2.5 充電管理電路設(shè)計

　　鋰電池的充電過程一般分為3個階段： ①涓流充電階段。 ②恒流充電階段。 一般可以充電到電池容量的85%左右。 ③恒壓充電階段。鋰電池過充，輕則減少電池壽命，性能變壞，重則產(chǎn)生漏液等。在本文的設(shè)計中，采用了線性充電管理芯片MCP73831，如圖1所示。 該芯片具有輸出電壓準確，任意設(shè)定充電電流，自動轉(zhuǎn)換充電模式，消耗電流極?。?5uA ） ，過充監(jiān)測保護等功能和特點。 MCP73831各管腳的功能：

　　VDD 為輸入電壓端； VSS 為參考零電壓端； VBA T為充電控制輸出端； STA T 為充電狀態(tài)輸出端。 PROG為電流設(shè)定與充電控制使能端。 鋰電池充電時，充電管理芯片MCP73831的PROG 接口須外接電阻到VSS，具體計算公式： IREG = 1000 （V ） /RPROG其中RPROG的單位為kΩ， IREG的單位為mA. 在本文設(shè)計中RPROG = 2kΩ。

　　則IREG = 500mA. STA T的各接口狀態(tài)及電路設(shè)計中指示燈的邏輯關(guān)系如表1所示。 充電管理芯片MCP73831通過檢測鋰電池的BA T引腳來判斷電池的各個狀態(tài)，從而對電池進行充電管理。 不發(fā)生過電壓保護時，供電網(wǎng)絡(luò)一方面對MCP73831提供5V 電壓。 一方面通過D 5傳輸?shù)絁DQ2對后續(xù)電路供電。 應(yīng)急充電時，外接5V 電源，一路通過D5到繼電器JDQ 2. 另一路到達MCP73831對鋰電池充電。 D5 陰極端輸出電壓5（V ） - 017 （V ） = 413 （V ） ，由于鋰電池的電壓在充滿或非充滿電狀態(tài)的時候，都低于D6 陰極輸出端電壓（D5 ， D6 共陰極） ， 所以在應(yīng)急充電的過程中， RT9193正常工作。 在CMOS （ comp lem entary m etal2oxidesem iconducto r）型電壓調(diào)節(jié)器RT9193的B P端和地之間連接一個22nF的電容，可以極大的減少調(diào)節(jié)器的輸出噪聲。在常溫狀態(tài)下，充電完成時電壓412V 的鋰電池， 消耗了90%的電量時候， 電壓仍然會保持315V. 本文設(shè)計中選用電壓調(diào)節(jié)器RT9193，即使314V 的時候，輸出電壓仍然可以穩(wěn)定在313V。

　　表1MCP73831電路設(shè)計中指示燈的邏輯關(guān)系

　　3 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

　　在調(diào)試中， 采用模塊化測試的方法， 最后進行聯(lián)合調(diào)試。 對供電網(wǎng)絡(luò)進行測試，選用可調(diào)電源，調(diào)節(jié)輸入電壓，輸出電壓及試驗數(shù)據(jù)如表2所示。 通過應(yīng)急充電接口接入標準5V 電壓，斷開RT9193，對進行測試時，沒有連接二極管D5 ， D6 ，發(fā)現(xiàn)MCP73831的指示燈指示不正確。 分析發(fā)現(xiàn)， 不連接二極管D5 ， D6 ， 相當于RT9193直接連接在BA T引腳輸出，在MCP73831上電的瞬間， 要檢測BA T的狀態(tài)， RT9193的輸入引腳及支路連接到鋰電池的正極，直接影響到了MCP73831對BA T引腳的檢測狀態(tài)，致使充電進入涓流充電階段。 增加D5 ， D6后，再進行試驗，指示燈符合邏輯要求。 測試輸出電流為最大為485mA，充電電壓達到412V 時，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈亮起，完成對鋰電池的充電。 W1 接入0~10V 可調(diào)節(jié)電壓源（初始值設(shè)為5V ） ，M1 接入0~5V 可調(diào)節(jié)電壓源（初始值設(shè)為4V ） ，調(diào)節(jié)滑動變阻器R13 ， R14. 使W 1輸入電壓6V 時LM 2903的7腳由低電平轉(zhuǎn)為高電平。 測量此時滑動電阻器R13 = 3115kΩ， 固定此電阻值。 M1 輸入電壓315V 時LM 2903的1腳由高電平轉(zhuǎn)為低電平，測量此時滑動變阻器R14 = 1kΩ，固定此電阻值。 此時發(fā)現(xiàn)LM 2903的1腳輸出處于臨界值，不停的在高低電平之間變換，繼電器JDQ2不停的通斷， 減少了JDQ2的使用壽命，極易損壞無線示功儀及無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， 對無線設(shè)備的壽命影響也極大。 分析發(fā)現(xiàn)：在過放電保護過程中，檢測值和比較值如果達到基本一致的狀態(tài)，則會產(chǎn)生臨界保護。 為此在電阻R20與R′20之間接電解電容C13 ，通過對電容的充放電，延遲了Q4 的關(guān)斷時間，增加了開啟和關(guān)斷的時間間隔，電容的大小決定了時間間隔的長短。 該時間即為過放保護控制器的保護延時時間。 設(shè)計選用212μF電容，測試發(fā)現(xiàn)延時15s左右。

　　自動跟蹤控器調(diào)試，調(diào)試時W1 接5V 電源，用一只100W 燈泡照射RT1 與RT3 并移動燈光，可以發(fā)現(xiàn)太陽能采集板跟著燈光運動。 但穩(wěn)定狀態(tài)時電機不停震動， 此時通過在電阻R31與電阻R32之間增加一個417uF電容，延遲電機啟動、停止時間。 經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)延時時間40s左右，相對太陽照射時間來說，此時間可以忽略不計，不影響跟蹤功能。 同理在電阻R34與電阻R35之間增加一個417μF電容。 經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：可以完全消除電機震動現(xiàn)象且跟蹤效果良好。 各部分獨立調(diào)試完成后對供電網(wǎng)絡(luò)和充電管理芯片MCP73831進行聯(lián)調(diào)，然后增加RT9193進行調(diào)試， 最后實現(xiàn)整個系統(tǒng)的調(diào)試。 經(jīng)測試證明， 實現(xiàn)了設(shè)計目標和功能要求。

　　4 結(jié)語

　　此智能型太陽能充電電路，具有工作性能穩(wěn)定，運行安全可靠、低損耗，高效率、結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓精度高等優(yōu)點。 自動調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡(luò)與電源管理芯片的相結(jié)合，過壓與過放電保護，自動跟蹤太陽等功能是比較有創(chuàng)造性的設(shè)計方式，特別是將這些設(shè)計應(yīng)用到油田無線示功儀和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，是一種嶄新的嘗試，也是應(yīng)用上的突破。 目前本文所設(shè)計開發(fā)的太陽能充電及自動跟蹤電路已經(jīng)成功應(yīng)用于江蘇油田無線示功儀及其無線通訊網(wǎng)絡(luò)中。 實踐證明該系統(tǒng)充電速度快， 效率較高， 可以實時跟蹤太陽， 工作穩(wěn)定，維護量少。 具有較高的實用及推廣價值。