基于電力桿塔監測系統電源電路的設計

渠海榮

摘 要：在各類電子系統中，電源是保證系統正常工作的前提。電源模塊必須具有低功耗、高效率的特點，以便延長電池使用壽命和連續供電時間；并且要具有很高的可靠性和穩定性，盡可能地提高電源的綜合性能指標；還需根據實時監測技術的要求，進行抗干擾和安全保護的設計。該文針對電力桿塔監測系統的監控終端所處的環境及系統自身的要求，設計一集安全性能好，體積小，重量輕，而且環保等優點于一身的太陽能鋰電池電源，該電源根據系統要求可以輸出不同的電壓對各部分供電。

關鍵詞：太陽能鋰電池 監測系統 開關穩壓調節器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0001-02

電力桿塔系統的監控終端安裝在野外的電力鐵塔上，輸電線路的電壓等級較高，直接從輸電線路上給監控終端供電比較困難。另外，采用太陽能和風能的供電方式獲得的電源是間斷、不穩定的，不符合該系統實時監測的要求。目前，許多在線監測系統采用太陽能和鉛酸蓄電池混合供電的方式，但鉛酸蓄電池體積大，不適合高空安裝。聚合物鋰電池不但體積小、重量輕、便于安裝，而且還具有安全性能好、容量大、內阻小、放電特性佳等優點。因此，系統采用太陽能與聚合物鋰電池混合供電的方式比較適合。

1 設計思路

由于監控終端一般安裝位置比較偏遠，基本上是處于無人值守的狀態，因此在設計供電電源時應考慮以下幾點。（1）電源模塊必須具有低功耗、高效率的特點，以便延長電池使用壽命和連續供電時間；（2）應具有很高的可靠性和穩定性，盡可能地提高電源的綜合性能指標；（3）結合實時監測技術的要求，進行抗干擾和安全保護的設計。

2 監測系統電源的設計

系統監控終端電源部分采用太陽能電池板與可充電的聚合物鋰離子電池組混合供電的方式。電源系統由太陽能電池陣列、聚合物鋰離子電池組和電源管理模塊三部分組成。根據使用現場日照和系統功耗的實際情況，電源系統的太陽能電池陣列一般由3塊10W的太陽能電池板組成；電池組由3塊容量為15AH的聚合物鋰離子電池組成；電源管理模塊對整個電源系統進行充放電管理，在陽光充足的條件下，采用太陽能給系統供電，同時給電壓不足的鋰電池輪番充電；陽光不足時，由鋰電池給系統供電[1]。電源管理模塊通過I2C總線將電池的電壓和電池的狀態信息傳送給數據采集終端。根據系統平均功耗和安裝地點的氣候條件配置合適的太陽能電池陣列和鋰電池組容量，保證監控系統在連續一個月的陰雨天氣情況下仍然可以正常工作。另外，在安裝太陽能電池板時，應使角度與陽光光線盡量保持垂直，以達到最大照射角度提高太陽能的利用率。考慮到不同季節時陽光的照射角度不同，可以設計能夠改變角度的太陽能電池板支架，按照季節和安裝方位靈活調節電池板的角度，使其達到到最大照射角度。

2.1 +12V電源電路的設計

太陽能電池與鋰電池之間需要專門的控制電路來控制系統的供電模式以及鋰電池的充放電過程。鋰電池有兩個技術參數，分別是深度放電電壓和浮充充電電壓。深度放電電壓表示在正常使用情況下鋰電池放電降至的最低電壓，而浮充充電電壓則代表鋰電池充電的最高限制電壓。在放電過程中，控制放電電壓大于深度放電電壓，充電過程中，控制充電電壓小于浮動電壓，從而有效的保護鋰電池。電源控制電路[2]如圖1所示，由R1、R2、R3、R4、R5、R6和T1等組成電壓檢測比較電路，由R7、R8、T2、繼電器等組成切換電路。當陽光充足時，T1的集電極由R5設定被TL431嵌位在7V左右，A點電位隨鋰電池電壓變化而變化。當A點電位上升到15.2V（鋰電池飽和電壓加D1的正向壓降）時，T2開始導通，T2隨之導通，繼電器線圈J1得電，常閉觸點J1-1斷開，電路被切斷。R8提供采集器的電源，R8的接入是為了在太陽能充足時不用鋰電池的儲備電能。日照減弱時，T1截止，繼電器J1常閉觸點J1-1復位，鋰電池開始給外界系統負載供電。

2.2 +5V電源電路的設計

系統中除了雙鑒探測器和警號采用12V供電外，控制主板、傾斜探測器、溫濕度傳感器、振動探測器和視頻采集卡均采用5V供電。太陽能和鋰電池提供的直流電壓較大，約為12V左右，必須通過DC-DC轉換模塊轉換為5V。該設計中，選用的轉換模塊是LM2596開關穩壓調節器，LM2596是降壓型電源管理單片集成電路，具有較強的輸出電流驅動能力、可靠的工作性能和較高的工作效率，可以實現監測儀的穩定、可靠工作[3]，如圖2所示。它內部集成固定頻率發生器和基準穩壓器（1.23V），并具有完善的自我保護電路，包括降頻限流保護電路和熱關斷電路等，利用該器件只需要極少的外圍器件便可以構成高效穩壓電路。LM2596還提供了固定輸出及可調輸出等多個電壓檔次產品。

2.3 +3.8電源電路的設計

系統中選用的GPRS無線通信模塊的電壓范圍是3.4～4.7V，典型值為DC+3.8V，故由太陽能鋰電池輸入的DC+12V電壓需要變換為DC+3.8V。電壓變換模塊選用的是LM2596-ADJ，電路圖如圖3所示。LM2596-ADJ輸出電壓可調，輸出電壓的范圍是1.2～37V±4%。

為了確保輸出電壓穩定，反饋線要遠離電感，電路中的粗線一定要短，最好用地線屏蔽，調節輸出電壓的電阻R1、R2要靠近LM2596的4腳。R1選用標稱阻值為1kΩ，精度為1%的電阻。CIN為470μF/50V，COUT為220μF/35V，D1為5A/40V IN5825 L1為68μH。輸出電壓的計算由下式可得：，=1.23V；

于是，

kΩ≈2.1kΩ

選=2.1KΩ，則LM2596實際輸出電壓≈3.81V，滿足電壓要求。

3 結語

系統的電源電路是保證系統正常工作的前提，監控終端的供電系統是實現監控中心對各基站電力桿塔安全狀態的必要保障。該系統的監控終端是安裝在野外的電力鐵塔上，由于監控終端一般安裝位置比較偏遠，基本上是處于無人值守的狀態，因此電源模塊必須具有低功耗、高效率的特點，以便延長電池使用壽命和連續供電時間；還需具有很高的可靠性和穩定性，并盡可能地提高電源的綜合性能指標；且根據實時監測技術的要求，進行抗干擾和安全保護的設計。

參考文獻

[1] 楊樹明，史勝達.獨立光伏電源系統設計方法[J].電源技術應用，2001，4（11）：561-563.

[2] 董詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] 張淼，吳捷，馮棟生.單相逆變器在PV發電系統的應用[J].電力電子技術，2002，36（2）：19-21.