余 敏，黃鳳辰

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

隨著水資源越來越緊缺，生態(tài)水文的建設(shè)也越來越受到重視。水情測(cè)報(bào)是水文信息化基礎(chǔ)項(xiàng)目之一，也是生態(tài)水文建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。它通過現(xiàn)場(chǎng)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(jiān)測(cè)中心站實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水情狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水情遙測(cè)終端（RTU）在水情測(cè)報(bào)中起著及其重要的作用，性能穩(wěn)定可靠、低功耗、功能完善、通用性強(qiáng)的水情遙測(cè)終端，才能滿足水文信息化、生態(tài)水文建設(shè)對(duì)水情信息采集的要求[1]。

由于受到成本以及環(huán)境等原因的限制，我們要盡量延長(zhǎng)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(shù)應(yīng)用中，RTU的電池不便于及時(shí)更換，為有效利用能源，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。當(dāng)前終端電源大多采用蓄電池供電，并輔以太陽能或風(fēng)力等電量來源來進(jìn)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(chǎn)生電力），因此對(duì)終端供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得十分重要[2]。

1 傳統(tǒng)RTU供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能電源、是今天更加關(guān)注環(huán)保的“綠色”社會(huì)熱點(diǎn)問題。使用可再生能源的趨勢(shì)口益增強(qiáng)，這種趨勢(shì)不斷導(dǎo)致諸如太陽能或風(fēng)能等可選能源的增加。得到改善的技術(shù)連同這種趨勢(shì)，正在使利用這些能源發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上更加可行[3]。

水情遙測(cè)終端設(shè)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(fēng)力等供電方式，因此其供電以及充電系統(tǒng)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(dāng)今最可行，也是最有效的方法。太陽能供電的充電系統(tǒng)的目標(biāo)是，不僅在白天直接給系統(tǒng)供電，而且在陽光景充足的時(shí)候給存儲(chǔ)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(dāng)電池板輸出功率接近零時(shí)，電池就可以給系統(tǒng)供電。

傳統(tǒng)上，這些應(yīng)用大部分使用密封鉛酸電池，傳統(tǒng)RTU電源設(shè)計(jì)電路如圖1所示 。

假設(shè)某RTU裝有GPRS模塊進(jìn)行信息的通信，設(shè)當(dāng)GPRS模塊未傳送數(shù)據(jù)時(shí)該RTU的電流為4 mA，收發(fā)數(shù)據(jù)則為80 mA，每分鐘有一次數(shù)據(jù)的交換，每次數(shù)據(jù)交換1秒鐘。

那么，該RTU一天的耗電量為：

我們假設(shè)有連續(xù)30天的陰雨或陽光不充沛的天氣，那么系統(tǒng)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(jī)等耗電量以及充滿電所需時(shí)間，采用20 A·h，12 V的鉛酸電池對(duì)遠(yuǎn)程終端進(jìn)行儲(chǔ)存電能及供電。

2 電池性能比較

現(xiàn)有的鉛酸電池雖然不易因?yàn)槌潆姸鴵p壞，但仍存在以下缺點(diǎn)：

1）單位重量的容量低、體積大、重量大。

2）不夠環(huán)保。

隨著各種便攜產(chǎn)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(chǔ)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(jià)格也與這些金屬的價(jià)格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)環(huán)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(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全（不會(huì)因過充電、過放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸）、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對(duì)環(huán)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(cuò)，特別在大放電率放電（5～10C放電）、放電電壓平穩(wěn)上、安全上（不燃燒、不爆炸）、壽命上（循環(huán)次數(shù)）、對(duì)環(huán)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動(dòng)力電池[4]。

3 磷酸鐵鋰供電的RTU

傳統(tǒng)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(chǔ)存電能。而LiFePO4電池的標(biāo)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(shè)計(jì)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(huán)境和陰雨天氣下太陽能無法產(chǎn)生電力，我們需要在磷酸鐵鋰電池中儲(chǔ)存足夠的能量，保證終端的正常工作，采用4節(jié)電池為RTU供電以及儲(chǔ)能。在這里可以選擇將電池并聯(lián)或者串聯(lián)工作。

在并聯(lián)工作時(shí)，電池的總電壓仍然是3.2 V，總?cè)萘孔優(yōu)?0 Ah。由于RTU中的傳感器（如壓力傳感器）及攝像機(jī)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(zhuǎn)換芯片或電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于升壓電路存在漏電流，電壓轉(zhuǎn)換效率不可能為100%。從升壓電路及電池容量?jī)蓚€(gè)方面來說都加大了成本。并且，假設(shè)以2 A的充電電流給電池充電，在轉(zhuǎn)換效率100%的情況下，需要40個(gè)小時(shí)才能充滿電，充電時(shí)間較長(zhǎng)。

在串聯(lián)工作時(shí)，假設(shè)串聯(lián)4節(jié)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(zhuǎn)換。并且采用串聯(lián)方式工作，用2 A的充電電流進(jìn)行充電，只要10個(gè)小時(shí)就能充滿四節(jié)磷酸鐵鋰電池。但是，由于采用串聯(lián)工作時(shí)，每節(jié)電池由于制造工藝等差異以及電池內(nèi)阻的不同充放電過程會(huì)有所差異，并且系統(tǒng)是采用動(dòng)態(tài)充放電的過程，每次充放電后每節(jié)電池剩余電量或充入電量會(huì)有所不同，易發(fā)生過充或充不滿的現(xiàn)象，損耗電池，還有可能出現(xiàn)安全隱患。

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

ATmega32HVB是Atmel公司生產(chǎn)的8位高性能、低功耗單片機(jī)。它有電池管理功能，正是由于它擁有這項(xiàng)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(cè)兩到四節(jié)鋰電池串聯(lián)供電的電源。根據(jù)檢測(cè)到的電池狀態(tài)，我們可以控制充放電，以達(dá)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(fā)展?jié)摿?，它們僅需要電池儲(chǔ)存所需的能量，并且在光線暗淡時(shí)繼續(xù)供電。太陽能電池板相對(duì)昂貴，因此從電池板抽取最大功率對(duì)于最大限度地減小電池板尺寸至關(guān)重要。對(duì)于給定數(shù)量的光能來說，太陽能電池板有某個(gè)輸出電壓，在這個(gè)輸出電壓時(shí)，產(chǎn)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(shí)間、季節(jié)、氣候而變化，此特性不容易優(yōu)化。12 V系統(tǒng)太陽能電池板都是由簡(jiǎn)單的串聯(lián)電池構(gòu)成的，峰值功率可能從12.5 V至18.5 V的電壓產(chǎn)生。磷酸鐵鋰電池不可以用標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致對(duì)電池不可修復(fù)的損壞[6]。

LT3652是一個(gè)創(chuàng)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(xué)組成的電池充電器IC。以高達(dá)32 V（絕對(duì)最大值為40 V）的輸入電壓工作，并以高達(dá)14.4 V的浮置電壓給電池組充電。該器件運(yùn)用了一種創(chuàng)新的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，該環(huán)路采用一種簡(jiǎn)單和自動(dòng)的方法以控制充電電流，以將輸入電壓保持在編程設(shè)定的電平上。當(dāng)使用穩(wěn)定性不佳的電源（例如太陽能電池板時(shí)），這種方法很管用。

應(yīng)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(duì)鉛酸或及磷酸鐵鋰電池充電的關(guān)鍵問題：高效率、經(jīng)濟(jì)且易于實(shí)現(xiàn)。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(jié)）供電電路。充電電壓及電流檢測(cè)精度高，非充電時(shí)，充電電路僅從電池消耗 15 μA。

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

圖中可以看出，太陽能電池轉(zhuǎn)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(jìn)行過流保護(hù)，單片機(jī)U3對(duì)電池組中的4節(jié)電池分別進(jìn)行電壓檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，單片機(jī)的PB7引腳產(chǎn)生一個(gè)下降沿，關(guān)閉電池充電功能。

5 結(jié) 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(jī)檢測(cè)并管理磷酸鐵鋰電池，在電池狀態(tài)正常的條件下，只需10小時(shí)就能充滿電，并且在一次充滿電后，即使連續(xù)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(tǒng)具有較高的效率，安裝簡(jiǎn)便、重量輕、安全、環(huán)境影響小、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)、便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 電源管理及太陽能電池相關(guān)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(cè)終端的設(shè)計(jì)[J].嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].重點(diǎn)關(guān)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(yè)衛(wèi)生防護(hù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[5]孫曉娟.基于LM3423的太陽能LED路燈驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[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(jiǎn)化電池板最大功率點(diǎn)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(jī)的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，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.