CN105703490A - 一种微型能量捕获装置及其捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型能量捕获装置，包括顺序连接的传感器、能量处理单元和能量存储单元；所述传感器用于将采集的自然环境中的能量转化为电压输出至能量处理单元；所述能量处理单元用于将来自传感器的电压以最大效率转换为所需电压，输出至能量存储单元。方法包括能量处理器根据传感器输出的电压和电流得到最大效率的最大功率点；实时比较传感器的输出功率与最大功率点；传感器的输出电压通过能量处理器以趋向最大功率点时的电压和电流输出给能量存储单元充电。本发明通过将这种能量捕获装置与环境监测等微功率无线传感节点相结合可以大幅提高无线传感节点的续航能力甚至完全不用外部充电。

Description

一种微型能量捕获装置及其捕获方法

技术领域

本发明涉及微型能量捕获装置及其方法，具体说是一种可应用于低功率无线传感网络节点的微型能量捕获装置及方法。

背景技术

无线传感网络技术被公认为是21世纪最重要的技术之一，得到了越来越多研究机构和企业的关注。无线传感网络技术在解决特定环境的监测、通讯、管理和救援等方面有着不可替代的优势。随着无线传感设备应用环境的日益复杂化和应用领域的多样化，人们对系统的性能提出了更高的要求，尤其是系统的可持续性。

传统的网络节点是通过有线的电源或一次性电池对系统供电，需要连接电线或经常更换电池以保持网络节点的正常工作，对于一些偏远地区和一些特殊环境下不适于经常更换电池的地方，大大限制了无线传感网络的广泛应用和深度拓展。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明主要解决的问题是能够提供一种可以就地收集可再生能源用于给低功率无线传感网络节点提供电源的装置，该装置采用最大功率点跟踪算法，将来自传感器的电压以最大效率转换为所需电压，为无线传感网络节点提供持续能量供给。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种微型能量捕获装置，包括顺序连接的传感器、能量处理单元和能量存储单元；所述传感器用于将采集的自然环境中的能量转化为电压输出至能量处理单元；所述能量处理单元用于将来自传感器的电压以最大效率转换为所需电压，输出至能量存储单元。

所述传感器包括：太阳能电池、压电式传感器、RF检测器以及半导体温差发电器。

所述能量处理单元包括能量处理器以及与其连接的BUCK-BOOST转换器、低压电荷泵、可调节稳压器；所述能量处理器、BUCK-BOOST转换器和低压电荷泵均与传感器连接，所述能量处理器直接或通过可调节稳压器与能量存储单元单元连接；

所述能量处理器用于由BUCK-BOOST转换器或低压电荷泵进行供电，并将传感器输出的电压以最大效率分配至能量存储单元或通过可调节稳压器至负载。

所述能量存储单元包括负载和电池。

一种微型能量捕获方法，包括以下步骤：

能量处理器根据传感器输出的电压和电流得到最大效率的最大功率点；

实时比较传感器的输出功率与最大功率点；如果输出功率大于最大功率点，则将输出功率做为最大功率点；否则最大功率点不变；

传感器的输出电压通过能量处理器以趋向或等于最大功率点时的功率给能量存储单元单元充电。

所述能量处理器根据传感器输出的电压和电流得到最大效率的最大功率点包括以下步骤：

1)能量处理器采集传感器输出的电压和电流、以及能量处理器输出的电压和电流；

2)将传感器输出电流与上次输出电流作差得到输入电流变化值；

如果输入电流变化值在设定范围内，利用BUCK-BOOST转换器升压；

否则，根据能量传感器输出电压及电流判断传感器是否故障；

如果传感器无故障，则继续利用BUCK-BOOST转换器升压，使传感器输出电流下降，并比较本次传感器输出功率与上次功率；若本次功率大于上次功率，则BUCK-BOOST转换器增大输出电压；否则减小输出电压；

如果传感器故障，则利用BUCK-BOOST转换器降压，使传感器输出电流上升，并比较本次传感器输出功率与上次功率；若本次功率大于上次功率，则BUCK-BOOST转换器减小输出电压；否则增大输出电压；

3)返回至步骤1)，直到达到设定时间为止；

4)设定时间内传感器输出功率最大时的功率为最大功率点。

所述根据传感器输出电压及电流判断传感器是否故障包括以下步骤：

传感器输出电压与上一次输出电压的差值、传感器输出电流与上一次输出电流的差值均超过设定范围，则传感器故障；否则传感器无故障；

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明可以将自然环境中最普遍存在的太阳能、振动能、热能以及电磁能量采集、转换并存储。

2.本发明采用最大功率点跟踪算法，减小了用于能量收集的传感器尺寸，并将传感器输出的电压以最大效率分配至能量存储单元或通过可调节稳压器至负载。

3.本发明通过将这种能量捕获装置与环境监测等微功率无线传感节点相结合可以大幅提高无线传感节点的续航能力甚至完全不用外部充电。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为最大功率点跟踪器的基本框图；

图4为MPPT控制基本流程图；

图5为能量捕获装置在无线网络节点中的实施例框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明包括用于将自然环境中的能量采集转换为电能的传感器，利用最大功率点跟踪算法(MPPT)将输入功率最大效率的转换为输出功率的能量处理单元以及将输出功率直接用于微功率负载供电或储存的能量存储单元；

所述能量捕获装置为微小型的的能量供给装置。

所述传感器为将自然环境中的一些可再生能源采集并利用的单元，包括：用于将光能转化为电能的太阳能电池，用于将振动能量转化为电能的压电式传感器，用于将电磁能转化为电能的RF检测器，以及用于将热能转化为电能的半导体温差发电器。

所述太阳能电池用于将太阳能转化为可用的直流电压信号，所述压电式传感器将振动能量转换为交流电压信号，所述RF检测器将电磁能量转换为交流电压信号，所述温差发电器将热能转换为直流电压信号。

能量处理单元还包括用于将输入功率最大效率的转换为输出功率的能量处理器，用于给能量处理器供电的BUCK-BOOST转换器和低电压电荷泵，以及将能量处理器输出电压转换为负载所需电压的可调节稳压器。

传感器与BUCK-BOOST转换器、低压电荷泵以及能量处理器连接。

能量处理器包括MCU以及与其连接的切换电路和直流稳压电路；切换电路的两个输入端分别与BUCK-BOOST转换器、低压电荷泵连接，用于能量处理器供电电源的切换，输入电压100mV-220mV时采用低压电荷泵供电，220mV-8V时采用BUCK-BOOST转换器供电；切换电路输出端与MCU以及直流稳压电路的输入端连接，直流稳压电路输出端与固态电池、锂电池连接，还通过可调节稳压器与负载连接。

可调节稳压器的输入端连有切换电路，该切换电路的两个输入端分别与直流能量处理器的稳压电路输出端、固态电池连接，输出端与可调节稳压器的输入端连接。当采集能量充足(例如充满)时能量处理器可通过可调节稳压器直接给负载供电，当采集能量不足时可以切换由固态电池和锂电池通过可调节稳压器给负载供电。

如图1～2所示，本系统包括微功率源、能量处理单元以及能量存储单元三部分：微功率源，即，自然环境中的太阳能、热能、振动能以及电磁能量通过传感器采集转化为电压信号，该信号经过BUCK-BOOST转换器和低电压电荷泵为能量处理器提供电源，低电压电荷泵主要将毫伏级电压转化为能量处理器所需电源电压，BUCK-BOOST转换器可以将高压和低压转换为能量处理器所需电压；能量处理器将采集到的电压转换为固态电池和可充电锂电池所需电压存储，还可以将电压通过可调节稳压器，转换为负载所需电压，用于对负载供电。

图3为最大功率点跟踪器的基本框图。如图所示，从自然环境中采集能量的微功率源将电能传递给该系统，系统采样输入和输出的电压及电流，能量处理器对输入和输出的电压和电流进行分析，根据采样的功率大小来控制BUCK-BOOST转换器的输出，已达到最大功率输出。因为整个系统要经受在强烈的太阳光以及可能在高温环境下工作，所以系统会有保护电路，它不仅要求有过温保护模块，还有过压过流保护模块设计。

图4为MPPT控制基本流程图。如图所示，首先能量处理器的A/D端口采样传感器的输出电压及电流，比较输入电流的当前值与上一次采样电流的变化值，如果电流变化小于等于0.2V，则利用BOOST变化器升压；如果电流变化大于0.2V，再判断传感器输出电压及电流，是否是传感器出现问题；如果传感器工作状况良好，则继续利用BOOST变换器升压，使输入电流下降，并判断能量处理器输出的当前功率与上次功率的大小，当前功率大于上次功率，则增大电压，否则减小电压。

如果传感器工作状况不正常，则利用BUCK变换器降压，使输入电流升高。并判断能量处理器输出的当前功率与上次功率的大小，本次功率大于上次功率，则减小电压，否则增大电压。

持续上述循环过程，传感器的输出电压一部分经BUCK-BOOST转换器或低压电荷泵给能量处理器供电，一部分通过能量处理器以最大功率输出给能量存储单元单元充电，使输出功率逐渐逼近最大输出功率并最后保持最大功率输出。本实施例中，能量处理器可以以最大功率点或者其90％以内的功率给能量存储单元单元充电。

其中BUCK变换器的升压或降压具体为按设定值逐渐升压或降压；例如0.2V。

其中传感器故障判断为：传感器输出电压与上一次输出电压的差值、传感器输出电流与上一次输出电流的差值均超过设定范围，则传感器故障；否则传感器无故障。

图5为能量捕获装置在无线网络节点中的实施例框图。如图所示，在实施方案中搭建了一个基于星型结构的小型无线传感器网络，网络中包括从节点6个，数据协调节点(主节点)1个。其中从节点采用能量捕获装置用于节点的能量供给，能量存储设备有固态电池和锂聚合物电池，当能量供给负载有剩余时，能量将存储于固态电池和锂聚合物电池中；当能量不足以供给负载时，负载将从固态电池和锂聚合物电池获取能量。

Claims (7)

1.一种微型能量捕获装置，其特征在于：包括顺序连接的传感器、能量处理单元和能量存储单元；所述传感器用于将采集的自然环境中的能量转化为电压输出至能量处理单元；所述能量处理单元用于将来自传感器的电压以最大效率转换为所需电压，输出至能量存储单元。

2.根据权利要求1所述的一种微型能量捕获装置，其特征在于所述传感器包括：太阳能电池、压电式传感器、RF检测器以及半导体温差发电器。

3.根据权利要求1所述的一种微型能量捕获装置，其特征在于所述能量处理单元包括能量处理器以及与其连接的BUCK-BOOST转换器、低压电荷泵、可调节稳压器；所述能量处理器、BUCK-BOOST转换器和低压电荷泵均与传感器连接，所述能量处理器直接或通过可调节稳压器与能量存储单元单元连接；

所述能量处理器用于由BUCK-BOOST转换器或低压电荷泵进行供电，并将传感器输出的电压以最大效率分配至能量存储单元或通过可调节稳压器至负载。

4.根据权利要求1或3所述的一种微型能量捕获装置，其特征在于所述能量存储单元包括负载和电池。

5.一种微型能量捕获方法，其特征在于包括以下步骤：

能量处理器根据传感器输出的电压和电流得到最大效率的最大功率点；

实时比较传感器的输出功率与最大功率点；如果输出功率大于最大功率点，则将输出功率做为最大功率点；否则最大功率点不变；

传感器的输出电压通过能量处理器以趋向或等于最大功率点时的功率给能量存储单元单元充电。

6.根据权利要求5所述的一种微型能量捕获方法，其特征在于所述能量处理器根据传感器输出的电压和电流得到最大效率的最大功率点包括以下步骤：

1)能量处理器采集传感器输出的电压和电流、以及能量处理器输出的电压和电流；

2)将传感器输出电流与上次输出电流作差得到输入电流变化值；

如果输入电流变化值在设定范围内，利用BUCK-BOOST转换器升压；

否则，根据能量传感器输出电压及电流判断传感器是否故障；

如果传感器无故障，则继续利用BUCK-BOOST转换器升压，使传感器输出电流下降，并比较本次传感器输出功率与上次功率；若本次功率大于上次功率，则BUCK-BOOST转换器增大输出电压；否则减小输出电压；

如果传感器故障，则利用BUCK-BOOST转换器降压，使传感器输出电流上升，并比较本次传感器输出功率与上次功率；若本次功率大于上次功率，则BUCK-BOOST转换器减小输出电压；否则增大输出电压；

3)返回至步骤1)，直到达到设定时间为止；

4)设定时间内传感器输出功率最大时的功率为最大功率点。

7.根据权利要求5所述的一种微型能量捕获方法，其特征在于所述根据传感器输出电压及电流判断传感器是否故障包括以下步骤：

传感器输出电压与上一次输出电压的差值、传感器输出电流与上一次输出电流的差值均超过设定范围，则传感器故障；否则传感器无故障。