太阳能供电电源管理控制器的研发

武建华等

【摘 要】 本文重点介绍了在智能电网建设背景下，针对高压输电线路监控设备的电源管理控制器的需求，提出了“电源管理控制器”的设计思路和具体实现，阐述了电源管理控制器的组成及工作原理，并对蓄电池充放电控制需要解决的问题进行了分析。为将来智能电网输电线路监控设备的电源管理控制器的成功使用提供了一种强有力解决方案。

【关键词】 输电线路 监控设备 电源管理控制 蓄电池

2010年国家智能电网规划总报告中提出加大对输电线路状态监测装置及其系统的研制开发，全面建成覆盖全网范围的输电设备状态监测系统。国网检修公司与厂家三川公司依据国网相关标准合作研发出了一种“沿输电线路展开的无线宽带专网通信系统”，成功应用于输电线路视频监视系统中。

由于输电线路检测设备的电源系统是由太阳能电池组和蓄电池组成的。为保证蓄电池工作在合理的充放电条件下，我们在前期合作项目的基础上，开发设计了电源管理控制器，进行电源管理，以达到实时监控输电线路上各检测点配备的监测终端的蓄电池使用情况，并在特定的情况下对其电源进行控制的目的，例如在蓄电池馈电的情况下关闭电源避免蓄电池过度放电或蓄电池满电的情况下关闭太阳能充电来避免蓄电池过度充电。通过合理的使用蓄电池来延长蓄电池的使用寿命，减少因蓄电池损坏而造成的各种维修成本和人工成本。

1 电源管理控制器总体结构

电源管理控制器由防反充保护电路，充电控制电路，放电控制电路，温度、电压采集电路以及MCU电路等组成，原理框图如图1所示。

图中无线通讯终端是一款符合IEEE802.11a/b/g标准的电信级无线通信设备（上一项目的成果），由三川公司研发，该设备具有双路射频输出，最高带宽150M，具有中继和双向通信功能。通过RS485接口连接电源管理控制器。

充电控制电路是该控制器的关键部分，需要MCU针对蓄电池的不同温度、电压状态对蓄电池进行不同的操作，达到通过合理使用蓄电池来延长其使用寿命的目的。下面将详细介绍充电控制的原理。

2 电源管理控制器充电原理

2.1 蓄电池充电原理

蓄电池在充电初期用较大的电流充电，经过一段时间改用较小的电流，至充电后期改用更小的电流，即不同阶段内以不同的电流进行充电。由于充电后期改用较小电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲刷，减少了活性物质的脱落。这种充电方法能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电彻底。

把蓄电池的电池容量称为1C，在充电时，充电电流小于0.1C时，我们称为涓流充电，又称浮充。当充电电流在0.1C和0.2C之间时我们称为慢速充电。充电电流大于0.2C，小于0.8C则称快速充电。

2.2 PWM原理

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。我们采用的是脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期和占空比而达到控制充电电流的目的。（见图2、图3）

TH为PWM波的高电平时间，TL为PWM波的低电平时间，T1、T2、T3时刻电容C的两端电压分别为V1、V2、V3。设TH时间内C充满电，TL时间内C放完电，即电容C在一个周期内充放电相等，故有V1=V3。

当t

由于T=（TH+TL）<

当t=TH时，

当TH

当t=TH+TL时，

又因为V1=V3，即：

忽略二阶小量，得到：

由于PWM的占空比定义为：

所以：

由于V1=V3≈V2，电容两端的电压近似为直流电压，表示为：

由于VH为MOS管导通时电压，即太阳能电池组的电压，而VL是MOS管截止时电压为0所以：

所以，我们在确定蓄电池充电电流和电路的参数后可以计算出所需的输出电压。再通过与采集到的太阳能电池电压相比可以求得所需的占空比。

3 电源管理控制器的软件设计

电源管理控制器的MCU通过控制外围电路采集蓄电池的电压和温度，并对电压进行分析，通过条件函数对蓄电池的工作状态进行判定，选择对蓄电池的操作，包括停止充电，停止放电，浮充，慢充以及快充。实现对负载供电和蓄电池充放电的自动控制功能。

在MCU初始化时打开中断和定时器，每隔固定的时间与无线通信终端通信，来检测通信终端的工作状态，用于蓄电池停止供电和恢复供电后对负载状态检测。

当负载电路或充电电路故障导致负载电流或充电电流过大时，电路自动切断与蓄电池和太阳能电池组的连接，同时MCU会响应相应的中断函数，对电路进行保护操作同时检测电路信息，恢复正常后重新打开电路开关。其主要程序框图如图4所示。

4 电源管理控制器功能性能测试

本控制器在石家庄安廉II线试行半年，实现了初始设计时所要求的功能性能，在实际运行过程中未出现影响系统运行的故障。

5 结语

依本文给出的设计思路，开发完成的“电源管理控制器”，解决了因蓄电池过度使用而造成财力、人力资源等浪费的问题。为输电线路在线状态监测系统的广泛使用提供了可靠的供电保障。为推动我国高压智能输电网的建设，推动世界高压智能输电网的建设做出贡献。

参考文献

[1]Q/GDW 245-2008《架空输电线路在线监测系统通用技术条件》.

[2]“输电线路在线监测与故障诊断”.中国电力出版社.

[3]孙才新.输变电设备状态在线监测与诊断技术现状和前景[J].中国电力，2005.

[4]冯显争，李训铭.智能型太阳能充电电路设计[J].东南大学学报（自然科学版），2008.

[5]丁力.基于PWM反馈控制的蓄电池快速充电系统设计[J].仪表技术，2011.

[6]张俊.基于单片机的太阳能电池控制器的设计.陕西理工大学.2007.