阳能取电的通信装置的电源系统。
背景技术
由于配电网错综复杂，容易发生故障；特别是接地故障，其隐性特性，很难查找。有时不得不通过拉分段开关并试送电确定故障所在区域，对线路、设备运行的安全性极为不利。使用传统的故障指示器实现线路故障分段定位，故障信息不能远传，不具备故障自动定位功能，需要人工巡线，增加了故障查找难度和时间；利用高集成度的配电终端实现配网的故障识别、故障隔离、网络重构及配网的无功/电压控制和优化运行等功能，这种方案当然是配网自动化一个重要选择，但安装运营比较复杂，在有些地点难以推广。因此，通过简单、成本低廉的通信手段将故障指示器所采集到的故障信息上传到自动化主站系统，从而实现故障区段的自动定位是十分必要的。国网提出2020年实现配网全覆盖的规划目标，支撑全覆盖的主要产品是故指类产品，从规划上数据推算得知未来5年故指产品需求量不少于500万套，市场价值或可达百亿。
从国网发布的故障定位装置的规范来看，汇集单元作为整个故障定位装置的重要组成部分，扮演的角色是接收、处理采集单元上传的配电线路故障、架空导线悬挂安装或电杆固定安装。对其工作电源要求是：可采用太阳能板或TA取电方式供电，并辅以可充电电池作为后备电源，可充电电池包括锂离子/锂聚合物电池、LiFePO4(磷酸铁锂)电池、SLA(密封铅酸)电池等。电池独立供电的情况下，应能全功能工作不少于7天。采用TA取电悬挂于线路上，对于汇集单元整体重量要求来说是远远不可行的，采用TA取电的采集单元俗称探头悬挂于线路上，重量大于1Kg；而汇集单元作为故障定位装置与主站系统之间的通信枢纽，其电源系统的安全稳定可靠的运行是关键。目前并没有针对这方面的电源管理系统，能够为太阳能取电装置提供平稳持续的供电。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于太阳能取电的通信装置的电源系统，实现对太阳能取电能量搜集与存储管理，电源经过调理后，平稳持续为充电电池等后备电源或用电系统供电。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于太阳能取电的通信装置的电源系统，包括能量搜集管理模块和能量存储管理模块；
所述能量搜集管理模块，以输入电压调节的方式保证太阳能电池板始终以最大的功率输出；
所述能量存储管理模块，与所述能量搜集管理模块电压输出端连接，实现对后备电源的过欠压、浮充电和寿命的预测管理。
进一步的，所述能量搜集管理模块包括LT系列电池充电器芯片、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和电感L1；第一二极管D1正极连接太阳能电池板电源，负极连接LT系列电池充电器芯片的VIN口，第一电容C1和第二电容C2的第一端连接第一二极管D1的负极，第二端接地，第一电阻R1和第二电阻R2串联，串联的连接线与LT系列电池充电器芯片的VIN-REG口连接，第一电阻R1的第二端连接VIN口，第二电阻R2的第二端接地，LT系列电池充电器芯片的VIN口和VIN-REG口连接，第三电容C3一端连接LT系统电池充电器芯片的TIMER口，另一端接地，第六电阻R6和电感L1的第一端连接LT系列电池充电器芯片的SENSE口，L1的第二端连接SW口，第六电阻R6的第二端、第五电阻R5、第五电容C5和第六电容C6的第一端连接BAT口，第五电容C5和第六电容C6的第二端接地，第三电容R3的第一端连接VFB口，第二端串联第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的第二端与第三电阻R3的第二端连接，第二二极管D2的正极连接BAT口，负极连接BOOST口。
更进一步的，所述能量存储管理模块包括功率比较器芯片、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、PNP管、稳压二极管D4、瞬态抑制二极管D5和第七电容C7，所述第七电阻R7和第八电阻R8的第一端分别连接所述功率比较器芯片的IN接口，所述第八电阻R8第二端、所述功率比较器芯片的VS口、所述第九电阻的第一端和所述第十电阻的第一端分别连接所述LT系列电池充电器芯片BAT口，所述第七电阻第二端接地，电阻R9的第二端接所述功率比较器芯片的OUT口，所述第十电阻R10的第二端接地，所述功率比较器芯片的OUT口还连接所述第七电容C7第一端、所述瞬态抑制二极管D5第一端和所述PNP管的漏极，所述第七电容C7的第二端、所述瞬态抑制二极管D5的第二端和所述PNP管的源极均接地，所述PNP管的栅极接地，所述稳压二极管D4的正极与所述PNP管的源极连接，负极与所述PNP管的栅极连接，所述BAT口还通过第八电容C8接地，所述功率比较器芯片的OUT口连接所述后备电源充电口。
本发明的有益效果为：实现了太阳能取电能量的搜集与存储管理，电源经过调理后，能够平稳持续为充电电池等后备电源或用电系统供电，性能可靠。
附图说明
图1为本发明具体实施例的能量搜集管理模块的电路原理图；
图2为本发明具体实施例的能量存储管理模块的电路原理图；
图3为本发明具体实施例的汤浅铅酸蓄电池的容量换算时间曲线图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
一种基于太阳能取电的通信装置的电源系统，包括能量搜集管理模块和能量存储管理模块；
所述能量搜集管理模块，以输入电压调节的方式保证太阳能电池板始终以最大的功率输出；
所述能量存储管理模块，与所述能量搜集管理模块电压输出端连接，实现对后备电源的过欠压、浮充电和寿命的预测管理。
如图1所示，所述能量搜集管理模块包括LT系列电池充电器芯片、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和电感L1；第一二极管D1正极连接太阳能电池板电源，负极连接LT系列电池充电器芯片的VIN口，第一电容C1和第二电容C2的第一端连接第一二极管D1的负极，第二端接地，第一电阻R1和第二电阻R2串联，串联的连接线与LT系列电池充电器芯片的VIN-REG口连接，第一电阻R1的第二端连接VIN口，第二电阻R2的第二端接地，LT系列电池充电器芯片的VIN口和VIN-REG口连接，第三电容C3一端连接LT系统电池充电器芯片的TIMER口，另一端接地，第六电阻R6和电感L1的第一端连接LT系列电池充电器芯片的SENSE口，L1的第二端连接SW口，第六电阻R6的第二端、第五电阻R5、第五电容C5和第六电容C6的第一端连接BAT口，第五电容C5和第六电容C6的第二端接地，第三电容R3的第一端连接VFB口，第二端串联第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的第二端与第三电阻R3的第二端连接，第二二极管D2的正极连接BAT口，负极连接BOOST口。
所述能量搜集管理模块作为主控管理模块，实现4.95V至32V宽电压范围的输入，输入端低压降的第一二极管D1实现后端系统对太阳能板的输入过冲的保护，通过第一电容C1、第二电容C2对输入电压的通滤波调理；根据输入调节环路(R1、R2)，达到太阳能峰值功率跟踪(MPPT)；提供恒定电流/恒定电压充电特性。通过公式可计算ICHG，其中，Rsense表示LT系列电池充电器芯片Sense口的电阻，ICHG表示LT系列电池充电器芯片CHRG口的充放电电流，可根据使用的充放电电流调整相应的第六电阻阻值R6。通过以下公式，
R4＝(VBAT×2.5×105)/3.3(欧姆)；
R5＝(R4×2.5×103)/(R4-2.5×103)(欧姆)；可计算电阻R4和R5的阻值，其中，VBAT为LT系列电池充电器芯片的BAT口充电终止电压。
根据后备电源类型，如：锂离子/锂聚合物电池、LiFePO4(磷酸铁锂)电池、SLA(密封铅酸)电池选择充电终止电压，从而确定R4、R5阻值。
所述能量搜集管理模块工作原理为：一个输入电压调节环路，如果输入电压降至一个编程电平以下，本实施例编程电平是指太阳能电池板MPPT(最大功率点)的最佳电压，由电阻R1和R2组成的分压器来设定，则该输入电压调节环路将减小对能量储能系统(蓄电池)充电电流。当该系统由一块太阳能电池板来供电时，输入调节环路将用于把太阳能电池板保持在峰值输出功率。
可以通过配置使在充电电流降至编程最大值的1/10(C/10)以下时终止充电操作。当充电操作终止时，所述能量搜集管理模块将进入一种低电流的待机模式。如果电池电压下降至编程浮置电压以下达2.5％，则一种自动再充电功能将起动一个新的充电周期，通过第三电容C3来实现，芯片内置固定电阻R，固定周期为T＝RC3。任何太阳能电池板的一个重要特性是其可在一个相对恒定的工作电压(VMP)下实现峰值功率输出，这与照明水平无关。所述能量搜集管理模块充分利用了这一特性，以通过实施输入电压调节来把太阳能电池板保持于峰值工作效率。当可用的太阳能功率不足以满足一个主控模块的功率要求时，输入电压调节电路将减小电池充电电流。这将降低太阳能电池板上的负载以把太阳能电池板电压维持在VMP，从而最大限度地增加太阳能电池板的输出功率。太阳能电池板可在一个特定的输出电压下产生最大的功率。所述能量搜集管理模块通过把太阳能电池板输入电压调节在VMP以最大限度地增加太阳能电池板的输出功率。
所述能量存储管理模块包括功率比较器芯片、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、PNP管、稳压二极管D4、瞬态抑制二极管D5和第七电容C7，所述第七电阻R7和第八电阻R8的第一端分别连接所述功率比较器芯片的IN接口，所述第八电阻R8第二端、所述功率比较器芯片的VS口、所述第九电阻的第一端和所述第十电阻的第一端分别连接所述LT系列电池充电器芯片BAT口，所述第七电阻第二端接地，电阻R9的第二端接所述功率比较器芯片的OUT口，所述第十电阻R10的第二端接地，所述功率比较器芯片的OUT口还连接所述第七电容C7第一端、所述瞬态抑制二极管D5第一端和所述PNP管的漏极，所述第七电容C7的第二端、所述瞬态抑制二极管D5的第二端和所述PNP管的源极均接地，所述PNP管的栅极接地，所述稳压二极管D4的正极与所述PNP管的源极连接，负极与所述PNP管的栅极连接，所述BAT口还通过第八电容C8接地，所述功率比较器芯片的OUT口连接所述后备电源充电口。
所述能量存储管理模块配合能量搜集模块，实现对后备电源的过欠压、浮充电、寿命的预测管理。
所述能量存储管理模块的功率比较器芯片内置迟滞回路，因而确保了整个通信装置稳定的工作。
首先通过调节电阻R7、R8、R9的相关阻值，以及PNP管Q1的开断管理实现对后备电源的过放保护，尤其后备电源为铅酸蓄电池时，过放保护尤为重要。R7、R8、R9的相关阻值由以下公式确定：
其中，VIN(HTOL)表示功率比较器芯片的IN口从高到低的输入电压范围，VIN(LTOH)表示功率比较器芯片的IN口从低到高的输入电压范围。
通过CPU监控后备电源的充放电电流，进行寿命预期。
计算容量所必须的条件为：a.放电电流；b.放电时间；c.电池使用最低温度；d允许使用的最低电压；d项通过查询蓄电池厂家手册可知，c项通过电池装置的温度传感器可知，a项通过监控主控模块R6的相关电压根据欧姆定律推算出电流(I＝U/R)，b项根据装置在无太阳能取电时，蓄电池续航时间可知；寿命估算公式如下：
C＝1/L[K_1I_1+K_2(I_2-I_1)....K_n(I_n-I_(n-1))]
C:25℃时而定放电率换算容量(Ah)；
L:因维护和使用年数等使用条件的变化而变化的容量修正值，一般为0.8；
K:按照放电时间T、电池的最低使用温度、最低使用电压所定的容量换算时间；如图3所示，以汤浅铅酸蓄电池为例，厂商技术文档中会提供相应的特性曲线供查询。
I:放电电流；
下标1、2、.....n:电流放电变化时，T、K、I变化。
浮充电保护，当蓄电池处于正常寿命期内(健康状态)，浮充电电压略高于涓流充电，足以补偿因蓄电池内阻自放电损失，并能够在蓄电池放电后较快的是蓄电池恢复到接近完全充电状态。通过CPU监控蓄电池充放电采样电阻的电压来反馈蓄电池的健康状况：若系统处于太阳能供电下，蓄电池一直处于涓流充电而达不到浮充电状态时，则说明蓄电池内阻变大，自放电严重，可认为蓄电池已处于寿命末期，需及时更换。
需要说明的是，以上所述只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于太阳能取电的通信装置的电源系统，其特征在于：包括能量搜集管理模块和能量存储管理模块；
所述能量搜集管理模块，以输入电压调节的方式保证太阳能电池板始终以最大的功率输出，所述能量搜集管理模块包括LT系列电池充电器芯片、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和电感L1；第一二极管D1正极连接太阳能电池板电源，负极连接LT系列电池充电器芯片的VIN口，第一电容C1和第二电容C2的第一端连接第一二极管D1的负极，第二端接地，第一电阻R1和第二电阻R2串联，串联的连接线与LT系列电池充电器芯片的/SHDN口连接，第一电阻R1的第二端连接VIN口，第二电阻R2的第二端接地，LT系列电池充电器芯片的VIN口和VIN-REG口连接，第三电容C3一端连接LT系统电池充电器芯片的TIMER口，另一端接地，第六电阻R6和电感L1的第一端连接LT系列电池充电器芯片的SENSE口，L1的第二端连接SW口，第六电阻R6的第二端、第五电阻R5、第五电容C5和第六电容C6的第一端连接BAT口，第五电容C5和第六电容C6的第二端接地，第三电阻R3的第一端连接VFB口，第二端串联第四电阻R4，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的第二端与第三电阻R3的第二端连接，第三二极管D3的正极连接BAT口，负极连接BOOST口，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2组成分压器；
所述能量存储管理模块，与所述能量搜集管理模块电压输出端连接，实现对后备电源的过欠压、浮充电和寿命的预测管理，所述能量存储管理模块的功率比较器芯片内置迟滞回路，所述能量存储管理模块包括功率比较器芯片、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、PNP管、稳压二极管D4、瞬态抑制二极管D5和第七电容C7，所述第七电阻R7和第八电阻R8的第一端分别连接所述功率比较器芯片的IN接口，所述第八电阻R8第二端、所述功率比较器芯片的VS口、所述第九电阻的第一端和所述第十电阻的第一端分别连接所述LT系列电池充电器芯片BAT口，所述第七电阻第二端接地，电阻R9的第二端接所述功率比较器芯片的OUT口，所述第十电阻R10的第二端接地，所述功率比较器芯片的OUT口还连接所述第七电容C7第一端、所述瞬态抑制二极管D5第一端和所述PNP管的漏极，所述第七电容C7的第二端、所述瞬态抑制二极管D5的第二端和所述PNP管的源极均接地，所述PNP管的栅极接地，所述稳压二极管D4的正极与所述PNP管的源极连接，负极与所述PNP管的栅极连接，所述BAT口还通过第八电容C8接地，所述功率比较器芯片的OUT口连接后备电源充电口，所述功率比较器芯片内置迟滞回路。
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2017
- 2017-05-12 CN CN201710335740.4A patent/CN107222009B/zh active Active
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