CN106787114B - 一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法，该系统包括太阳能电池模块、储能模块以及控制器；其中：太阳能电池模块，为柔性太阳能电池阵列，用于将太阳能转换为电能；储能模块，由多个超级电容组成，用于储存电能；控制器，用于在外界光照强度发生变化时，根据最大功率点追踪算法计算不断改变的最大功率点；并根据负载的所需能量的大小进行充放电管理，若负载所需能量少于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块同时为负载和储能模块供电；当负载所需能量大于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块和储能元件同时为负载供电。本发明能有效收集太阳能，并通过最大功率点跟踪算法，提高了系统收集太阳能的效率。

Description

一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及可穿戴式电子设备领域，尤其涉及一种可穿戴式电子设备领域。
背景技术
随着电子信息技术的发展，人们随身携带的各种移动电子设备逐渐成为人们生活中重要的一部分。近几年，穿戴式计算技术正在飞速发展并逐渐趋于成熟，随着谷歌、苹果和微软掀起的穿戴式计算风潮，穿戴式计算业务正在走出其最初的新奇、试验阶段。同时，用于健身监测以及老年人健康监测的无线穿戴式传感器也在飞快地普及。这些设备的出现和飞速发展也对其能量供应提出了更高的要求。目前这些设备大多采用电池供电。然而电池电能存储容量有限，当电池电量耗尽，设备也就无法使用，给人们的生活和工作带来不便。
太阳能发电一种通过将太阳能转换为电能的发电系统，其能量转换原理是太阳能电池的光伏效应。太阳能是一种绿色可再生能源，它具有清洁、环保、安全、分布广、能量大等特点。在长期的能源战略中，太阳能发电将成为人类社会未来能源的基石，世界能源舞台的主角。太阳能产业的发展得到了众多国家和政府的大力扶持，太阳能发电技术研究的力度也在不断增强。太阳能光伏产业现在已经成为发展最为迅速的高新技术产业之一。
目前几乎各种类型的太阳能电池都在不同程度上实现了柔性化，比如说非晶硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池、纤维柔性太阳能电池、聚合物有机半导体太阳能电池以及无机半导体太阳能电池等等。世界上从事柔性衬底非晶硅太阳电池研制生产的主要国家是日本和美国，主要单位有美国的UnitedSolar、ECD、USSC公司，欧洲的VHF-technologies公司，日本的Sharp、Sanyo、TDK、富士电子系统等公司。我国上海太阳能工程技术研究中心目前拥有整套的柔性非晶薄膜电池研制线，研究的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池效率达到了10％。而我国在这方面的研究出现得比较晚，比如哈尔滨的Chrona公司、南开大学等，虽然现在已经有了长足的进步，然而距离国际水平仍然相去甚远，近期的研究达到了功率质量比为341W/Kg。我国上海太阳能工程技术研究中心目前已经建成铜铟硒薄膜太阳电池研发平台，具备开展铜铟硒薄膜太阳电池的研发能力。基于上述背景，重点研究以柔性太阳能电池作为能量转换源的穿戴式太阳能供电系统具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中可穿戴太阳能充电系统功能单一，无法检测最大功率点，且无法调节充电模式的缺陷，提供一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统，包括太阳能电池模块、储能模块以及控制器；其中：
太阳能电池模块，与控制器相连，该模块为柔性太阳能电池阵列，包括多片通过导线连接的柔性太阳能电池组件，用于将太阳能转换为电能；
储能模块，与控制器相连，该模块由多个超级电容组成，用于储存电能；
控制器，与太阳能电池模块、储能模块以及负载均相连，控制器用于在外界光照强度发生变化时，根据最大功率点追踪算法计算不断改变的最大功率点，提高太阳能电池模块的输出功率；并根据负载的所需能量的大小进行充放电管理，若负载所需能量少于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块同时为负载和储能模块供电；当负载所需能量大于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块和储能元件同时为负载供电。
进一步地，本发明的太阳能电池模块为可穿戴式的独立包装，太阳能电池模块两侧设置有塑料扣，背面设置有均匀分布的粘扣，通过塑料扣和粘扣将太阳能电池模块粘附固定在服装上，且太阳能电池模块上覆盖有透明的防水薄膜。
进一步地，本发明的储能模块包括四个2.7V、2200F的超级电容器，超级电容为柔性固态超级电容，四个超级电容器单体通过两串两并的方式进行组合，组合后超级电容器模组的总电压为5.4V、总电容值为2200F；采用限幅型均压方法，将具有稳压管反向击穿特性的电路与每个超级电容器并联，使超级电容的能量均衡。
进一步地，本发明的控制器包括电路保护模块、DC/DC电路、MPPC模块、稳压电路、采样与调理模块、微控制器、串口模块以及驱动电路；其中：
电路保护模块与太阳能电池模块连接，电路保护模块上并联有一个用于保护系统免受浪涌高压损害的瞬态电压抑制器；DC/DC电路接在电路保护模块与稳压电路之间，并与储能模块相连，用于电压变换，控制太阳能电池工作在最大输出功率点；MPPC模块与DC/DC电路并联，用作DC/DC模块的备用通路，在太阳能电池输出较低时，通过此模块为储能模块充电，同时控制微控制器进入休眠；稳压电路接在负载与DC/DC电路之间；采样与调理模块接在电路保护模块与微控制器之间，用于将系统参数转换为符合微控制器的ADC端口规范的电压值，供微控制器的系统软件控制使用；串口模块与微控制器连接，用以通过串口通信的方式将微控制器的数据传输到PC机；驱动电路接在微控制器与DC/DC电路之间，用于驱动DC/DC电路工作。
进一步地，本发明的控制器中的DC/DC电路选用Sepic电路，用于实现最大功率跟踪控制，以提高柔性太阳能电池的输出功率；其中，DC/DC电路中MOSFET选用Si4136DY型N沟道MOSFET，同时使用TPS2829型同向高速MOSFET驱动器，实现微控制器对MOSFET的控制。
进一步地，本发明的控制器中的MPPC模块使用高性能同步升压型芯片LTC3105，通过减小其输出的电流来防止太阳能电池电压骤降，以达到提高输出功率的作用，MPPC模块的设定电压取4V，当系统最大功率值长时间低于4.3V时启动MPPC模块，而当总功率大于0.1W时恢复为DC/DC变换电路。
进一步地，本发明的控制器中的采集与调理电路包括多个通路，包括：用于唤醒微控制器的太阳能电池电流比较电路，用于判断储能模块是否过压的电压比较电路，用于判断负载是否过流的电流比较电路。
本发明提供一种权利要求1所述的嵌入式可穿戴太阳能供电系统的控制方法，包括以下步骤：
设置太阳能供电系统的两种工作状态，包括：第一工作状态，DC/DC通路开启，MPPC通路关断；第二工作状态，DC/DC通路关断，MPPC通路开启；
太阳能供电系统启动后运行在第一工作状态，太阳能供电系统实时检测太阳能电池模块的发电功率，当发电功率在一定时间内一直低于发电功率阈值，判断太阳光照强度处于较低水平，为节省系统功耗，关断DC/DC通路，开启MPPC通路，系统进入第二工作状态，微控制器进入低功耗模式，仅保留如下三个采集与调理电路：用于唤醒微控制器的太阳能电池电流比较电路，用于判断储能模块是否过压的电压比较电路，用于判断负载是否过流的电流比较电路，此时系统处于休眠状态；
太阳能供电系统运行在第二工作状态时，微控制器处于低功耗模式；通过太阳能电池电流比较电路判断太阳能电池模块的电流是否达到设定值，若电流达到设定值，触发I/O中断，唤醒微控制器，关断MPPC通路，开启DC/DC通路，开启所有电压电流采集与调理电路，此时系统进入第一工作状态。
进一步地，本发明的太阳能供电系统在充电过程中采用最大功率点跟踪算法提高太阳能电池模块的输出功率，最大功率点跟踪算法是基于扰动观察法和导纳增量法的改进算法。
进一步地，本发明的最大功率点跟踪算法的具体方法为：
最大功率点跟踪算法在系统启动初期采用恒定电压法运行多个周期，使太阳能电池模块的电压快速上升达到开路电压的75％，之后采用扰动观察法算法判断最大功率点的位置，即最大功率点的第一跟踪模式：当电压变化方向不变时，步长保持为初值不变；当跟踪方向改变时，说明已经通过了最大功率点，此时将步长减去一个常数C，反向寻找最大功率点，步长不断减小直到步长小于一个设定的最小值时，进入第二跟踪模式；
在第二跟踪模式下，步长不再下降，这时通过导纳增量法在最大功率点附近进行微小的震荡；在光照强度缓慢改变的情况，忽略该微小的振荡；
若最大功率点电压值出现了变化导致跟踪电压连续朝同一个方向变化超过2次，或太阳能电池模块的功率变化大于设定值时，判断外界光照环境发生骤变，进入第三跟踪模式；
进入第三跟踪模式之后，采用变步长导纳增量法，根据功率对电压的导数来改变步长以快速追踪新的最大功率点，在第三跟踪模式运行一段时间后，电压逐渐接近最大功率点电压值，步长慢慢变小，直至小于阈值，再转入第一跟踪模式，继续采用扰动观察法找到准确的最大功率点，最后进入第二跟踪模式，进行稳定的最大功率跟踪。
本发明产生的有益效果是：本发明的嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法，解决了移动电子设备以及穿戴式设备的充电问题，可以实现设备的随身充电以及户外长时间使用，该系统采用DC/DC变换器进行电压变换，使太阳能电池工作在最大输出功率点；同时使用MPPC模块作为备用通路，在太阳能电池输出较低时，通过此模块为超级电容器充电，同时使单片机进入休眠；为了进一步降低系统的能耗，提出一种改进的MPPT算法，提高最大功率点跟踪的精度；本发明具有结构简单、使用方便、工作寿命长，功率密度大、节能高效的特点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的系统整体框图；
图2是本发明实施例的系统电路结构图；
图3是本发明实施例的系统Sepic电路原理图；
图4是本发明实施例的系统MOSFET驱动器电路图；
图5是本发明实施例的太阳能电池电压比较电路图；
图6是本发明实施例的太阳能电池电流比较电路图；
图7是本发明实施例的MPPC模块电路图；
图8是本发明实施例的超级电容均压电路；
图9是本发明实施例的系统工作流程图；
图10是本发明实施例的改进算法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，包括太阳能电池模块、储能模块以及控制器；其中：
太阳能电池模块，与控制器相连，该模块为柔性太阳能电池阵列，包括多片通过导线连接的柔性太阳能电池组件，用于将太阳能转换为电能；
储能模块，与控制器相连，该模块由多个超级电容组成，用于储存电能；
控制器，与太阳能电池模块、储能模块以及负载均相连，控制器用于在外界光照强度发生变化时，根据最大功率点追踪算法计算不断改变的最大功率点，提高太阳能电池模块的输出功率；并根据负载的所需能量的大小进行充放电管理，若负载所需能量少于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块同时为负载和储能模块供电；当负载所需能量大于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块和储能元件同时为负载供电。
太阳能电池模块是独立包装，不与衣服直接固定连接，当需要使用的时候，可以通过太阳能电池模块两侧的塑料扣及背面分布均匀的粘扣将其粘附固定在服装上；为防水防潮，该太阳能电池模块上覆盖有一层透明的防水薄膜；太阳能电池模块选用8片大连先端XD0.85型号的柔性太阳能电池，分别在衣服胸前布置4片、在衣服背面布置4片。
储能模块选用四个2.7V、2200F的超级电容器，超级电容优选柔性固态超级电容，四个超级电容器单体通过两串两并的方式进行组合，组合后超级电容器模组的总电压为5.4V、总电容值为2200F；为保证超级电容的能量均衡，采用限幅型均压方法，通过一个具有稳压管反向击穿特性的电路来代替稳压管与每个超级电容器并联，由于不使用稳压管，因此克服了传统稳压管均压法稳压值随温度变化而变化的缺点。
控制器包括电路保护模块、DC/DC电路、MPPC模块、稳压电路、采样与调理模块、微控制器、串口模块以及驱动电路；电路保护模块与太阳能电池模块连接，在太阳能电池接入端，并联一个瞬态电压抑制器，保护系统免受浪涌高压的损害；DC/DC电路接在电路保护模块与稳压电路之间，并与储能模块相连，用于电压变换，使得太阳能电池工作在最大输出功率点；MPPC模块与DC/DC电路并联，用作DC/DC模块的备用通路，在太阳能电池输出较低时，通过此模块为超级电容器充电，同时使单片机进入休眠；稳压电路接在负载与DC/DC电路之；采样与调理模块接在电路保护模块与微控制器之间，将系统参数转换为符合单片机ADC端口规范的电压值，以供系统软件控制所用；微控制器选用MSP430系列16位超低功耗单片机；串口模块与微控制器连接，用以实现数据上传至PC机；驱动电路接在微控制器与DC/DC电路之间，用于驱动DC/DC电路工作。
控制器中的DC/DC电路选用Sepic电路，用来实现最大功率跟踪控制，以提高柔性太阳能电池的输出功率；其中，DC/DC电路中MOSFET选用Si4136DY型N沟道MOSFET，同时使用TPS2829型同向高速MOSFET驱动器，实现单片机对MOSFET的控制；Sepic电路既可升压也可降压，其输出电压和与输入电压极性相同。其输出电压的大小由可控开关的占空比来控制；MOSFET开关频率的选择需要考虑到开关损耗、电感尺寸和电感损失几方面的因素，开关频率越高，电感尺寸就较小。然而，MOSFET的开关损耗以及电感中磁芯损耗又与工作频率成正比。在本电路中选择20kHz作为MOSFET的开关频率。
控制器中的MPPC模块使用高性能同步升压型芯片LTC3105，通过减小其输出的电流来防止太阳能电池电压骤降，以达到提高输出功率的作用，MPPC模块的设定电压取4V，当系统最大功率值长时间低于4.3V时启动MPPC模块，而当总功率大于0.1W时恢复为DC/DC变换电路。
MSP430F149内部集成有自带采样保持器的8通道12位AD转换器，且足以满足系统的采集功能以及采集分辨率的要求，因而可以直接利用单片机自带的AD转换功能采集模拟信号。AD转换器采用的参考电压选用MSP430F149内置2.5V参考电压，因此对于需要采集的模拟信号，可先进行信号调理，使其转换为单片机能够处理的范围，即0～2.5V。在外部给定信号采集到MSP430F149之前，应进行相关的信号处理。信号调理主要采用美国德州仪器公司生产的LPV324M芯片，它是一款低电压、低功耗、轨至轨输出的精密运算放大器，能在2.7～5V下工作。系统采用3.3V为其供电，供应电流28uA，功耗很小。总共需要检测3个模拟量：太阳能电池的电压和电流，用来进行MPPT控制；超级电容器的端电压，用来控制超级电容器的充电，防止过充。
本发明实施例的嵌入式可穿戴太阳能供电系统的控制方法，包括以下步骤：
设置太阳能供电系统的两种工作状态，包括：第一工作状态，DC/DC通路开启，MPPC通路关断；第二工作状态，DC/DC通路关断，MPPC通路开启；
太阳能供电系统启动后运行在第一工作状态，太阳能供电系统实时检测太阳能电池模块的发电功率，当发电功率在一定时间内一直低于发电功率阈值，判断太阳光照强度处于较低水平，为节省系统功耗，关断DC/DC通路，开启MPPC通路，系统进入第二工作状态，微控制器进入低功耗模式，仅保留如下三个采集与调理电路：用于唤醒微控制器的太阳能电池电流比较电路，用于判断储能模块是否过压的电压比较电路，用于判断负载是否过流的电流比较电路，此时系统处于休眠状态；
太阳能供电系统运行在第二工作状态时，微控制器处于低功耗模式；通过太阳能电池电流比较电路判断太阳能电池模块的电流是否达到设定值，若电流达到设定值，触发I/O中断，唤醒微控制器，关断MPPC通路，开启DC/DC通路，开启所有电压电流采集与调理电路，此时系统进入第一工作状态。
太阳能供电系统在充电过程中采用最大功率点跟踪算法提高太阳能电池模块的输出功率，最大功率点跟踪算法是基于扰动观察法和导纳增量法的改进算法。
最大功率点跟踪算法的具体方法为：
最大功率点跟踪算法在系统启动初期采用恒定电压法运行多个周期，使太阳能电池模块的电压快速上升达到开路电压的75％，之后采用扰动观察法算法判断最大功率点的位置，即最大功率点的第一跟踪模式：当电压变化方向不变时，步长保持为初值不变；当跟踪方向改变时，说明已经通过了最大功率点，此时将步长减去一个常数C，反向寻找最大功率点，步长不断减小直到步长小于一个设定的最小值时，进入第二跟踪模式；
在第二跟踪模式下，步长不再下降，这时通过导纳增量法在最大功率点附近进行微小的震荡；在光照强度缓慢改变的情况，忽略该微小的振荡；
若最大功率点电压值出现了变化导致跟踪电压连续朝同一个方向变化超过2次，或太阳能电池模块的功率变化大于设定值时，判断外界光照环境发生骤变，进入第三跟踪模式；
进入第三跟踪模式之后，采用变步长导纳增量法，根据功率对电压的导数来改变步长以快速追踪新的最大功率点，在第三跟踪模式运行一段时间后，电压逐渐接近最大功率点电压值，步长慢慢变小，直至小于阈值，再转入第一跟踪模式，继续采用扰动观察法找到准确的最大功率点，最后进入第二跟踪模式，进行稳定的最大功率跟踪。
第三跟踪模式通过较大的步长改变量以导纳增量法大范围寻找最大功率点，第一跟踪模式通过小的步长变化量以扰动观察法寻找准确的最大功率点，在第二跟踪模式以定步长导纳增量法进行稳定情况下最大功率点的准确跟踪，从而实现能够应对光照骤变的改进最大功率点跟踪算法。
在本发明的另一个具体实施例中：首先对太阳能供电系统采用穿戴式设计，其核心是在服装上布置多片柔性太阳能电池，使系统不仅能收集到足够的能量，又不影响人体活动。为便于穿戴，储能元件可选用柔性超级电容器。然后进行系统的硬件设计，系统以MSP430F149为主控制器，控制器包括DC/DC变换电路、信号采集与调理模块、MPPC模块、电源模块、USB通讯模块、串口模块、电路保护模块等。由于系统电压较低，且DC/DC变换电路需具备升降压功能，选择采用Sepic型电路。
图1是系统整体框图，穿戴式太阳能供电系统属于能量收集系统，运用太阳能电池收集太阳能，并将多余的能量进行存储。本系统包括三部分：太阳能电池模块、储能模块以及控制器。柔性太阳能电池是系统的核心部件，穿戴式太阳能供电系统通过柔性太阳能电池收集自然界中的太阳能，再将其转化为电能。将多片柔性太阳能电池组件通过导线连接，组成柔性太阳能电池阵列，连接至控制器上，在有光照的条件下可以随时将自然界中的太阳能转换为电能。控制器作为中心控制系统，对太阳能供电系统进行控制。当负载所需能量少于柔性太阳能电池提供的能量时，柔性太阳能电池在给负载供应能量的时候同时给储能元件充电；而当柔性太阳能电池提供的能量不足以满足负载所需时，储能元件与柔性太阳能电池同时给负载供电。控制器中还包括一个DC/DC变换电路，用来实现最大功率跟踪控制，以提高柔性太阳能电池的输出功率。由于该穿戴时系统属于小功率系统，并不能获得很大的能量，而作为负载的设备也往往是人随身携带的功率较小的设备。因此将负载设定为接口为5V的移动电子设备，未接负载时，柔性太阳能电池收集的能量全部通过储能元件进行保存，在接通5V负载时，系统为负载充电。
图2是系统电路结构图，控制器主要模块功能如下：
(1)DC/DC模块：进行电压变换，使太阳能电池工作在最大输出功率点。
(2)MPPC模块：作为DC/DC模块的备用通路，在太阳能电池输出较低时，通过此模块为超级电容器充电，同时使单片机进入休眠。
(3)信号采样与调理模块：将系统中主要参数转换为符合单片机ADC端口规范的电压值，以供系统软件控制所用。
(4)微控制器：系统的主要控制芯片，内部写控制软件，配合外围的相关电路完成各种主要控制功能，如MPPT的控制、参数采集和各条通路的开通与关断功能的实现等。
(5)串口模块：实现数据上传至PC机。
图3是系统Sepic电路原理图，Sepic电路既可升压也可降压，其输出电压和与输入电压极性相同。其输出电压的大小由可控开关的占空比来控制。电路包括以下元件：以MOSFET作为可控开关Q，电感L1、L2，二极管D，储能电容C1和滤波电容C2。
图4是系统MOSFET驱动器电路图，作为在控制电路中Sepic型DC/DC变换电路中的开关元件，MOSFET的选取十分重要。作为低端驱动，选择N沟道的MOSFET。根据计算其峰值电压为输入电压和输出电压之和，在本系统设计中即为8V+5V＝13V，这里选用最大漏源电压VDS达到20V的；由于S极接地，G极为PWM信号端，这里选用最大栅源电压VGS达到8V，栅源临界电压VGS(th)低于2.5V的；在以上条件都满足要求时，优先选择导通漏源电阻RDS(on)小的。经过综合考虑选择威世半导体(Vishay)生产的型号为Si4136DY的MOSFET。
系统中使用的MSP430F149单片机内置有PWM发生器，可以根据系统需求输出一定占空比的PWM信号，这个PWM信号用来控制MOSFET的开通与关断，但是由于单片机输出功率的不足，需要使用驱动芯片增强驱动能力。这里选用美国德州仪器公司生产的TPS2829同向高速MOSFET驱动器，以实现单片机对MOSFET的控制。
在分析调研了各种类型的微控制器后，选择了美国德州仪器公司生产的MSP430系列16位超低功耗单片机作为系统控制电路中的微控制器芯片。MSP430系列单片机具有功耗特别低、处理能力强大、模拟技术性能高及丰富的片上外围模块、系统工作稳定以及方便高效的开发环境等优点。MSP430系列单片机型号众多，系统选择型号为MSP430F149的单片机作为微控制器。
MSP430F149内部集成有自带采样保持器的8通道12位AD转换器，且足以满足系统的采集功能以及采集分辨率的要求，因而可以直接利用单片机自带的AD转换功能采集模拟信号。这里AD转换器采用的参考电压选用MSP430F149内置2.5V参考电压，因此对于需要采集的模拟信号，可先进行信号调理，使其转换为单片机能够处理的范围，即0～2.5V。设计时，在外部给定信号采集到MSP430F149之前，应进行相关的信号处理。信号调理主要采用美国德州仪器公司生产的LPV324M芯片，它是一款低电压、低功耗、轨至轨输出的精密运算放大器，能在2.7～5V下工作。本文采用3.3V为其供电，供应电流28uA，功耗很小。总共需要检测3个模拟量：太阳能电池的电压和电流，用来进行MPPT控制；超级电容器的端电压，用来控制超级电容器的充电，防止过充。对于负载的电流，只需通过采集转换为电压量后通过电压比较器来进行比较，而不需知道精确的负载电流值，这样就能确定负载电流是否过流，实现对负载的保护。
太阳能电池电压的采集采用分压法，电压采样值经过一个运算放大器LPV324M构成的乘法电路对电压进行调整，并且增强信号，然后再经过一个同样由运算放大器LPV324M构成的二阶低通滤波电路。
电流也同样有一个经过比较器产生的信号，这个信号用来指示单片机从MPPC模块工作转向DC/DC变换电路工作。采集超级电容器的电压采用与太阳能电池电压相同的方法，先使用电阻分压，再通过运算放大器放大电压倍数并对信号进行增强，之后通过一个二阶滤波电路。超级电容电压采集电路还有一个电压比较电路，将分压后的电压值与3.3V经过分压之后的电压值进行比较，得到的电压值直接输入单片机的I/O口，用来指示超级电容是否过压，这样的信号更为准确直接。当超级电容器过压时，单片机能够迅速而准确地感知，并在第一时间作出反应，控制超级电容器充电电路关断，防止超级电容器过压损坏。图5、图6分别为太阳能电池电压比较电路图和太阳能电池电流比较电路图。
图7是MPPC模块电路图。由于Sepic电路特点，当开关一直处于关断状态时，电流将无法通过DC/DC电路，这时就需要一条与DC/DC并联的电路。当太阳能电池的输出功率较低时，MOSFET关断，整个DC/DC电路不导通，太阳能电池输出的电流通过另一条并联通路送往储能元件中。系统选择采用一个专用的DC/DC升压芯片来解决这一问题。当太阳能电池输出功率长时间处于较低水平时，电流通过这个芯片送至储能元件中，作为DC/DC变换电路的备用通路。对于该DC/DC升压芯片，选用凌力尔特公司于2010年推出的高性能同步升压型芯片LTC3105，它能以250mV启动，且能在输入电压低至225mV的时候工作，最高工作电压可达5V，芯片还具备输出断接功能，并允许输出电压高于或低于输入电压。这个芯片还有一个突出的特点，即具有最大功率点控制(MPPC)功能。
图8是超级电容均压电路，为保证接入超级电容的能量均衡，防止电容单体的过充或过放电，需要进行均压处理。由于本系统属于小功率系统，因此采用限幅型均压方法。使用一个类似于稳压管均压法的方法来实现均压，通过一个具有稳压管反向击穿特性的电路来代替稳压管与每个超级电容器并联，由于不使用稳压管因此克服了稳压管均压法稳压值会随温度变化而变化因而造成稳压精度过低的缺点。
其中U1为LT431芯片，它是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。这里用它来代替稳压二极管。U1的R端的电压值为超级电容器两端电压Uc经过R5、R6的分压值，通过改变R5、R6的阻值就可以调节整个电路的稳压值。根据LT431芯片的特性，当U1的R端的电压值低于2.5V时，U1的K端相当于开路，在R7上就不产生附加压降。此时Q2的基极电压过低，Q2将不会导通，此时整个电路处于高阻状态。而当U1的R端的电压值高于2.5V时，U1的K端电压下降，从而使Q2导通，进而驱动Q1导通，电流将会从R1上流过。即整个电路在R5、R6分压值小于2.5V时电路处于关断状态，这时电路仅有很小的漏电流；而当分压值大于2.5V时电路的特性相当于R1的电阻特性再加上Q1的饱和压降，因此流过电路的电流会随电压的增加而迅速增加，从而实现为超级电容器分流的作用，使超级电容器不会过充，将超级电容器的电压限制在稳压值以下。这样的一个电路，它的稳压值是稳定的，不会随着温度以及其他条件变化，精度较高，具有很强的实用性。在系统中，使用了四个这样的电路分别与四个超级电容器单体并联，实现这四个超级电容器的均压。
系统主要有两种运行状态：一种是DC/DC通路开启，MPPC通路关断；另一种是DC/DC通路关断，MPPC通路开启，图9为系统工作流程图。系统运行在第一种状态时单片机处于工作模式。当系统检测到的功率在一定时间内一直低于阈值，说明太阳光照强度处于较低水平，为节省系统功耗，关断DC/DC通路，开启MPPC通路，单片机进入低功耗模式，关闭用于部分电压、电流采集与调理电路的电源供应，仅保留三个采集与调理电路：用于唤醒单片机的太阳能电池电流比较电路，用于判断超级电容器是否过压的电压比较电路，用于判断负载是否过流的电流比较电路。系统处于休眠状态。系统运行在第二种状态时，单片机处于低功耗模式。通过比较电路判断太阳能电池电流是否达到设定值，如果电流达到设定值，触发I/O中断，唤醒单片机，关断MPPC通路，开启DC/DC通路，开启所有电压电流采集与调理电路。系统处于工作状态。
本系统太阳能电池穿戴在人体身上，太阳能电池受到的光照随着人的行走、转身等动作会急剧而迅速地变化，这就需要MPPT算法能够在光照强度急剧变化的情况下快速追踪到最大功率点。然而目前常用的MPPT算法基本都无法满足这两个要求。本发明针对穿戴式太阳能供电系统的特殊情况，提出一种在扰动观察法(P&O)和导纳增量法(IncCond)基础上改进的算法，图10为改进算法的流程图。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，包括太阳能电池模块、储能模块以及控制器；其中：
太阳能电池模块，与控制器相连，该模块为柔性太阳能电池阵列，包括多片通过导线连接的柔性太阳能电池组件，用于将太阳能转换为电能；
储能模块，与控制器相连，该模块由多个超级电容组成，用于储存电能；
控制器，与太阳能电池模块、储能模块以及负载均相连，控制器用于在外界光照强度发生变化时，根据最大功率点追踪算法计算不断改变的最大功率点，提高太阳能电池模块的输出功率；并根据负载的所需能量的大小进行充放电管理，若负载所需能量少于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块同时为负载和储能模块供电；当负载所需能量大于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块和储能元件同时为负载供电；
嵌入式可穿戴太阳能供电系统还包括以下控制方法：
设置太阳能供电系统的两种工作状态，包括：第一工作状态，DC/DC通路开启，MPPC通路关断；第二工作状态，DC/DC通路关断，MPPC通路开启；
太阳能供电系统启动后运行在第一工作状态，太阳能供电系统实时检测太阳能电池模块的发电功率，当发电功率在一定时间内一直低于发电功率阈值，判断太阳光照强度处于较低水平，为节省系统功耗，关断DC/DC通路，开启MPPC通路，系统进入第二工作状态，微控制器进入低功耗模式，仅保留如下三个采集与调理电路：用于唤醒微控制器的太阳能电池电流比较电路，用于判断储能模块是否过压的电压比较电路，用于判断负载是否过流的电流比较电路，此时系统处于休眠状态；
太阳能供电系统运行在第二工作状态时，微控制器处于低功耗模式；通过太阳能电池电流比较电路判断太阳能电池模块的电流是否达到设定值，若电流达到设定值，触发I/O中断，唤醒微控制器，关断MPPC通路，开启DC/DC通路，开启所有电压电流采集与调理电路，此时系统进入第一工作状态；
太阳能供电系统在充电过程中采用最大功率点跟踪算法提高太阳能电池模块的输出功率，最大功率点跟踪算法是基于扰动观察法和导纳增量法的改进算法；
最大功率点跟踪算法的具体方法为：
最大功率点跟踪算法在系统启动初期采用恒定电压法运行多个周期，使太阳能电池模块的电压快速上升达到开路电压的75％，之后采用扰动观察法算法判断最大功率点的位置，即最大功率点的第一跟踪模式：当电压变化方向不变时，步长保持为初值不变；当跟踪方向改变时，说明已经通过了最大功率点，此时将步长减去一个常数C，反向寻找最大功率点，步长不断减小直到步长小于一个设定的最小值时，进入第二跟踪模式；
在第二跟踪模式下，步长不再下降，这时通过导纳增量法在最大功率点附近进行微小的震荡；在光照强度缓慢改变的情况，忽略该微小的振荡；
若最大功率点电压值出现了变化导致跟踪电压连续朝同一个方向变化超过2次，或太阳能电池模块的功率变化大于设定值时，判断外界光照环境发生骤变，进入第三跟踪模式；
进入第三跟踪模式之后，采用变步长导纳增量法，根据功率对电压的导数来改变步长以快速追踪新的最大功率点，在第三跟踪模式运行一段时间后，电压逐渐接近最大功率点电压值，步长慢慢变小，直至小于阈值，再转入第一跟踪模式，继续采用扰动观察法找到准确的最大功率点，最后进入第二跟踪模式，进行稳定的最大功率跟踪。
2.根据权利要求1所述的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，太阳能电池模块为可穿戴式的独立包装，太阳能电池模块两侧设置有塑料扣，背面设置有均匀分布的粘扣，通过塑料扣和粘扣将太阳能电池模块粘附固定在服装上，且太阳能电池模块上覆盖有透明的防水薄膜。
3.根据权利要求1所述的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，储能模块包括四个2.7V、2200F的超级电容器，超级电容为柔性固态超级电容，四个超级电容器单体通过两串两并的方式进行组合，组合后超级电容器模组的总电压为5.4V、总电容值为2200F；采用限幅型均压方法，将具有稳压管反向击穿特性的电路与每个超级电容器并联，使超级电容的能量均衡。
4.根据权利要求1所述的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，控制器包括电路保护模块、DC/DC电路、MPPC模块、稳压电路、采样与调理模块、微控制器、串口模块以及驱动电路；其中：
电路保护模块与太阳能电池模块连接，电路保护模块上并联有一个用于保护系统免受浪涌高压损害的瞬态电压抑制器；DC/DC电路接在电路保护模块与稳压电路之间，并与储能模块相连，用于电压变换，控制太阳能电池工作在最大输出功率点；MPPC模块与DC/DC电路并联，用作DC/DC模块的备用通路，在太阳能电池输出较低时，通过此模块为储能模块充电，同时控制微控制器进入休眠；稳压电路接在负载与DC/DC电路之间；采样与调理模块接在电路保护模块与微控制器之间，用于将系统参数转换为符合微控制器的ADC端口规范的电压值，供微控制器的系统软件控制使用；串口模块与微控制器连接，用以通过串口通信的方式将微控制器的数据传输到PC机；驱动电路接在微控制器与DC/DC电路之间，用于驱动DC/DC电路工作。
5.根据权利要求4所述的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，控制器中的DC/DC电路选用Sepic电路，用于实现最大功率跟踪控制，以提高柔性太阳能电池的输出功率；其中，DC/DC电路中MOSFET选用Si4136DY型N沟道MOSFET，同时使用TPS2829型同向高速MOSFET驱动器，实现微控制器对MOSFET的控制。
6.根据权利要求4所述的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，控制器中的MPPC模块使用高性能同步升压型芯片LTC3105，通过减小其输出的电流来防止太阳能电池电压骤降，以达到提高输出功率的作用，MPPC模块的设定电压取4V，当系统最大功率值长时间低于4.3V时启动MPPC模块，而当总功率大于0.1W时恢复为DC/DC变换电路。
7.根据权利要求4所述的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，控制器中的采集与调理电路包括多个通路，包括：用于唤醒微控制器的太阳能电池电流比较电路，用于判断储能模块是否过压的电压比较电路，用于判断负载是否过流的电流比较电路。
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