一种户外监测设备的电池能量管理系统设计

李艳玲 杨飞虎 杨桂荣

（防城港供电局，广西 防城港 538001）

随着工业技术的发展，为保证电网安全稳定运行，户外监测设备不断增多。其中，电池能量损耗较快的问题限制了设备的使用寿命，且设备在复杂环境下的维护管理十分不易。

近年来设计出了多种户外设备供电方案来延长设备的工作时长。其中，无线电能传输技术[1]通过电磁场实现非接触式充电，避免了接触式漏电等潜在危害，但需要电源变换器进行电压转换，再由无线电能发射电路进行电能发射，且无线充电距离较近，不适用于复杂的环境。太阳能供电技术[2]通过太阳能电池板进行光电转换，实现清洁能源的有效利用，但由于天气、浮灰等因素使得太阳能转换效率较低、供电不稳定、经济性较差，不适宜大量布置。混合供电[3]采用PWM整流技术，实现太阳能电池与低温电池联合供电，但受所需光照和空间限制，设计复杂度较高，且太阳能板所占空间限制了监测设备的部署。

针对上述供电问题，本文设计了可用于户外监测设备的电源管理系统。该系统利用小型低温电池供电，并加入了电压转换芯片，实现电压的平滑调控，通过MCU内置温度检测单元对设备状态进行监测，并针对不同运行环境设计了三种运行方案，满足复杂环境下监测设备长期工作的要求。

1 电池能量管理系统结构设计及原理

1.1 总体架构设计

电源管理系统架构图如图1所示，本系统由MCU、通信单元、电压转换芯片、数模转换单元、传感器、电源组成。

本次电源管理系统是由设备的控制程序和低功耗器件共同配合实现。选取了STMicroelectronics公司生产的高扩展、低能耗、运行速度快的STM32L151微处理器作为控制器，采用8800mAh低温电池，通过控制电压转换芯片对各个器件供电。

图1 电源管理系统架构图

1.2 电压转换芯片选择

在传统供电方案中，大多采用对设备直接供电方式。由于设备中的各个器件供电电压要求不同，造成初始电流过大，没有过流保护，更易损坏元器件。当电源电量下降，电压将发生变化，造成供电电压不稳定。为解决上述器件安全供电问题，采用电压转换芯片，控制电压平滑输出。

其中，升压转换芯片选择MP3414A，输入电压范围为1.8V～5.5V，芯片转换效率为97%；降压转换芯片选择MP1601GTF，输入电压范围为2.3V～5.5V，输出电压可低至0.6V。

1.3 控制程序设计

控制程序的流程图如图2所示，信息测量开始，监测设备被唤醒，MCU进入低功耗运行模式，由MCU内部温度传感器对器件周围温度进行测量，通过MCU内部信息处理后，利用电压转换芯片合理控制动态电压缩放，平滑调节供电电压，实现信息采集、处理、发送任务，最后采用预先设定方案实现睡眠，等待下一次唤醒。

其中，面对具体测量需求可设定3种设计方案：

1.3.1 当监测设备需长期连续监测时，则设定为低功耗运行模式；

在低功耗运行模式下，时钟频率和启用外设的数量受限，将工作电流调节为最小。当被事件唤醒时，系统返回运行模式。

1.3.2 当监测设备需定期测量时，则设定为RTC停止模式；

在RTC停止模式下，保留RAM、寄存器内容和实时时钟，电压调节器为低功率运行。当时钟计时达到预设值，系统返回低功耗运行模式。

1.3.3 当监测设备需定期测量，并满足测量装置超出阈值时唤醒设备

进行信息发送，则设定为低功耗睡眠模式。

在低功耗睡眠模式下，内部电压调节器低功率运行，时钟频率和启用外设数量受限。当被中断触发唤醒时，系统返回低功耗运行模式。

图2 控制程序流程图

2 电能管理系统电量测试及分析

2.1 耗电量测试及分析

2.1.1 电池电量测试

系统电池组采用4×2200mAh电池供电，选择1节2200mAh低温电池作为测试样本，在不同温度下进行放电测试，电池放电如图3所示，由表1可知，该电池较普通电池在不同温度下效率更高。

2.1.2 系统耗电量测试

该系统工作功耗测试图如图4所示，应用电池能量管理系统，在测试中通信单元发射时最大功耗为200mA，在系统休眠时功耗为60μA，经过多组数据测量，平均电流为5.39mA，平均电压为4.19V，在1000mAh电源下预计可工作185.46小时，与现有的户外监测设备相比，采用电池能量管理系统将极大延长了装置的工作时长。

2.2 电池容量估算及分析

在利用电源管理系统对电池能耗进行优化管理的基础上，按如下公式对设备应配备的电池容量进行估算。

图3 电池放电测试图

表1 普通电池与低温电池放电数据表

图4 电源管理系统功耗测试图

其中：S-电池容量

A-单月耗电量

Y-预计工作年数

ai-单个电器件耗电量

B-满足一定条件下单次测量耗电量总和

为得到能量管理系统实用效果，对系统进行耗电测试。其中，测试设备内置2组传感器，采用8800mAh低温电池供电，将测量频率设置为每4h测量一次，每天测量6次。在此条件下，经过30天数据采集分析，估算该设备平均每进行一次测量所耗电量约为0.697mAh。并由公式（1）得

由此，对设备用电量进行估计，该设备在此运行条件下可至少工作5年。

3 应用案例及效果

本次户外监测设备的电池能量管理系统应用于防城港供电局的杆塔测量设备上，由2018年11月陆续投入使用，经6个月的稳定运行，未出现设备断电停运等现象。而且，基于本次设计，设备只需小型低温电池组作为电源供电，无需外接太阳能供电设备，节省了空间，节约了成本，且在电压转换芯片作用下延长了系统各个器件的使用寿命。通过对控制程序的设计，针对不同的监测要求设计了三种运行方案，使同一设备能够应用于多种测量环境下，减少了电能损耗。

该电池能量管理系统制做成实际电路，集成在户外环境监测装置中，装置实物图如图5所示。

目前，该装置已在防城港供电局110kV新东I、II线41号杆塔，220kV竹新线17号杆塔，220kV海黄I、II线123号投入应用，运行状态稳定，实用效果表明了本设计方案的可行性和有效性。

图5 装置实物图

4 结语

本文通过对现有设备供电方式进行分析，并对器件进行合理选型，利用MCU内置温度检测单元实现对设备自身状态的监测，采用电压转换芯片实现电量平滑控制，并根据不同测量需求设计了三种运行方案。与现有供电技术相比，该电源管理系统能够灵活应用于不同测量环境中，极大的延长了监测设备的工作时间。通过实验验证，预计装设该电池能量管理系统的户外监测设备能够持续工作5年。