CN107317386A - 基于风光互补的土壤墒情监测***供能 - Google Patents

基于风光互补的土壤墒情监测***供能 Download PDF

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Abstract

一种用于土壤墒情传感器的供能***，针对传统土壤墒情传感器供能***充电难、电池循环使用寿命短以及安全性低的问题，发明了一种供电***。该***利用风光互补特性供能，采用超级电容和锂电池组成两级能量存储。直流母线有电压输出时，选择直流母线电压输出作为输入电压，同时给超级电容充电；当直流母线电压无输出时，选择超级电容输出作为输入电压；当直流母线和超级电容均无输出时，且锂电池荷电状态大于等于20％时选择锂电池输出作为输入电压。供电***通过估计电池SOC和SOH保证充电控制电路和放电控制电路的安全性和可靠性。本发明较好地解决了土壤墒情传感器供能***充电难、电池的循环使用寿命短以及安全性低的问题。

Description

基于风光互补的土壤墒情监测***供能
技术领域
本发明涉及的是土壤墒情传感器领域，更具体地，涉及一种以太阳能和风能为能量来源，以超级电容为前级储能并结合锂电池作为后备供能的供电***。
背景技术
在土壤墒情传感器领域中，市场上广泛应用的土壤水分传感器大多是以探针式为主，该类传感器只能测土壤表层水分，且探针要与土壤直接接触，需要人工辅助进行测量。随着自动化水平和无线网络通信的提高，以及在偏远农业区域能源供应困难等问题，围绕着土壤墒情传感器***的低功耗、能量来源的便捷性、长久性和稳定性问题，土壤墒情传感器***的开发也越来越智能，其中智能管式土壤水分传感器装置技术就逐渐开始出现。
智能管式土壤水分传感器装置一般应用于偏远的农业地域，那里地域较广，直接用市电为土壤墒情传感器***供电十分困难，供电线路铺设难度大，而且耗费人力和物力。而采用电池供电时，由于电池储存能量的局限性，因此需要定期通过人力对电池进行取出充电或更换电池，这样就大大增加了***的维护成本，对于需要大量土壤墒情传感器***的广阔区域更加困难。因此，怎样通过土壤墒情传感器***所应用的区域环境中取得能源并加以有效地处理和应用，为整个土壤墒情传感器***提供可持续不断的电能，是当下研究的重点。为此，很多相关领域的专家和学者致力于土壤墒情传感器供能***的研发，这样智能管式土壤水分传感器装置的应用上就会更加便捷，同时也能够适应更加复杂和偏远的农业区域环境。
发明内容
本发明解决了土壤墒情传感器供能***充电难、电池的循环使用寿命短以及安全性低的现状，介绍了一种以太阳能和风能为能量来源，以超级电容为前级储能并结合锂电池作为后备供能的供电***。该***以太阳能和风能为能量源，太阳能电池板和风机分别采集太阳能和风能，作为土壤墒情传感器***的所有能量来源。太阳能或风能充足时，继电器模块I选择直流母线电压输出作为DC/DC变换稳压电路输入电压且对超级电容进行充电，同时充电控制电路判断锂电池荷电状态是否小于20％且SOH不小于70％，为锂电池供电留有足够的电量余量，小于时，直接选择直流母线输出电压通过充电控制电路对锂电池进行充电；不小于时，充电控制电路不对锂电池进行充电，除去锂电池充电的频繁性。太阳能和风能同时不足或没有而产生无法为DC/DC变换稳压电路提供足够的电压或功率时，继电器模块I断开，继电器模块II切换到超级电容的输出电压作为DC/DC变换稳压电路的输入电压。太阳能和风能同时不足且超级电容储存能量都无法为DC/DC变换稳压电路提供足够的电压或功率时，继电器模块I和II断开，继电器模块III切换到锂电池通过放电控制电路作为DC/DC变换稳压电路的输入电压，当锂电池的SOC小于5％时，视电量不足，停止放电。整个供电***的输出电压由DC/DC变换稳压电路提供，而DC/DC变换稳压电路的输入电压则根据继电器模块I、II和III进行相应地选择。
根据本发明所述以太阳能和风能为能量来源，以超级电容为前级储能并结合锂电池作为后备供能的供电***的充电控制电路，其特征在于以专用的并联锂离子/锂聚合物电池充电器***芯片LTC4070为核心，以晶体管VT1作为对锂电池充电的控制回路，以微处理器STM32的I/O口控制继电器线圈通断晶体管VT1的基极回路。晶体管VT1串联于输入电压正极和锂电池正极之间，通过控制VT1的导通和截止控制对锂电池的充电和断开充电。微处理器STM32的I/O口控制继电器线圈，该继电器串接于VT1和输入电压之间，用于控制选择是否导通充电回路。
根据本发明所述以太阳能和风能为能量来源，以超级电容为前级储能并结合锂电池作为后备供能的供电***的放电控制电路，其特征在于放电控制电路以电池端电压检测芯片CN301来判断处理锂电池放电电压，检测到的电池端电压低于设置的阈值电压时，CN301的LBO口输出低电平，反之输出高电平。同时通过判断锂电池的SOC值大小，当SOC不低于5％时，I/O口输出高电平，反之输出低电平。以微处理器STM32的I/O口输出相应的高低电平与CN301芯片的LBO口输出的高低电平经过与门输出逻辑控制信号，当判断SOC值不低于5％且电池端电压不小于设定的阈值时，逻辑控制部分的与门输出高电平，该逻辑控制信号通过控制继电器控制模块来控制连接于锂电池正极电压输出线路中的继电器的吸合和断开，从而接通和断开放电回路，防止其过度放电，起到保护锂电池的作用。
附图说明
图1为本发明所述一种基于超级电容与锂电池结合的太阳能供能***结构示意图；
图2为本发明所述供能***控制流程图；
图3为本发明所述供能***的充电控制电路结构示意图；
图4为本发明所述供能***的放电控制电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明进行详细说明。
对照附图1，太阳能电池板采用输出电压为5V，经Cuk变换器II变换为4.2V，输出电流为150mA，尺寸为95mm×95mm的单晶硅太阳能电池板。风力发电机选择三相永磁同发电机，并连接在三相不控整流，经Cuk变换器输出4.2V电压并联在直流母线上。单晶硅太阳能电池板的输出电压与Cuk变换器II连接，并通过Cuk变换器II的变压稳压输出至直流母线上。直流母线输出电压并联输出三路，一路直接连接至超级电容(2)，为其充电；一路连接至充电控制电路(6)，为锂电池(7)进行充电；一路通过继电器模块I(3)连接至DC/DC变换稳压电路(10)的输入端。超级电容(2)的输出端通过继电器模块II(4)连接至DC/DC变换稳压电路(10)的输入端。充电控制电路(6)的输出连接至锂电池(7)，对锂电池(7)充电过程进行控制。锂电池(7)的输出经过放电控制电路(8)和继电器模块III(5)连接至DC/DC变换稳压电路(10)的输入端。通过检测锂电池的电流和电压估计电池的SOC和SOH(9)，保证锂电池(7)充放电过程的安全性。整个供电***的输出电压由DC/DC变换稳压电路(10)输出端提供，而DC/DC变换稳压电路的输入电压则根据继电器模块I(3)、II(4)和III(5)进行相应地选择。DC/DC变换稳压电路(10)以LTC3537芯片(12)为核心，输出5V和3.3V两路电压。此外，通过检测锂电池的电压和电流估算SOC和SOH，进而对充电控制电路(6)和放电控制电路(8)的控制进行相应地决策。
对照附图2，供能***控制上，直流母线电压、超级电容(2)均无输出时，选择锂电池(7)作为能量源作为DC/DC变换稳压电路输入电压(10)；直流母线电压无输出，超级电容(2)有电量和锂电池(7)SOC大于20％时，选择超级电容(2)作为DC/DC变换稳压电路(10)输入电压，同时切断锂电池(7)的输出回路；直流母线电压有输出时，一方面作为DC/DC变换稳压电路输入电压(10)，另一方面为超级电容(2)充电和为SOC在20％以下时的锂电池(7)进行充电。
对照附图3，供能***的充电控制电路(6)在对锂电池充电的控制策略上，太阳能和风能充足时，继电器模块I(3)选择直流母线电压输出作为DC/DC变换稳压电路(10)输入电压，同时判断锂电池(7)荷电状态是否小于20％和锂电池(7)的SOH是否大于70％，SOC小于20％且SOH大于70％时，充电控制电路(6)对锂电池(7)进行连续充电，电量充满或直流母线无电压输出后，STM32的I/O口(11)控制的继电器线圈(13)断开停止充电；当SOC大于20％、SOH大于70％时且未在锂电池连续充电状态下，STM32的I/O口(11)输出低电平，断开充电回路，此时不对锂电池进行充电。充电控制电路(7)以专用的并联锂离子/锂聚合物电池充电器***芯片LTC4070(12)为核心，以晶体管VT1(14)作为对锂电池(7)充电的控制回路，以微处理器STM32的I/O口(11)控制继电器线圈(13)通断晶体管VT1(14)的基极回路。晶体管VT1(14)串联于输入电压正极和锂电池(7)正极之间，通过控制VT1(14)的导通和截止控制对锂电池的充电和断开充电。微处理器STM32的I/O口(11)控制继电器线圈(13)，该继电器串接于VT1和输入电压之间，用于控制选择是否导通充电回路。
对照附图4，供能***的放电控制电路(8)在放电控制策略上，放电控制电路(8)以电池端电压检测芯片CN301(18)来判断处理锂电池(7)放电电压，检测到的电池端电压与设置的阈值电压比较，放电电压低于阈值电压3.6V时，CN301(18)的LBO口输出低电平，反之输出高电平。同时通过判断锂电池(7)的SOC值大小，当SOC不低于5％时，I/O口输出高电平，反之输出低电平。以微处理器STM32的I/O口(15)输出相应的高低电平与CN301芯片(18)的LBO口输出的高低电平经过与门(19)输出逻辑控制信号，当判断SOC值不低于5％且电池端电压不小于设定的阈值时，逻辑控制部分的与门输出高电平，该逻辑控制信号通过控制继电器控制模块(20)来控制连接于锂电池(7)正极电压输出线路中的继电器(21)的吸合和断开，从而接通和断开放电回路。
以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于土壤墒情传感器的供能***，所述供能***包括时间上互补的风光能量采集部分(1)、超级电容(2)、继电器模块I(3)、继电器模块II(4)、继电器模块III(5)、以LTC4070芯片为核心的充电控制电路(6)、1500mA，输出电压为3.7V的锂电池(7)、以CN301芯片和与门为核心的放电控制电路(8)、电池电压电流检测、电池SOC和SOH状态估计(9)、DC/DC变换稳压电路(10)，其特征在于太阳能电池板和风力发电机采集自然环境能量，作为土壤墒情传感器***的所有能量来源。太阳能或风能充足时，继电器模块I(3)选择直流母线电压输出作为DC/DC变换稳压电路输入电压(10)且对超级电容(2)进行充电，同时充电控制电路(6)判断锂电池(7)荷电状态是否小于20％，小于时，直接选择直流母线输出电压通过充电控制电路(6)对锂电池(7)进行充电；不小于时，充电控制电路(6)不对锂电池(7)进行充电。太阳能和风能同时不足或没有而产生无法为DC/DC变换稳压电路(10)提供足够的电压或功率时，继电器模块I(3)断开，继电器模块II(4)切换到超级电容(2)的输出电压作为DC/DC变换稳压电路(10)的输入电压。太阳能和风能同时不足且超级电容(2)储存能量都无法为DC/DC变换稳压电路(10)提供足够的电压或功率时，继电器模块I(3)和II(4)断开，继电器模块III(5)切换到锂电池通过放电控制电路(8)作为DC/DC变换稳压电路(10)的输入电压。整个供电***的输出电压由DC/DC变换稳压电路(10)提供，而DC/DC变换稳压电路(10)的输入电压则根据继电器模块I(3)、II(4)和III(5)进行相应地选择。
2.如权利要求1所述的以LTC4070芯片(12)为核心的充电控制电路(6)，其特征在于以专用的并联锂离子/锂聚合物电池充电器***芯片LTC4070(12)为核心，以晶体管VT1(14)作为对锂电池(7)充电的控制回路，以微处理器STM32的I/O口(11)控制继电器线圈(13)通断晶体管VT1(14)的基极回路。
3.如权利要求1所述的以CN301芯片(18)和与门(19)为核心的放电控制电路，其特征在于放电控制电路以电池端电压检测芯片CN301(18)来判断处理锂电池放电的阈值电压，同时通过锂电池的SOC，以微处理器STM32的I/O口(15)输出相应高低电平并与CN301芯片(18)的LBO口输出的高低电平经过与门(19)输出逻辑控制信号，该逻辑控制信号通过控制继电器控制模块(20)来控制连接于锂电池正极电压输出线路中的继电器(21)的吸合和断开。
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