中国水运·航道科技
引言
航标灯附加设备的增加灯器耗电量越来越大，从每年的深秋开始，一直到次年的晚春期间，原有的太阳能充电设备无法供应现有新型航标灯所需耗电量。特别在长江上游山区峡谷居多，光照时间短，光照强度不如夏季充裕，航标灯出现电力供应不足。当发生航标灯欠压时，平台网络不畅不能及时发现，同时夜间维护难度大，当出现上述问题时，航标灯欠压会被自动处理。 1当前智能一体化航标灯供电方面存在的问题
作者实地考察多个长江航道处，重点在中上游航道部门，收集到了中上游航道部门目前在用的，以及未来很长一段时间还会使用的航标灯功能数据，综合数据总结，发现有以下几个方面的问题：
1）目前在用的航标灯有两种太阳能充电参数，4.2V 供电的为6V 充电，6.4V 供电的为9V 充电。实测在山区峡谷段，整个冬季补充电量甚微，导致供
电不足；
2）目前还没有发现一款航标灯具备欠压自动切换备用电池的功能； 3）存在锂电池深充深放电导致使用寿命缩短的问题；
4）未使用更高电压的太阳能补充电能的技术问题。
2解决方案及技术特点
与现有的航标灯电路相比，本方案具有电池二次欠压保护作用。航标灯检测到欠压识别信号时，AT89c2051单片机将发出切换指令，将航标灯的供电自动切换。其特点如下：
1）将原航标灯电池一分为二等容量，或者用两组等容量电池替换原电池；
2）植入式随意安装，支持任意三方接口接入，方便其它航标灯灵活应用；
3）欠压检测识别（2.7V ～6V 检测探头，单独使用），平常耗电几乎为零，5s 内完成切换（含程序执行
DOI 编码：10.19412/jki.42-1395/u.2020.03.007
智能太阳能航标灯锂电池供电方案的研究
【摘要】航标灯供电不足会造成航标灯熄灭，锂电池过放电也会加速进入报废区，一旦航标灯熄灭，就
有可能给船舶航行安全带来威胁。基于作者的多年研究经验，本文开发出了一种智能航标灯电力接续自动切换模块，可自动切换到电力充足的电池组上，解决了航标灯供电不足的问题，同时还保护了锂电池不被过放电，可延长循环使用的寿命。
【关键词】智能航标灯；电源自动切换；扩展应用【中图分类号】U644
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2020）03-0036-03
杨必荣
周立
张世文
（长江万州航道处重庆万州404000）
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时间），切换驱动电流小于100mA；
4）两组锂电池轮换工作，自动切换，可延长锂电池循环使用寿命；
5）首次开发出电路独立型，以适应不具备欠压报警的航标灯实现宽范围欠压检测识别和对接新型航标灯欠压报警接口。
3工作原理及视图
增加太阳能电池板是为了使航标灯在冬季有充足的电能补充，而自动切换器可以保证电池欠压时自动切换到充足的电池上。
3.1外接太阳能电池板与航标灯接口
由于夏季阳光充足，电池充满后（单组锂电池供电）会在航标灯供电端产生高达9V以上的电压，则会损坏以单片机为核心的航标灯芯片电路，因此，传统的一体化航标灯的太阳能电池板都不能超过9V（6.4V供电时）。冬季由于阳光不足，会导致充电不足或者充电甚微，而采用12V以上的太阳能电池板，在冬季可以达到160mA的平均充电电流。
为了解决冬季充电问题，并配合切换器技术解决一体化航标灯不能使用太高电压太阳能电池板的问题，
因此采用太阳能电池板发电，供航标灯锂电池充电，太阳能电池板采用高转换效率的单晶硅10W～20W/9V～18V。
将蓝宇MWZHB155B10与增加的太阳能电池板对接如图1所示。
图1蓝宇MWZHB155B10与太阳能电池板对接示意图3.2航标灯锂电池欠压识别自动切换工作原理
智能航标灯锂电池欠压识别电路如图2所示。
图2智能航标灯锂电池欠压识别电路图
3.2.1磁保持继电器工作原理
两个电池组的负极和充电模块的负极连接在一起，继电器的K类连线接口都是电池和充电端的正极，AB为继电器磁极线圈，K1和K2为双联同步磁保持继电器，当K1和K1-1；K2和K2-1连通时，K1的充电端将接通K1-1，电池1进入充电状态。同步K2和K2-1连通，将电池2的电能提供给航标灯供电，反之亦然。
3.2.2自动切换器工作原理
以AT89c2051单片机为核心的单片机震荡电路由C1；R4；C2；C3以及11.0592M晶体震荡器组成，T0为固定电压检测探头，当电池欠压时，
给
2020·337航道维护与管理
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AT89c2051的⑦脚一个控制电平（⑦脚也是三方接口处），②脚和⑧脚分别输出切换电平至驱动模块输入端，磁保持继电器完成相应的锂电池组切换。假定每次都是由AT89c2051的②脚先输出信号，如果刚好这组驱动信号切换到正在工作的这组电池上，将不发生切换（因为电压检测探头检测到的还是欠压信号），程序过几秒后再由⑧脚输出一个信号，将切换继电器，切换只需要不到一秒的恢复时间；当②脚输出切换成功后，程序将终止后面要执行的切换输出（电压检测探头识别到电压恢复正常），也就是会终止⑧脚的输出执行，完成切换。
4实机测试结果
根据锂电池的特性，每充、放电一个循环，其寿命周期循环次数就减少一次。这种技术应用能延长锂电池使用循环周期的次数，鉴于使用环境及其它的硬件寿命问题，本技术有二次欠压保护和延长锂电池使用周期循环次数的作用。测试时采用定光灯，每组锂电池容量为50AH，一组锂电池净放电最长使用天数可达18天，同时带GPS遥测遥控。
研究人员对两盏样灯（改进HB155和原装HD155B各一盏）进行了对比测试（4.2v锂电池）。HB155航标灯目前有两种欠压固定设置：3.5V和3.6V，当锂电池在3.0V～3.6V状态时，处于深度放电，低于3.0V时，如果继续放电锂电池将进入报废区，当上述情况发生后（电池电压降低到3.5或者3.6V时），设备均
能及时自动切换电力。通过长达5年的测试，最明显的效果是测试电池用的与同一组HD155B一个批次电池，原装HD155B的电池已于两年后进入报废期，而采用本模块的HB155使用至今超过五年时间了，目前仍然还在正常使用，达到了设计目的。
5技术应用看点
由于上市的航标灯种类繁多，有内置电池一体化的，也有外接电源的，本模块设计为植入式独立随意安装模式，几乎方便安装到任何航标灯中，适
用于任何太阳能、风能充电的航标灯。
本次设计前查阅大量资料，电子开关虽然体积更小，但是内阻比继电器大，工作时会发热；智能航标灯本身对电源的内阻有要求，同时需要电力维持，会导致航标灯整体耗电进一步增加。而磁保持继电器虽然体积大，但是能保证平常几乎不耗电，且电源接通内阻最小，切换时耗电不到一秒。当检测到并发出切换指令（自编程，鉴于知识产权保护，暂不公布源代码，可驳接具有欠压报警低电平输出的任意航标灯作为供电切换）时，自动完成锂电池切换工作，还具有二次欠压保护锂电池作用。
同时，可考虑探索无人值守的危险警示灯、海上的航标灯、高空建筑物警示灯、风力太阳能供电的路灯以及野外监测预警报警设备等应用可能。
6结语
本文阐述的是航标灯功能的改进，使其具有电源欠压识别和自动切换的功能，可以延长锂电池使用寿命次数周期，节约核心成本。通过在航标灯供电环节中应用新的硬件材料和编写新的应用程序，使航标灯实用功能更加完善。
【参考文献】
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荆州：湖北蓝宇航标有股份限公司,2015.
【收稿日期】2020-05-14
【作者简介】杨必荣（1963-），男，高级工程师，主要从事航道航标管理方面的工作。
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