磷酸鐵鋰供電的水情遙測RTU的太陽能充電技術

余 敏，黃鳳辰

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

隨著水資源越來越緊缺，生態水文的建設也越來越受到重視。水情測報是水文信息化基礎項目之一，也是生態水文建設的一個重要環節。它通過現場傳感器采集到的水位、雨量、流速等信息，利用無線或有線通信方式，在監測中心站實現對現場水情狀況的實時監測。水情遙測終端（RTU）在水情測報中起著及其重要的作用，性能穩定可靠、低功耗、功能完善、通用性強的水情遙測終端，才能滿足水文信息化、生態水文建設對水情信息采集的要求[1]。

由于受到成本以及環境等原因的限制，我們要盡量延長RTU電池使用壽命以及保證電池供電的可靠性。尤其是在多數應用中，RTU的電池不便于及時更換，為有效利用能源，延長網絡的工作壽命。當前終端電源大多采用蓄電池供電，并輔以太陽能或風力等電量來源來進行充電管理。而蓄電池的電量是有限的，充電所用的電力來源又受自然條件的約束（如陰雨天，則太陽能無法產生電力），因此對終端供電系統進行優化設計就顯得十分重要[2]。

1 傳統RTU供電系統設計

太陽能電源、是今天更加關注環保的“綠色”社會熱點問題。使用可再生能源的趨勢口益增強，這種趨勢不斷導致諸如太陽能或風能等可選能源的增加。得到改善的技術連同這種趨勢，正在使利用這些能源發電在經濟上更加可行[3]。

水情遙測終端設備一般工作在不具備線供電源的野外，只能使用太陽能或風力等供電方式，因此其供電以及充電系統的安全性、可靠性以及壽命越來越引起人們的重視。采用太陽能充電無疑是當今最可行，也是最有效的方法。太陽能供電的充電系統的目標是，不僅在白天直接給系統供電，而且在陽光景充足的時候給存儲單元（一般是電池）充電，這樣在夜間或陽光不充足的情況下，當電池板輸出功率接近零時，電池就可以給系統供電。

傳統上，這些應用大部分使用密封鉛酸電池，傳統RTU電源設計電路如圖1所示 。

假設某RTU裝有GPRS模塊進行信息的通信，設當GPRS模塊未傳送數據時該RTU的電流為4 mA，收發數據則為80 mA，每分鐘有一次數據的交換，每次數據交換1秒鐘。

那么，該RTU一天的耗電量為：

我們假設有連續30天的陰雨或陽光不充沛的天氣，那么系統需要的電量為：

綜合考慮溫度、電池的壽命、傳感器（如壓力傳感器）與攝像機等耗電量以及充滿電所需時間，采用20 A·h，12 V的鉛酸電池對遠程終端進行儲存電能及供電。

2 電池性能比較

現有的鉛酸電池雖然不易因為充電而損壞，但仍存在以下缺點：

1）單位重量的容量低、體積大、重量大。

2）不夠環保。

隨著各種便攜產品的尺寸越來越小，鋰電池正在變得越來越常見。目前用作鋰離子電池的正極材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。這些組成電池正極材料的金屬元素中，鈷（Co）最貴，并且存儲量不多，并且污染較大，鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜，而鐵（Fe）最便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應是最便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。

作為充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、能大電流充放電、電化學穩定性能、使用中安全（不會因過充電、過放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸）、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯，特別在大放電率放電（5～10C放電）、放電電壓平穩上、安全上（不燃燒、不爆炸）、壽命上（循環次數）、對環境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動力電池[4]。

3 磷酸鐵鋰供電的RTU

傳統的RTU采用充電完成后為20 A·h的，電壓13.7 V的鉛酸電池儲存電能。而LiFePO4電池的標稱電壓是3.2 V、終止充電電壓是3.6 V、終止放電壓是2.0 V，電池容量為5~1 000 Ah（單體）。本設計采用的是3.2 V 20 Ah的磷酸鐵鋰電池，為了滿足RTU的供電需求，考慮到惡劣環境和陰雨天氣下太陽能無法產生電力，我們需要在磷酸鐵鋰電池中儲存足夠的能量，保證終端的正常工作，采用4節電池為RTU供電以及儲能。在這里可以選擇將電池并聯或者串聯工作。

在并聯工作時，電池的總電壓仍然是3.2 V，總容量變為80 Ah。由于RTU中的傳感器（如壓力傳感器）及攝像機需要的供電電壓是12 V左右，所以在電池與RTU之間要采用電壓轉換芯片或電路進行轉換。由于升壓電路存在漏電流，電壓轉換效率不可能為100%。從升壓電路及電池容量兩個方面來說都加大了成本。并且，假設以2 A的充電電流給電池充電，在轉換效率100%的情況下，需要40個小時才能充滿電，充電時間較長。

在串聯工作時，假設串聯4節磷酸鐵鋰電池，那么總電壓約等于12 V，可以直接給RTU供電，不需要電壓轉換。并且采用串聯方式工作，用2 A的充電電流進行充電，只要10個小時就能充滿四節磷酸鐵鋰電池。但是，由于采用串聯工作時，每節電池由于制造工藝等差異以及電池內阻的不同充放電過程會有所差異，并且系統是采用動態充放電的過程，每次充放電后每節電池剩余電量或充入電量會有所不同，易發生過充或充不滿的現象，損耗電池，還有可能出現安全隱患。

綜合上述因素考慮，我們認為RTU的電源最關注的還是能量利用的效率問題，串聯連接的方式的效率比并聯方式高，加上充電時間較短，可靠性更高。但是由于串聯工作方式又存在充放電不均衡的情況，需要有相關解決方案。

ATmega32HVB是Atmel公司生產的8位高性能、低功耗單片機。它有電池管理功能，正是由于它擁有這項特殊的功能，我們選其作為電源管理電路的控制芯片。ATmega32HVB可以檢測兩到四節鋰電池串聯供電的電源。根據檢測到的電池狀態，我們可以控制充放電，以達到管理電源的目的。

4 從太陽能電池抽取峰值功率充電

太陽能電池作為能量收集能源有巨大的發展潛力，它們僅需要電池儲存所需的能量，并且在光線暗淡時繼續供電。太陽能電池板相對昂貴，因此從電池板抽取最大功率對于最大限度地減小電池板尺寸至關重要。對于給定數量的光能來說，太陽能電池板有某個輸出電壓，在這個輸出電壓時，產生最大的輸出功率，充電器工作在此電壓下才有最大效率，但由于電池板受到的光照隨時間、季節、氣候而變化，此特性不容易優化。12 V系統太陽能電池板都是由簡單的串聯電池構成的，峰值功率可能從12.5 V至18.5 V的電壓產生。磷酸鐵鋰電池不可以用標準的鋰聚合物電池充電器充電，考慮到這類電池3.6 V的較低浮置電源特性，如果沒有正確充電，可能導致對電池不可修復的損壞[6]。

LT3652是一個創新、具太陽能電源跟蹤功能、單片降壓型且適用于多種新式電池化學組成的電池充電器IC。以高達32 V（絕對最大值為40 V）的輸入電壓工作，并以高達14.4 V的浮置電壓給電池組充電。該器件運用了一種創新的輸入電壓調節環路，該環路采用一種簡單和自動的方法以控制充電電流，以將輸入電壓保持在編程設定的電平上。當使用穩定性不佳的電源（例如太陽能電池板時），這種方法很管用。

應用凌力爾特公司的LT3652，解決了從太陽能電池抽取峰值功率對鉛酸或及磷酸鐵鋰電池充電的關鍵問題：高效率、經濟且易于實現。可接受4.95~32 V的寬范圍輸入，可以配置成鉛酸電池（12 V）及磷酸鐵鋰電池（1~4節）供電電路。充電電壓及電流檢測精度高，非充電時，充電電路僅從電池消耗 15 μA。

并且使用ATmega32HVB對LT3652的SHDN引腳編程設置，就可以控制電池的充放電狀態，完成了電源管理的功能。具體實施原理圖如圖2所示。

圖中可以看出，太陽能電池轉換得到的電能，通過電池充電器U1給電池組U2充電。電池組U2有熱敏電阻進行過流保護，單片機U3對電池組中的4節電池分別進行電壓檢測，當發現異常時，單片機的PB7引腳產生一個下降沿，關閉電池充電功能。

5 結 論

采用磷酸鐵鋰電池供電，用太陽能電板和用于太陽能電源的功率跟蹤2 A電池充電器充電，用磷酸鐵鋰電池取代了鋰離子[8-9]/聚合物電池，利用電源管理單片機檢測并管理磷酸鐵鋰電池，在電池狀態正常的條件下，只需10小時就能充滿電，并且在一次充滿電后，即使連續30天甚至更久的陰雨天氣下，也可以保證RTU的正常工作。該系統具有較高的效率，安裝簡便、重量輕、安全、環境影響小、壽命長、經濟、便于實現等優點。

圖2 電源管理及太陽能電池相關電路Fig.2 Power management and solar cells circuit

[1]江偉國，吳秋明，徐瑩.低功耗嵌入式水情遙測終端的設計[J].嵌入式系統應用，2009:69-70.

JIANG Wei-guo，WU Qiu-ming，XU Yin. Low-power embedded water telemetry terminal design[J].The Embedded Systems，2009:69-70.

[2]Thomas L.Gibson，Nelson A.Kelly.Solar photovoltaic charging of lithium-ion batteries[J].Journal of Power Sources，2010（195）：3928-3932.

[3]張維清，程亮.太陽能電池發展現狀與展望[J].重點關注，2011（8）:26-28.

ZHANG Wei-qing，CHENG Liang.Solar status and prospect[J].Focus，2011（8）:26-28.

[4]舒月紅，陳紅雨.鉛酸蓄電池污染防治與職業衛生防護[M].北京:化學工業出版社，2011.

[5]孫曉娟.基于LM3423的太陽能LED路燈驅動器的設計[J].高校理科研究，2012:85.

SUN Xiao-juan.Designer of solar LED lights drive based on LM3423[J].University Science Research，2012:85

[6]Celani J.電池充電器簡化電池板最大功率點跟蹤[J].EE Time China，2011（12）:21-22.

Celani J.The battery charger simplify panels maximum power point tracking[J].EE Time China，2011（12）:21-22.

[7]Matsui M，Yu B，Koh K，et al.A solar battery charging module by means of limit-cycle MPPT control[J].The 7th International Conference on Power Electronics，2007:572-575.

[8]孫俊，王京梅，李莉，等.基于單片機的串聯鋰離子電池組監測系統設計[J].電子科技，2011（10）：4-6，10.

SUN Jun，WANG Jing-mei，LI Li，et al.Design of supervising and measuring system of serial lithium-ion batteries based on MCU[J].Electronic Science and Technology，2011（10）：4-6，10.

[9]蔣正萍.智能單片線性鋰離子電池充電器IC設計[J].現代電子技術，2012（4）：175-177，180.

JIANG Zheng-ping.Design of Monolithic Linear IC for Lithium Ion Battery Charger[J].Modern Electronics Technique，2012（4）：175-177，180.