太阳能供电的无线传感系统的设计

  5.2 锂电池的选择

  锂电池的选取取决于系统的总功耗及要持续工作的时间,nRF905以最大功率发射时的工作电流为30mA,接收时的工作电流为12.5mA;微控制器Atmega16A工作在1MHz时,正常工作的电流为1.1mA;SHT11测量温度、湿度时消耗的电流:测量时550μA,平均为28μA;总体消耗的电流约为33mA.采用的锂电池的容量为2400mAh,额定电压为3.7V,在不给锂电池充电的理想情况下,可以计算出系统能够连续工作的时间为:2400mAh/33mA=72小时,由于系统软件设定的是系统每隔1小时测量一次温度和湿度,假定测量一次系统工作2分钟,则可以计算出在不给电池充电的情况下该系统理论上可以连续工作大约90天。本文所选的锂电池2400mAh,3.7V,其充满电后的电压为4.2V,放电电压的最低值为2.45V,不能够使锂电池过度充电和过度放电,否则会缩短电池的使用寿命,甚至使电池报废。

  5.3 电池管理电路

太阳能供电的无线传感系统的设计

  电池管理电路连接着太阳能板,锂电池,和负载电路,如图2所示。电池管理电路功能:过压保护,欠压保护,电池状态良好监测。本文采用的是美国TI公司生产的超低功耗带电池管理功能的升压变换器BQ25504,该芯片可管理各种能源产生的mW,甚至μW的电源,比如太阳能,热能,电磁能,机械震动能等。主要性能如下:

  330nA的静态电流;超过80%的高转换效率;最大功率跟踪技术;电池充电和放电保护;电池状态良好指示器。该芯片特别适用在太阳能供电系统中。

  设定欠压阈值VBAT_UV=2.83V,过压阈值VBAT_OV=4.2V,电池工作电压范围VBAT_OK_PROG=3.45V,VBAT_OK_HYST=3.96V.

  根据BQ25504的域值设定公式可以得到R3=5.6M,R4=4.4M,R5=5.6M,R6=4.3M,R7=3.1M,R8=5.6M,R9=1.3M当把电池充电到4.1V,接上负载电路,进行放电试验,经过实际测量发现当BQ25504管脚VBAT的电压为3.5V,VSTOR管脚电压为0,即停止电池对外放电。接通电源,通过BQ25504对锂电池进行充电,充电前VBAT为3.45V,VSTOR为3.50V,VBATOK为0,实际测量发现当锂电池电压充到3.97V时,VBAT_OK输出由0变为3.97V,充电到4.2V时,电池电压就不再上升。在充电过程中,BQ25504的VSTOR管脚的电压略高VBAT0.05V,当达到VBAT_OV时,两者相等;在放电过程中,BQ25504的VBAT管脚的电压略高VSTOR 0.02V.

  综上可知,实际的VBAT_UV=2.93V,VBAT_OV=4.2V,VBAT_OK_PROG=3.5V,VBAT_OK_HYST=3.97V,它们与理论计算值有着大约100mV左右的偏差。实际值和理论计算值的偏差在5%之内,这是符合预期的。当电池电压VBAT小于VBAT_OK_PROG时,此时VBAT_OK输出低电平0,NMOS管截止,PMOS管也截止,停止对负载供电,当锂电池电压从VBAT_OK_PROG逐渐上升到3.60V时,VBAT_OK输出高电平,此时NMOS管导通,PMOS管的栅极为低电平,PMOS管也导通,可以对负载电路供电,直到电池电压降为3.5V为止。2012年10月和11月,将该系统放到室外进行测试,运行2个月没有问题,在晴天经过8个小时左右,就可将电池电压从3.5V充到4.2V.

  这两月阴天较多,但是中间也有阳光,电池电压最低时为3.75V.至今该系统仍在正常工作。