基于电力杆塔监测系统电源电路的设计

渠海荣

摘 要：在各类电子系统中，电源是保证系统正常工作的前提。电源模块必须具有低功耗、高效率的特点，以便延长电池使用寿命和连续供电时间；并且要具有很高的可靠性和稳定性，尽可能地提高电源的综合性能指标；还需根据实时监测技术的要求，进行抗干扰和安全保护的设计。该文针对电力杆塔监测系统的监控终端所处的环境及系统自身的要求，设计一集安全性能好，体积小，重量轻，而且环保等优点于一身的太阳能锂电池电源，该电源根据系统要求可以输出不同的电压对各部分供电。

关键词：太阳能锂电池 监测系统 开关稳压调节器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（c）-0001-02

电力杆塔系统的监控终端安装在野外的电力铁塔上，输电线路的电压等级较高，直接从输电线路上给监控终端供电比较困难。另外，采用太阳能和风能的供电方式获得的电源是间断、不稳定的，不符合该系统实时监测的要求。目前，许多在线监测系统采用太阳能和铅酸蓄电池混合供电的方式，但铅酸蓄电池体积大，不适合高空安装。聚合物锂电池不但体积小、重量轻、便于安装，而且还具有安全性能好、容量大、内阻小、放电特性佳等优点。因此，系统采用太阳能与聚合物锂电池混合供电的方式比较适合。

1 设计思路

由于监控终端一般安装位置比较偏远，基本上是处于无人值守的状态，因此在设计供电电源时应考虑以下几点。（1）电源模块必须具有低功耗、高效率的特点，以便延长电池使用寿命和连续供电时间；（2）应具有很高的可靠性和稳定性，尽可能地提高电源的综合性能指标；（3）结合实时监测技术的要求，进行抗干扰和安全保护的设计。

2 监测系统电源的设计

系统监控终端电源部分采用太阳能电池板与可充电的聚合物锂离子电池组混合供电的方式。电源系统由太阳能电池阵列、聚合物锂离子电池组和电源管理模块三部分组成。根据使用现场日照和系统功耗的实际情况，电源系统的太阳能电池阵列一般由3块10W的太阳能电池板组成；电池组由3块容量为15AH的聚合物锂离子电池组成；电源管理模块对整个电源系统进行充放电管理，在阳光充足的条件下，采用太阳能给系统供电，同时给电压不足的锂电池轮番充电；阳光不足时，由锂电池给系统供电[1]。电源管理模块通过I2C总线将电池的电压和电池的状态信息传送给数据采集终端。根据系统平均功耗和安装地点的气候条件配置合适的太阳能电池阵列和锂电池组容量，保证监控系统在连续一个月的阴雨天气情况下仍然可以正常工作。另外，在安装太阳能电池板时，应使角度与阳光光线尽量保持垂直，以达到最大照射角度提高太阳能的利用率。考虑到不同季节时阳光的照射角度不同，可以设计能够改变角度的太阳能电池板支架，按照季节和安装方位灵活调节电池板的角度，使其达到到最大照射角度。

2.1 +12V电源电路的设计

太阳能电池与锂电池之间需要专门的控制电路来控制系统的供电模式以及锂电池的充放电过程。锂电池有两个技术参数，分别是深度放电电压和浮充充电电压。深度放电电压表示在正常使用情况下锂电池放电降至的最低电压，而浮充充电电压则代表锂电池充电的最高限制电压。在放电过程中，控制放电电压大于深度放电电压，充电过程中，控制充电电压小于浮动电压，从而有效的保护锂电池。电源控制电路[2]如图1所示，由R1、R2、R3、R4、R5、R6和T1等组成电压检测比较电路，由R7、R8、T2、继电器等组成切换电路。当阳光充足时，T1的集电极由R5设定被TL431嵌位在7V左右，A点电位随锂电池电压变化而变化。当A点电位上升到15.2V（锂电池饱和电压加D1的正向压降）时，T2开始导通，T2随之导通，继电器线圈J1得电，常闭触点J1-1断开，电路被切断。R8提供采集器的电源，R8的接入是为了在太阳能充足时不用锂电池的储备电能。日照减弱时，T1截止，继电器J1常闭触点J1-1复位，锂电池开始给外界系统负载供电。

2.2 +5V电源电路的设计

系统中除了双鉴探测器和警号采用12V供电外，控制主板、倾斜探测器、温湿度传感器、振动探测器和视频采集卡均采用5V供电。太阳能和锂电池提供的直流电压较大，约为12V左右，必须通过DC-DC转换模块转换为5V。该设计中，选用的转换模块是LM2596开关稳压调节器，LM2596是降压型电源管理单片集成电路，具有较强的输出电流驱动能力、可靠的工作性能和较高的工作效率，可以实现监测仪的稳定、可靠工作[3]，如图2所示。它内部集成固定频率发生器和基准稳压器（1.23V），并具有完善的自我保护电路，包括降频限流保护电路和热关断电路等，利用该器件只需要极少的外围器件便可以构成高效稳压电路。LM2596还提供了固定输出及可调输出等多个电压档次产品。

2.3 +3.8电源电路的设计

系统中选用的GPRS无线通信模块的电压范围是3.4～4.7V，典型值为DC+3.8V，故由太阳能锂电池输入的DC+12V电压需要变换为DC+3.8V。电压变换模块选用的是LM2596-ADJ，电路图如图3所示。LM2596-ADJ输出电压可调，输出电压的范围是1.2～37V±4%。

为了确保输出电压稳定，反馈线要远离电感，电路中的粗线一定要短，最好用地线屏蔽，调节输出电压的电阻R1、R2要靠近LM2596的4脚。R1选用标称阻值为1kΩ，精度为1%的电阻。CIN为470μF/50V，COUT为220μF/35V，D1为5A/40V IN5825 L1为68μH。输出电压的计算由下式可得：，=1.23V；

于是，

kΩ≈2.1kΩ

选=2.1KΩ，则LM2596实际输出电压≈3.81V，满足电压要求。

3 结语

系统的电源电路是保证系统正常工作的前提，监控终端的供电系统是实现监控中心对各基站电力杆塔安全状态的必要保障。该系统的监控终端是安装在野外的电力铁塔上，由于监控终端一般安装位置比较偏远，基本上是处于无人值守的状态，因此电源模块必须具有低功耗、高效率的特点，以便延长电池使用寿命和连续供电时间；还需具有很高的可靠性和稳定性，并尽可能地提高电源的综合性能指标；且根据实时监测技术的要求，进行抗干扰和安全保护的设计。

参考文献

[1] 杨树明，史胜达.独立光伏电源系统设计方法[J].电源技术应用，2001，4（11）：561-563.

[2] 董诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] 张淼，吴捷，冯栋生.单相逆变器在PV发电系统的应用[J].电力电子技术，2002，36（2）：19-21.