野外無人值守遙測站太陽能穩壓充電裝置的設計

李延軍，景波云

（國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 211106）

遙測站在防汛減災、山洪預警、災害性天氣預報和水情測報等自動測報系統中都是不可或缺的。一個最基本的自動測報系統，一般都由一個中心站和若干個遙測站所組成。系統中，遙測站的多少和遙測站站址的選擇則要受到測報系統預期和地形地理環境等多種約束條件的限制，具體遙測站站址的選擇大多都只能在野外因地制宜地進行，這些遙測站要實現無人值守條件下的連續工作，大多都采用了太陽能電池組給鉛酸蓄電池組充電的供電方案，以維持其持續性地工作需要。由于太陽能電池組輸出電壓不固定，不能直接給鉛酸蓄電池供電，必須由太陽能充電裝置將太陽能電池組輸出電壓加以轉換才能給鉛酸蓄電池供電[1]，因此，太陽能充電裝置就成為大多數野外無人值守遙測站不可缺少的重要組成部分。

1 野外無人值守遙測站的應用環境需求

無論是在山洪預警自動測報系統還是在水文自動測報系統中，遙測站的建站要受到系統預期、監測對象和地理環境條件等因素的制約，有些遙測站甚至要建在連交通、供電和通信都不便利的高山峽谷或人跡罕至地方。在這些地方，遙測站就需要解決供電，通信組網、野外架設、設備維護成本和無人值守等問題，其自動測報系統業務性質要求野外遙測站要在惡劣氣象條件下進行可靠地數據采集、處理、存儲并實時遠程數據通信，為自動測報系統及時預測，迅速反應，準確決策支持并實施自動控制提供過程數據和實時基礎數據，而氣象條件越惡劣、采集對象量變化越劇烈則遙測站的采集工作就越頻繁、工作強度就越大，消耗的電能也就越多，而氣象條件惡劣的程度又多為人為不可控的。為保證測報數據的實時性和連續性，遙測站應滿足在一個連續性降水過程、一個陣發性降水過程或陰沉多雨的梅雨期等多種惡劣氣象過程條件中無電能補充的條件下堅持全過程連續工作的需求。因此，野外工作環境中，遙測站不僅要有寬的工作溫度、高的可靠性，較小的體積（便于運送和安裝架設）、而且還應滿足低功耗、免維護、無人值守和適應多種氣象條件的需求。

在早期的測報系統中，由于參數少，采集量小，遙測站的功能也較為明確、單一，有的測站系統中就采用大容量電池加定期更換的方式來滿足遙測站用電的需求。美國悍達(Handar)公司早期的遙測站產品就有采用這種工作方式。但，隨著測報系統的功能越來越多、預期要求越來越高，測量對象越來越多、工作條件越來越復雜，由太陽能補充電能的野外無人值守的遙測站就成為必要的需求。

2 野外無人值守遙測站系統對太陽能充電裝置的指標要求

1)工作溫度:太陽能充電裝置應有盡可能寬的工作溫度范圍，以適應在我國氣候區的不同極限氣象條件下的野外工作。

2)平均無故障時間（MTBF）:衡量設備可靠工作的指標[2]。根據太陽能充電裝置在遙測站系統中的位置和作用，太陽能充電裝置在遙測站系統的可靠性分析模型上屬于串聯性質，太陽能充電裝置的接入應不影響遙測站系統整體的可靠工作水平，其可靠性指標應遠大于遙測站系統的可靠性整體指標。

3)起始工作電壓：太陽能充電裝置穩定工作時的最小輸入電壓。起始電壓越低，表明可利用太陽能電池電壓的值越小。在蓄電池深度放電的情況下，此指標意味著蓄電池能盡早地從太陽能電池中獲得電能補充。

4)工作電流：太陽能充電裝置從起始工作電壓起到輸出電壓達到規定的電壓值時，太陽能充電裝置自身所消耗的最大工作電流。遙測站系統要求太陽能電池的能量盡可能多的被利用，此指標在太陽能電池光源照射不足的天氣（連續性、陣發性降水過程和連續性陰天相繼存在的天氣，持續可長達30天[3]）下給微功耗遙測站充電時作用尤為顯要。

5)電壓降：太陽能充電裝置輸出電壓達到規定的穩定值時，輸入電壓與規定的穩壓值之間

的電壓值之差。此值表明太陽能充電裝置的電壓利用率。

6)最大輸出電流：表明太陽能充電裝置充電能力的大小，遙測站系統要求在太陽能電池有電能的時隙內盡快完成對蓄電池的充電。

7)最大輸入電壓：表明太陽能充電裝置所能承受的最大輸入電壓，此值應遠大于太陽能電池的開路電壓。

8)輸出電壓值 ：太陽能充電裝置輸出電壓大小的值，應滿足蓄電池充電電壓范圍的要求。

9)逆向電流（單向供電）：表明充電裝置單向充電的特性。太陽能電池電量的輸出隨日出日落的照射而周期性地產生，在太陽能電池不產生電能或產生電能不足以充電情況下充電裝置不應成為蓄電池的負載而消耗電能。此值越小越好。

10)功耗：充電裝置輸入與輸出電壓差與輸出電流的乘積，該值反映了在充電裝置上可消耗的功率既電壓調節能力。

3 充電裝置實現方案考慮

實現野外無人值守太陽能充電裝置設計首要考慮的指標就是工作溫度和可靠度。而電路簡單、成熟，使用元器件尤其是儲能元器件少則是考慮電路實現的首要問題之一。

目前，常規用的太陽能電池的規格為標稱工作電壓17.5 V，開路電壓21.5 V，每5 w一檔。在實際使用中，太陽能電池的輸出電壓為0 V～21.5 V～0 V，并且隨日照周而復始地循環。標稱12 V的鉛酸蓄電池，允許的浮充電壓范圍為13.8～14.1 V，恒流充電電壓為15 V。就僅對這兩種電池充電的方式而言，兩種充電方式都有制約，對于浮充方式，有初始充電電流大小的限制和長時間處于浮充狀態下的電池必須要在一定時間間隔內進行放電的要求，恒流充電必須限制最終充電電壓。但兩者相比，限流浮充電路比恒流限壓電路容易實現而且電路也更為簡單、可靠，在實際使用中，由于日照周而復始地循環，浮充狀態下的電池必須要在一定時間間隔內進行放電的要求自然會得到滿足，因此，選用限流穩壓浮充的充電方式是適宜的。

太陽能穩壓充電裝置的電路設計有很多，可將太陽能電池經過電壓電流采樣，然后進行模數轉換將數字信號反饋至單片機，單片機根據太陽能電池的工作狀況輸出PWM信號去驅動PMOS管，實現對太陽能電池的最大功率跟蹤。然后通過一個大電容、DC/DC變換器實現對鉛酸蓄電池的充電控制，這樣的電路設計使用的儲能器件較多，相對復雜，且多為商業應用，盡管電壓利用率和效率較高，但不適合長期工作在野外等環境惡劣的場合，同時PMOS管采用PWM驅動，輸出電壓上會有紋波的存在，這對電源電壓質量要求嚴格的電路的正常工作會產生不利影響。

常規串聯型穩壓方法是通過一個放大控制電路控制PMOS管的導通電流，從而控制輸出電壓的大小以達到穩壓輸出，這種穩壓的特點是電路簡單、無需儲能元件、輸出電壓無紋波，這些特點正適合于限流浮充充電方式的野外遙測站太陽能充電裝置的設計需求，而此電路因調整電壓使其效率變低的弱點是產生在太陽能電池產能大于蓄電池充電所需電能時發生的，因此，這時的效率已沒有太大意義，可忽略，只是要在功率散熱時加以考慮，況且太陽能電池的工作電壓與開路電壓間的壓差是有限的，綜合考慮，在實現野外無人值守遙測站太陽能充電裝置時采用常規的串聯型穩壓加限流的方案是適宜的。

4 可靠性預設計

根據太陽能充電裝置在遙測站系統中的位置和作用，在可靠性分析模型上太陽能充電裝置與遙測站系統屬于串聯性質，太陽能充電裝置的接入應不影響遙測站系統整體的可靠工作水平，其可靠性指標應遠大于遙測站系統的可靠性整體指標[4]。

若用MTBFs、MTBF1和 MTBF1′分別表示太陽能充電器平均無故障時間MTBFs、接入太陽能充電器前遙測站的平均無故障時間MTBF1和接入后遙測站的的平均無故障時間MTBF1′，并假定其壽命都服從指數分布，則接入充電裝置后的遙測站系統的 MTBF1′可用公式可見，若要減少對遙測站系統可靠性的影響，MTBFs應遠大于MTBF1。一般要求遙測站系統平均無故障時間為25 000h[5]，則僅對太陽能充電裝置的平均無故障時間應至少為300 000 h，考慮到實際現場應用情況，按太陽能充電裝置有三分之一的時間在工作，其平均無故障時間應至少大于100 000 h。

首先，選擇簡單、成熟的電路，使用元器件的數目盡可能地少，盡可能少地使用儲能元器件、可調元器件和功率型器件，選用質量好的元器件都是可靠性設計要遵循的基本準則。可靠性預設計中，假定各元器件在可靠性模型上都是串聯的(最保守的假定)，電路整體基本失效率λbs就等于各元器件基本失效率λb之和；器件間的成熟系數πl的選擇可相差十倍之多[6]；元器件質量系數πq的選擇上可相差數十倍甚至上百倍之多[6]，不同種類的元器件間的基本失效率λb也可相差數十倍甚至上百倍[6]。因此，遵守基本準則必須是貫串設計階段的全過程。

元器件降額使用是可顯著改善其失效率[7]，而且設計易于實現。在基本電路形式確定之后，根據《電子設備可靠性預計手冊》給出的數據，按各元器件基本失效率λb的大小排序，以確定影響電路可靠性的主要元器件。然后依據《元器件降額準則》給出的數據，綜合考慮了成本、體積等方面的因素后，依次確定降額等級。在該充電裝置中，重點對PMOS管、電壓基準集成電路、電位平移集成電路都做了一、二級降額的使用。

電路的可靠性設計是遵守原則下的一個反復比較、綜合和優化的過程。該裝置電路設計經反復推敲優化后實現了工作溫度范圍大于-40～85℃，平均無故障時間大于100 000 h的設計指標。

5 電路實現

圖1所示為太陽能電池限流穩壓充裝置原理圖。太陽能電池充電裝置是通過一個過電流保護器件，實現恒壓下限流的功能。此功能是防止蓄電池初始充電電流過流的可能發生，同時，也防止了因輸出短路、電池深度放電、電池過放電等現場異常現象發生而損壞PMOS管的可能。一個放大控制電路控制PMOS管的導通電壓以達到控制輸出電壓的大小。輸出電壓通過電位平移技術近似等值地負反饋到放大控制電路中與控制電路的電壓基準比較后控制PMOS管的導通狀態，形成一個閉環控制電路。選用具有導通電阻小，功率大、電壓驅動等優點的PMOS管作為調整管，通過調節PMOS管導通狀態，保持輸出電壓穩定，以滿足蓄電池浮充電壓的要求，在輸出端，一個逆向電流極小的電壓防反控制器實現了穩壓充電裝置的單向輸出的特性，防止了穩壓充電裝置在太陽能電池能量不足時而消耗蓄電池能量的可能。

圖1 太陽能穩壓充電裝置原理圖Fig.1 Schematic of the solar power charging device

6 太陽能電池限流穩壓充裝置的現場使用問題

任何裝置的應用都有一定的局限，沒有完全意義上的通用，該太陽能電池限流穩壓充裝置的應用也不例外。該太陽能電池限流穩壓充裝置設計對象是固定為5～50 W/17.5 V太陽能電池配12～48 AH使用的，處于可靠性的考慮和大多數應用情況，裝置中沒有設可調的部分。實際使用時要特別注意電池容量、太陽能電池功率的大小以及系統的總功耗之間的相互匹配。如若太陽能電池功率相對于蓄電池容量過大時，實際使用時就有可能發生充電過流而損害電池或發生過流充電阻塞現象 （太陽能電池功率大于50 W或蓄電池容量小于12 AH時）。在山澗或峽谷中的遙測站經常處在連續性或陣發性降水過程和連續性陰天相繼或交替存在的天氣下，這里太陽照射時間有限、突然且照射角度大，極有可能發生充電過流損害蓄電池或過流充電阻塞現象；若太陽能電池功率相對于蓄電池容量過小時，蓄電池充電時間需要較長，在災害天氣、連續性或陣發性降水過程和連續性陰天相繼或交替存在的天氣下，蓄電池就有可能處在過放電狀態甚至導致遙測站工作中斷。因此，在實際使用時，要根據遙測站的實際情況，合理配置太陽能電池的大小和蓄電池容量，否則，難以發揮其正常作用。

7 結束語

本文論述了一個成功應用于實際的野外無人值守遙測站太陽能充電裝置的設計過程，用該方法設計的太陽能電池限流穩壓充電裝置已在水情自動測報、水文自動測報、自動氣象站、山洪預警和風電場測報系統的多種自動測報系統的野外遙測站中使用，有些遙測站已運行達十余年。應用實踐表明，該裝置設計合理、工作可靠，完全適用于大多數種類的野外無人值守遙測站的使用。

[1]馮顯爭,李訓銘,智能型太陽能充電電路設計[J].東南大學學報，2008,38(II):194-198.FENG Xian-zheng,LI Xun-ming.Design of intelligent solar charging circuit[J].Journal of Southeast University，2008,38(II):194-198.

[2]劉美俊.電子產品的可靠性設計 [J].電子質量 ,2004(4）:17-20.LIU Mei-jun.The reliability of the electronic product design[J].Electronics Quality，2004(4):17-20.

[3]國家氣象信息中心氣象資料室.中國氣象科學數據共享服務網[EB/OL].北京:中國氣象局，(1952-05-15)[2014-01-01].http://cdc.cma.gov.cn/home.do.

[4]曾聲奎,可靠性設計與分析[M].北京:國防工業出版社，2011.

[5]中華人民共和國水利部.SL61-2003水文自動測報技術規范[S].北京：中國水利水電出版社,2003:16-17.

[6]中國人民解放軍總裝備部.GJB/Z 299B-98電子設備可靠性預計手冊 [S].北京：國防工業出版社，1998.

[7]國防科學技術工業委員會.GJB/Z 35-93元器件降額準則[S].北京:國防工業出版社，1993：1-2,28.