王愛國，趙鵬，楊東林

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130022）

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，要求在戶外長期使用的設(shè)備及儀器越來越多，對于戶外缺乏生產(chǎn)及工業(yè)用電的場合，使用太陽能發(fā)電已成為首選.常用的太陽能供電系統(tǒng)是由太陽能電池板直接供電或通過鉛酸蓄電池來儲能并供電［1］.然而，這種供電裝置體積大，壽命短，遇到連續(xù)陰雨天氣時(shí)無法持續(xù)供電，在戶外長期使用時(shí)有很大的局限性.本文基于太陽能發(fā)電及近年來迅速發(fā)展的磷酸鐵鋰電池，以德州儀器公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F2274為核心，結(jié)合凌力爾特的太陽能專用鋰離子充電控制芯片LT3652HV，研制了一種體積小、壽命長、無污染且能全天候、不間斷在戶外供電的裝置，通過采用雙電池組儲能并自動切換，可以為供電范圍在1.8～11V的儀器或設(shè)備不間斷供電.實(shí)際使用結(jié)果表明，此系統(tǒng)可以長時(shí)間在戶外穩(wěn)定工作，并具有最大2.5A的電流輸出能力，且其體積小，壽命長，無污染，使用靈活方便.

1 系統(tǒng)基本原理

基于太陽能的雙電源供電與自動切換系統(tǒng)基本原理如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)基本原理Fig.1 System basic schematic

整個(gè)系統(tǒng)由太陽能電池板供電，其連接的太陽能充電控制器在對電池充電的同時(shí)還能檢測電池的狀態(tài)，包括過壓、過流和過熱.太陽能充電控制器連接切換電路，2磷酸鐵鋰電池組中的每節(jié)電池都與均衡電路連接，單片機(jī)通過單電池電壓檢測電路獲取每節(jié)電池的電壓值并將結(jié)果傳入主控制器，由主控制器決定是否需要對其均衡.電池組電壓檢測電路可檢測每個(gè)電池組的電壓值，也將檢測值傳入主控制器，當(dāng)電壓低于設(shè)定閾值后，將觸發(fā)單片機(jī)中斷，通過切換電路實(shí)現(xiàn)雙電池組間的切換并繼續(xù)向負(fù)載供電.

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電池組選型

由于本系統(tǒng)采用太陽能電池板供電，且要求系統(tǒng)體積小，能在連續(xù)陰雨天氣時(shí)不間斷在戶外穩(wěn)定工作，還要有間斷的大電流輸出能力，鉛酸蓄電池已不能滿足這種應(yīng)用需求.選用磷酸鐵鋰電池來構(gòu)建本系統(tǒng)的儲能電池組，它與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，具有效率高、體積小、壽命長、容量大、使用安全、無記憶效應(yīng)和大電流輸出能力且綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比其更安全，壽命更長，倍率更大［2］.由于磷酸鐵鋰電池單節(jié)標(biāo)稱電壓為3.2V，充電電壓為3.6V，最大充電電壓為3.8V，終止放電電壓為2V，采用5節(jié)電池串聯(lián)并經(jīng)線性穩(wěn)壓后即可輸出1.8～11V供電電壓，電池容量可根據(jù)需要進(jìn)行選擇.

2.2 主控制器電路設(shè)計(jì)

主控制器用來控制電池組均衡充電、雙電源切換及故障保護(hù)，起著核心作用.由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是作為電源給其他負(fù)載供電，為延長負(fù)載供電時(shí)間，系統(tǒng)自身的功耗就必須很低，同時(shí)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，要求出現(xiàn)故障時(shí)能快速響應(yīng)，因此，選擇超低功耗且運(yùn)算速度很快的主控制器就十分必要.設(shè)計(jì)時(shí)選用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F2274為主控制器，圖2所示為主控制器電路原理圖.

電路采用3.3V電源供電，16MHz晶振工作，單條指令周期為62.5ns.圖中S1＿OUT和S2＿OUT為電壓檢測電路輸出信號，與外部中斷口P1.2和P1.3連接，當(dāng)電壓檢測電路輸出電平信號發(fā)生跳變時(shí)，會觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，使連接切換電路的P2.5和P4.7口輸出電平反轉(zhuǎn)，通過控制MOSFET的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電池組切換.AF0～AF9為單片機(jī)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC10信號輸入端，與單電池電壓檢測電路連接，工作時(shí)，將ADC10配置為序列通道多次轉(zhuǎn)換模式實(shí)時(shí)監(jiān)測每節(jié)電池的電壓，當(dāng)電壓值達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)ADC10中斷，控制C0～C9中與此電池對應(yīng)的端口輸出高電平，使MOSFET導(dǎo)通，啟動均衡充電，待電池電壓正常后停止均衡.當(dāng)控制器不工作時(shí)將進(jìn)入低功耗模式，其在低功耗模式下的工作電流僅為微安級［3］.

圖2 主控制器電路原理Fig.2 Main controller circuit schematic

2.3 太陽能充電控制器設(shè)計(jì)

由于目前能為多節(jié)磷酸鐵鋰電池充電并進(jìn)行管理的專用控制器很少，而使用磷酸鐵鋰電池時(shí)，過壓、過流、過熱等因素都會對電池造成不可修復(fù)的損壞，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮以上因素.本文采用凌力爾特（Linear）公司的LT3652HV電池充電管理IC設(shè)計(jì)了可同時(shí)為5節(jié)磷酸鐵鋰電池充電的控制器［4］.圖3所示為太陽能充電控制器電路原理圖.

圖3 太陽能充電控制器電路Fig.3 Solar charge controller circuit schematic

如圖3所示，端口P2與太陽能電池板直接相連，可接受4.95～34V的電壓輸入，且絕對最大額定值可達(dá)40V.CHARGE端接切換電路，由D1，D2構(gòu)成的輸入調(diào)節(jié)環(huán)路可保持電池板處于峰值功率輸出狀態(tài).通過電路中的NTC電阻，可在電池過熱時(shí)自動停止充電.充電控制器固定開關(guān)頻率可達(dá)1MHz，充電時(shí)可使用電阻分壓可得到高達(dá)18V的浮置反饋電壓，反饋準(zhǔn)確度為±0.5%.

2.4 電池組切換電路設(shè)計(jì)

電池組切換電路主要用來在2電池組間自動切換，并且在一組電池組放電的同時(shí)還能對另一電池組充電.設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足系統(tǒng)的大電流放電能力并使系統(tǒng)在放電時(shí)盡量減少發(fā)熱，采用N溝道功率MOSFET作為切換時(shí)的無觸點(diǎn)開關(guān)［5］.圖4為電池組切換電路原理圖.

圖4 切換電路原理Fig.4 Switching circuit schematic

SW1和SW2為切換控制信號，當(dāng)電池組電壓低于設(shè)定的閾值后，單片機(jī)會收到電壓檢測電路發(fā)出的中斷信號，觸發(fā)外部中斷對SW1和SW2信號進(jìn)行控制，通過切換電路對電池組進(jìn)行切換.

2.5 電壓檢測電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電池組電壓檢測電路主要用來實(shí)時(shí)檢測電池組電壓.為使電池組能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，在其電壓低于某個(gè)設(shè)定值后要使其停止工作，阻止其過放，同時(shí)，發(fā)出電池組切換信號，單片機(jī)收到此信號后控制切換電路完成電池組切換.電壓檢測使用Maxim公司生產(chǎn)的電壓遲滯檢測芯片ICL7665來完成［6］，圖5所示為電池組電壓檢測電路原理圖.

圖5 電池組電壓檢測電路原理Fig.5 Battery pack voltage detection circuit schematic

電池組電壓檢測電路采用5V電源供電，可檢測的有效電壓為12.5V，對應(yīng)每節(jié)電池的過放門限為2.5V，B1＿IN和B2＿IN分別接電池組1和電池組2，經(jīng)過電阻分壓后通過ICL7665內(nèi)部的2個(gè)電壓比較器與其內(nèi)部的1.3V帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較.S1＿OUT端和S2＿OUT端分別與單片機(jī)2外部中斷口P1.2和P1.3連接，當(dāng)電池組電壓低于12.5V時(shí)，ICL7665的輸出電平發(fā)生跳變，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，控制切換電路進(jìn)行電池組切換.

2.6 均衡電路設(shè)計(jì)

在同時(shí)對電池組中的多節(jié)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，為防止過充或過放對電池造成損壞，需通過均衡充電電路來消除電池單元之間的差異，對失衡進(jìn)行校正［7］.目前，共有2類電池均衡技術(shù)：無源電池均衡技術(shù)和有源電池均衡技術(shù).本文以單片機(jī)自帶的采樣率為200ksps的12通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新的無源電池均衡技術(shù).圖7為單電池組均衡充電電路原理圖，另一電池組的均衡電路與其相同.

圖7 均衡充電電路Fig.7 Balance charge circuit schematic

圖7中，光耦用來隔離及驅(qū)動MOSFET，AF0～AF9接單電池電壓檢測電路的輸入端，C0～C9接單片機(jī)的控制信號輸出端，SW為均衡充電電路的啟動信號，圖中采用差分放大的方法來檢測每節(jié)電池的電壓，末端二極管用來保護(hù)ADC，使輸入AD的端口電壓在正常范圍內(nèi).在對電池失衡進(jìn)行校正時(shí)，主控制器控制電池對應(yīng)旁路導(dǎo)通，停止對其充電，而不影響其他電池單元，當(dāng)其電壓低于閾值電壓后停止對其均衡，繼續(xù)充電.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)直接關(guān)系到本系統(tǒng)能否正常工作，其與硬件電路相輔相成.系統(tǒng)中單片機(jī)既要檢測外部器件輸入的電平信號還要對單節(jié)電池電壓進(jìn)行檢測，并且還要輸出控制信號.上述功能主要涉及到系統(tǒng)初始化程序、外部中斷處理程序及ADC處理程序［8］，圖8為軟件設(shè)計(jì)流程圖，程序采用C語言在IAR4.2環(huán)境下編寫.

如圖8所示，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先要進(jìn)行外圍設(shè)備初始化，主要包括端口初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、ADC10初始化及中斷設(shè)置等，初始化完成后，主控制器將根據(jù)電池組電壓檢測信號來決定使用哪組電池為負(fù)載供電，當(dāng)選定供電電池組后，控制器將同時(shí)為另一電池組充電.若2電池組都處于欠壓狀態(tài)，系統(tǒng)將不工作，控制器將首先為電池組1充電，并進(jìn)入中斷等待狀態(tài).

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.8 Software design flow

4 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)從實(shí)用性角度出發(fā)，通過選用高安全性、大容量電池及低功耗器件，有效地提高了系統(tǒng)的安全性和供電時(shí)間.目前，此系統(tǒng)已成功運(yùn)用于對某戶外在線監(jiān)測儀的供電.實(shí)際應(yīng)用情況表明，此裝置具有體積小、壽命長、無污染且能全天候、不間斷戶外穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn).

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