一種基於太陽能取電的通信裝置的電源系統的製作方法

2024-04-12 03:36:05 1

本發明涉及電源技術領域，具體涉及一種基於太陽能取電的通信裝置的電源系統。

背景技術：

由於配電網錯綜複雜，容易發生故障；特別是接地故障，其隱性特性，很難查找。有時不得不通過拉分段開關並試送電確定故障所在區域，對線路、設備運行的安全性極為不利。使用傳統的故障指示器實現線路故障分段定位，故障信息不能遠傳，不具備故障自動定位功能，需要人工巡線，增加了故障查找難度和時間；利用高集成度的配電終端實現配網的故障識別、故障隔離、網絡重構及配網的無功/電壓控制和優化運行等功能，這種方案當然是配網自動化一個重要選擇，但安裝運營比較複雜，在有些地點難以推廣。因此，通過簡單、成本低廉的通信手段將故障指示器所採集到的故障信息上傳到自動化主站系統，從而實現故障區段的自動定位是十分必要的。國網提出2020年實現配網全覆蓋的規劃目標，支撐全覆蓋的主要產品是故指類產品，從規劃上數據推算得知未來5年故指產品需求量不少於500萬套，市場價值或可達百億。

從國網發布的故障定位裝置的規範來看，匯集單元作為整個故障定位裝置的重要組成部分，扮演的角色是接收、處理採集單元上傳的配電線路故障、架空導線懸掛安裝或電桿固定安裝。對其工作電源要求是：可採用太陽能板或ta取電方式供電，並輔以可充電電池作為後備電源，可充電電池包括鋰離子/鋰聚合物電池、lifepo4(磷酸鐵鋰)電池、sla(密封鉛酸)電池等。電池獨立供電的情況下，應能全功能工作不少於7天。採用ta取電懸掛於線路上，對於匯集單元整體重量要求來說是遠遠不可行的，採用ta取電的採集單元俗稱探頭懸掛於線路上，重量大於1kg；而匯集單元作為故障定位裝置與主站系統之間的通信樞紐，其電源系統的安全穩定可靠的運行是關鍵。目前並沒有針對這方面的電源管理系統，能夠為太陽能取電裝置提供平穩持續的供電。

技術實現要素：

基於現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於太陽能取電的通信裝置的電源系統，實現對太陽能取電能量搜集與存儲管理，電源經過調理後，平穩持續為充電電池等後備電源或用電系統供電。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種基於太陽能取電的通信裝置的電源系統，包括能量搜集管理模塊和能量存儲管理模塊；

所述能量搜集管理模塊，以輸入電壓調節的方式保證太陽能電池板始終以最大的功率輸出；

所述能量存儲管理模塊，與所述能量搜集管理模塊電壓輸出端連接，實現對後備電源的過欠壓、浮充電和壽命的預測管理。

進一步的，所述能量搜集管理模塊包括lt系列電池充電器晶片、第一二極體d1、第二二極體d2、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第五電容c5、第六電容c6、第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第四電阻r4、第五電阻r5、第六電阻r6和電感l1；第一二極體d1正極連接太陽能電池板電源，負極連接lt系列電池充電器晶片的vin口，第一電容c1和第二電容c2的第一端連接第一二極體d1的負極，第二端接地，第一電阻r1和第二電阻r2串聯，串聯的連接線與lt系列電池充電器晶片的vin-reg口連接，第一電阻r1的第二端連接vin口，第二電阻r2的第二端接地，lt系列電池充電器晶片的vin口和vin-reg口連接，第三電容c3一端連接lt系統電池充電器晶片的timer口，另一端接地，第六電阻r6和電感l1的第一端連接lt系列電池充電器晶片的sense口，l1的第二端連接sw口，第六電阻r6的第二端、第五電阻r5、第五電容c5和第六電容c6的第一端連接bat口，第五電容c5和第六電容c6的第二端接地，第三電容r3的第一端連接vfb口，第二端串聯第四電阻r4，第四電阻r4的另一端接地，第五電阻r5的第二端與第三電阻r3的第二端連接，第二二極體d2的正極連接bat口，負極連接boost口。

更進一步的，所述能量存儲管理模塊包括功率比較器晶片、第七電阻r7、第八電阻r8、第九電阻r9、第十電阻r10、pnp管、穩壓二極體d4、瞬態抑制二極體d5和第七電容c7，所述第七電阻r7和第八電阻r8的第一端分別連接所述功率比較器晶片的in接口，所述第八電阻r8第二端、所述功率比較器晶片的vs口、所述第九電阻的第一端和所述第十電阻的第一端分別連接所述lt系列電池充電器晶片bat口，所述第七電阻第二端接地，電阻r9的第二端接所述功率比較器晶片的out口，所述第十電阻r10的第二端接地，所述功率比較器晶片的out口還連接所述第七電容c7第一端、所述瞬態抑制二極體d5第一端和所述pnp管的漏極，所述第七電容c7的第二端、所述瞬態抑制二極體d5的第二端和所述pnp管的源極均接地，所述pnp管的柵極接地，所述穩壓二極體d4的正極與所述pnp管的源極連接，負極與所述pnp管的柵極連接，所述bat口還通過第八電容c8接地，所述功率比較器晶片的out口連接所述後備電源充電口。

本發明的有益效果為：實現了太陽能取電能量的搜集與存儲管理，電源經過調理後，能夠平穩持續為充電電池等後備電源或用電系統供電，性能可靠。

附圖說明

圖1為本發明具體實施例的能量搜集管理模塊的電路原理圖；

圖2為本發明具體實施例的能量存儲管理模塊的電路原理圖；

圖3為本發明具體實施例的湯淺鉛酸蓄電池的容量換算時間曲線圖。

具體實施方式

以下將結合實施例和附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果進行清楚、完整地描述，以充分地理解本發明的目的、特徵和效果。顯然，所描述的實施例只是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例，基於本發明的實施例，本領域的技術人員在不付出創造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，均屬於本發明保護的範圍。

一種基於太陽能取電的通信裝置的電源系統，包括能量搜集管理模塊和能量存儲管理模塊；

所述能量搜集管理模塊，以輸入電壓調節的方式保證太陽能電池板始終以最大的功率輸出；

所述能量存儲管理模塊，與所述能量搜集管理模塊電壓輸出端連接，實現對後備電源的過欠壓、浮充電和壽命的預測管理。

如圖1所示，所述能量搜集管理模塊包括lt系列電池充電器晶片、第一二極體d1、第二二極體d2、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第五電容c5、第六電容c6、第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第四電阻r4、第五電阻r5、第六電阻r6和電感l1；第一二極體d1正極連接太陽能電池板電源，負極連接lt系列電池充電器晶片的vin口，第一電容c1和第二電容c2的第一端連接第一二極體d1的負極，第二端接地，第一電阻r1和第二電阻r2串聯，串聯的連接線與lt系列電池充電器晶片的vin-reg口連接，第一電阻r1的第二端連接vin口，第二電阻r2的第二端接地，lt系列電池充電器晶片的vin口和vin-reg口連接，第三電容c3一端連接lt系統電池充電器晶片的timer口，另一端接地，第六電阻r6和電感l1的第一端連接lt系列電池充電器晶片的sense口，l1的第二端連接sw口，第六電阻r6的第二端、第五電阻r5、第五電容c5和第六電容c6的第一端連接bat口，第五電容c5和第六電容c6的第二端接地，第三電容r3的第一端連接vfb口，第二端串聯第四電阻r4，第四電阻r4的另一端接地，第五電阻r5的第二端與第三電阻r3的第二端連接，第二二極體d2的正極連接bat口，負極連接boost口。

所述能量搜集管理模塊作為主控管理模塊，實現4.95v至32v寬電壓範圍的輸入，輸入端低壓降的第一二極體d1實現後端系統對太陽能板的輸入過衝的保護，通過第一電容c1、第二電容c2對輸入電壓的通濾波調理；根據輸入調節環路(r1、r2)，達到太陽能峰值功率跟蹤(mppt)；提供恆定電流/恆定電壓充電特性。通過公式可計算ichg，其中，rsense表示lt系列電池充電器晶片sense口的電阻，ichg表示lt系列電池充電器晶片chrg口的充放電電流，可根據使用的充放電電流調整相應的第六電阻阻值r6。通過以下公式，

r4＝(vbat×2.5×105)/3.3(歐姆)；

r5＝(r4×2.5×103)/(r4-2.5×103)(歐姆)；可計算電阻r4和r5的阻值，其中，vbat為lt系列電池充電器晶片的bat口充電終止電壓。

根據後備電源類型，如：鋰離子/鋰聚合物電池、lifepo4(磷酸鐵鋰)電池、sla(密封鉛酸)電池選擇充電終止電壓，從而確定r4、r5阻值。

所述能量搜集管理模塊工作原理為：一個輸入電壓調節環路，如果輸入電壓降至一個編程電平以下，本實施例編程電平是指太陽能電池板mppt(最大功率點)的最佳電壓，由電阻r1和r2組成的分壓器來設定，則該輸入電壓調節環路將減小對能量儲能系統(蓄電池)充電電流。當該系統由一塊太陽能電池板來供電時，輸入調節環路將用於把太陽能電池板保持在峰值輸出功率。

可以通過配置使在充電電流降至編程最大值的1/10(c/10)以下時終止充電操作。當充電操作終止時，所述能量搜集管理模塊將進入一種低電流的待機模式。如果電池電壓下降至編程浮置電壓以下達2.5％，則一種自動再充電功能將起動一個新的充電周期，通過第三電容c3來實現，晶片內置固定電阻r，固定周期為t＝rc3。任何太陽能電池板的一個重要特性是其可在一個相對恆定的工作電壓(vmp)下實現峰值功率輸出，這與照明水平無關。所述能量搜集管理模塊充分利用了這一特性，以通過實施輸入電壓調節來把太陽能電池板保持於峰值工作效率。當可用的太陽能功率不足以滿足一個主控模塊的功率要求時，輸入電壓調節電路將減小電池充電電流。這將降低太陽能電池板上的負載以把太陽能電池板電壓維持在vmp，從而最大限度地增加太陽能電池板的輸出功率。太陽能電池板可在一個特定的輸出電壓下產生最大的功率。所述能量搜集管理模塊通過把太陽能電池板輸入電壓調節在vmp以最大限度地增加太陽能電池板的輸出功率。

所述能量存儲管理模塊包括功率比較器晶片、第七電阻r7、第八電阻r8、第九電阻r9、第十電阻r10、pnp管、穩壓二極體d4、瞬態抑制二極體d5和第七電容c7，所述第七電阻r7和第八電阻r8的第一端分別連接所述功率比較器晶片的in接口，所述第八電阻r8第二端、所述功率比較器晶片的vs口、所述第九電阻的第一端和所述第十電阻的第一端分別連接所述lt系列電池充電器晶片bat口，所述第七電阻第二端接地，電阻r9的第二端接所述功率比較器晶片的out口，所述第十電阻r10的第二端接地，所述功率比較器晶片的out口還連接所述第七電容c7第一端、所述瞬態抑制二極體d5第一端和所述pnp管的漏極，所述第七電容c7的第二端、所述瞬態抑制二極體d5的第二端和所述pnp管的源極均接地，所述pnp管的柵極接地，所述穩壓二極體d4的正極與所述pnp管的源極連接，負極與所述pnp管的柵極連接，所述bat口還通過第八電容c8接地，所述功率比較器晶片的out口連接所述後備電源充電口。

所述能量存儲管理模塊配合能量搜集模塊，實現對後備電源的過欠壓、浮充電、壽命的預測管理。

所述能量存儲管理模塊的功率比較器晶片內置遲滯迴路，因而確保了整個通信裝置穩定的工作。

首先通過調節電阻r7、r8、r9的相關阻值，以及pnp管q1的開斷管理實現對後備電源的過放保護，尤其後備電源為鉛酸蓄電池時，過放保護尤為重要。r7、r8、r9的相關阻值由以下公式確定：

其中，vin(htol)表示功率比較器晶片的in口從高到低的輸入電壓範圍，vin(ltoh)表示功率比較器晶片的in口從低到高的輸入電壓範圍。

通過cpu監控後備電源的充放電電流，進行壽命預期。

計算容量所必須的條件為：a.放電電流；b.放電時間；c.電池使用最低溫度；d允許使用的最低電壓；d項通過查詢蓄電池廠家手冊可知，c項通過電池裝置的溫度傳感器可知，a項通過監控主控模塊r6的相關電壓根據歐姆定律推算出電流(i＝u/r)，b項根據裝置在無太陽能取電時，蓄電池續航時間可知；壽命估算公式如下：

c＝1/l[k_1i_1+k_2(i_2-i_1)....k_n(i_n-i_(n-1))]

c:25℃時而定放電率換算容量(ah)；

l:因維護和使用年數等使用條件的變化而變化的容量修正值，一般為0.8；

k:按照放電時間t、電池的最低使用溫度、最低使用電壓所定的容量換算時間；如圖3所示，以湯淺鉛酸蓄電池為例，廠商技術文檔中會提供相應的特性曲線供查詢。

i:放電電流；

下標1、2、…..n:電流放電變化時，t、k、i變化。

浮充電保護，當蓄電池處於正常壽命期內(健康狀態)，浮充電電壓略高於涓流充電，足以補償因蓄電池內阻自放電損失，並能夠在蓄電池放電後較快的是蓄電池恢復到接近完全充電狀態。通過cpu監控蓄電池充放電採樣電阻的電壓來反饋蓄電池的健康狀況：若系統處於太陽能供電下，蓄電池一直處於涓流充電而達不到浮充電狀態時，則說明蓄電池內阻變大，自放電嚴重，可認為蓄電池已處於壽命末期，需及時更換。

需要說明的是，以上所述只是本發明的較佳實施例而已，本發明並不局限於上述實施方式，只要其以相同的手段達到本發明的技術效果，都應屬於本發明的保護範圍。