磷酸铁锂供电的水情遥测RTU的太阳能充电技术

余 敏，黄凤辰

（河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京 211100）

随着水资源越来越紧缺，生态水文的建设也越来越受到重视。水情测报是水文信息化基础项目之一，也是生态水文建设的一个重要环节。它通过现场传感器采集到的水位、雨量、流速等信息，利用无线或有线通信方式，在监测中心站实现对现场水情状况的实时监测。水情遥测终端（RTU）在水情测报中起着及其重要的作用，性能稳定可靠、低功耗、功能完善、通用性强的水情遥测终端，才能满足水文信息化、生态水文建设对水情信息采集的要求[1]。

由于受到成本以及环境等原因的限制，我们要尽量延长RTU电池使用寿命以及保证电池供电的可靠性。尤其是在多数应用中，RTU的电池不便于及时更换，为有效利用能源，延长网络的工作寿命。当前终端电源大多采用蓄电池供电，并辅以太阳能或风力等电量来源来进行充电管理。而蓄电池的电量是有限的，充电所用的电力来源又受自然条件的约束（如阴雨天，则太阳能无法产生电力），因此对终端供电系统进行优化设计就显得十分重要[2]。

1 传统RTU供电系统设计

太阳能电源、是今天更加关注环保的“绿色”社会热点问题。使用可再生能源的趋势口益增强，这种趋势不断导致诸如太阳能或风能等可选能源的增加。得到改善的技术连同这种趋势，正在使利用这些能源发电在经济上更加可行[3]。

水情遥测终端设备一般工作在不具备线供电源的野外，只能使用太阳能或风力等供电方式，因此其供电以及充电系统的安全性、可靠性以及寿命越来越引起人们的重视。采用太阳能充电无疑是当今最可行，也是最有效的方法。太阳能供电的充电系统的目标是，不仅在白天直接给系统供电，而且在阳光景充足的时候给存储单元（一般是电池）充电，这样在夜间或阳光不充足的情况下，当电池板输出功率接近零时，电池就可以给系统供电。

传统上，这些应用大部分使用密封铅酸电池，传统RTU电源设计电路如图1所示 。

假设某RTU装有GPRS模块进行信息的通信，设当GPRS模块未传送数据时该RTU的电流为4 mA，收发数据则为80 mA，每分钟有一次数据的交换，每次数据交换1秒钟。

那么，该RTU一天的耗电量为：

我们假设有连续30天的阴雨或阳光不充沛的天气，那么系统需要的电量为：

综合考虑温度、电池的寿命、传感器（如压力传感器）与摄像机等耗电量以及充满电所需时间，采用20 A·h，12 V的铅酸电池对远程终端进行储存电能及供电。

2 电池性能比较

现有的铅酸电池虽然不易因为充电而损坏，但仍存在以下缺点：

1）单位重量的容量低、体积大、重量大。

2）不够环保。

随着各种便携产品的尺寸越来越小，锂电池正在变得越来越常见。目前用作锂离子电池的正极材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。这些组成电池正极材料的金属元素中，钴（Co）最贵，并且存储量不多，并且污染较大，镍（Ni）、锰（Mn）较便宜，而铁（Fe）最便宜。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。

作为充电电池的要求是：容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全（不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸）、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错，特别在大放电率放电（5～10C放电）、放电电压平稳上、安全上（不燃烧、不爆炸）、寿命上（循环次数）、对环境无污染上，它是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池[4]。

3 磷酸铁锂供电的RTU

传统的RTU采用充电完成后为20 A·h的，电压13.7 V的铅酸电池储存电能。而LiFePO4电池的标称电压是3.2 V、终止充电电压是3.6 V、终止放电压是2.0 V，电池容量为5~1 000 Ah（单体）。本设计采用的是3.2 V 20 Ah的磷酸铁锂电池，为了满足RTU的供电需求，考虑到恶劣环境和阴雨天气下太阳能无法产生电力，我们需要在磷酸铁锂电池中储存足够的能量，保证终端的正常工作，采用4节电池为RTU供电以及储能。在这里可以选择将电池并联或者串联工作。

在并联工作时，电池的总电压仍然是3.2 V，总容量变为80 Ah。由于RTU中的传感器（如压力传感器）及摄像机需要的供电电压是12 V左右，所以在电池与RTU之间要采用电压转换芯片或电路进行转换。由于升压电路存在漏电流，电压转换效率不可能为100%。从升压电路及电池容量两个方面来说都加大了成本。并且，假设以2 A的充电电流给电池充电，在转换效率100%的情况下，需要40个小时才能充满电，充电时间较长。

在串联工作时，假设串联4节磷酸铁锂电池，那么总电压约等于12 V，可以直接给RTU供电，不需要电压转换。并且采用串联方式工作，用2 A的充电电流进行充电，只要10个小时就能充满四节磷酸铁锂电池。但是，由于采用串联工作时，每节电池由于制造工艺等差异以及电池内阻的不同充放电过程会有所差异，并且系统是采用动态充放电的过程，每次充放电后每节电池剩余电量或充入电量会有所不同，易发生过充或充不满的现象，损耗电池，还有可能出现安全隐患。

综合上述因素考虑，我们认为RTU的电源最关注的还是能量利用的效率问题，串联连接的方式的效率比并联方式高，加上充电时间较短，可靠性更高。但是由于串联工作方式又存在充放电不均衡的情况，需要有相关解决方案。

ATmega32HVB是Atmel公司生产的8位高性能、低功耗单片机。它有电池管理功能，正是由于它拥有这项特殊的功能，我们选其作为电源管理电路的控制芯片。ATmega32HVB可以检测两到四节锂电池串联供电的电源。根据检测到的电池状态，我们可以控制充放电，以达到管理电源的目的。

4 从太阳能电池抽取峰值功率充电

太阳能电池作为能量收集能源有巨大的发展潜力，它们仅需要电池储存所需的能量，并且在光线暗淡时继续供电。太阳能电池板相对昂贵，因此从电池板抽取最大功率对于最大限度地减小电池板尺寸至关重要。对于给定数量的光能来说，太阳能电池板有某个输出电压，在这个输出电压时，产生最大的输出功率，充电器工作在此电压下才有最大效率，但由于电池板受到的光照随时间、季节、气候而变化，此特性不容易优化。12 V系统太阳能电池板都是由简单的串联电池构成的，峰值功率可能从12.5 V至18.5 V的电压产生。磷酸铁锂电池不可以用标准的锂聚合物电池充电器充电，考虑到这类电池3.6 V的较低浮置电源特性，如果没有正确充电，可能导致对电池不可修复的损坏[6]。

LT3652是一个创新、具太阳能电源跟踪功能、单片降压型且适用于多种新式电池化学组成的电池充电器IC。以高达32 V（绝对最大值为40 V）的输入电压工作，并以高达14.4 V的浮置电压给电池组充电。该器件运用了一种创新的输入电压调节环路，该环路采用一种简单和自动的方法以控制充电电流，以将输入电压保持在编程设定的电平上。当使用稳定性不佳的电源（例如太阳能电池板时），这种方法很管用。

应用凌力尔特公司的LT3652，解决了从太阳能电池抽取峰值功率对铅酸或及磷酸铁锂电池充电的关键问题：高效率、经济且易于实现。可接受4.95~32 V的宽范围输入，可以配置成铅酸电池（12 V）及磷酸铁锂电池（1~4节）供电电路。充电电压及电流检测精度高，非充电时，充电电路仅从电池消耗 15 μA。

并且使用ATmega32HVB对LT3652的SHDN引脚编程设置，就可以控制电池的充放电状态，完成了电源管理的功能。具体实施原理图如图2所示。

图中可以看出，太阳能电池转换得到的电能，通过电池充电器U1给电池组U2充电。电池组U2有热敏电阻进行过流保护，单片机U3对电池组中的4节电池分别进行电压检测，当发现异常时，单片机的PB7引脚产生一个下降沿，关闭电池充电功能。

5 结 论

采用磷酸铁锂电池供电，用太阳能电板和用于太阳能电源的功率跟踪2 A电池充电器充电，用磷酸铁锂电池取代了锂离子[8-9]/聚合物电池，利用电源管理单片机检测并管理磷酸铁锂电池，在电池状态正常的条件下，只需10小时就能充满电，并且在一次充满电后，即使连续30天甚至更久的阴雨天气下，也可以保证RTU的正常工作。该系统具有较高的效率，安装简便、重量轻、安全、环境影响小、寿命长、经济、便于实现等优点。

图2 电源管理及太阳能电池相关电路Fig.2 Power management and solar cells circuit

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