CN109379019A - 一种高压架空线下的混合能源采集存储系统 - Google Patents
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Abstract
一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，所述混合能源采集存储系统包括混合能源采集模块、功率管理模块、复合存储模块以及中央控制单元，所述的混合能源采集模块用于将高压架空线下方电磁场能量，太阳能以及风能转换为电能；所述的功率管理模块用于针对混合能源进行最大功率点跟踪及功率控制；所述的复合储能模块用于能源存储转换，其中包括锂电池，超级电容组及存储模式控制电路；所述的中央控制单元用于环境感知预测方法及采集存储工作模式控制。本发明可以通过采集模块感知环境变化，并通过单片机控制调整工作模式，达到最高效率能源采集及存储，保证系统在低功耗情况下长时间运行。
Description
技术领域
本发明属于混合能源采集与智能控制相结合，具体而言，是一种高压输电线下由电磁能、太阳能、风能的能源采集与锂电池及超级电容的存储单元进行智能控制匹配的技术领域。
背景技术
随着科技的发展，无线传感器网络技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面。虽然单个无线传感器节点的能耗不是很大，但是物联网系统中有着数以亿计的节点，这些节点的总能耗很大，能否稳定地为传感器节点供电就决定着传感器网络系统能否可持续发展。同时，为了满足人类生活的需要，越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区，如偏远山区的高压架空线，这些地区恶劣的环境决定了人们无法像往常一样使用电池为无线传感器节点供电。
在能源采集方面，现有的无线传感器节点通常采用太阳能电池作为单一形式的外部能源为无线传感器节点提供电力供给。太阳能电池功能虽然结构设计简便，但是受环境影响明显，能量存在很大的不确定性，对环境依赖性大。而另一方面，使用传统的电池技术存在能量密度低、寿命有限的问题，针对大面积的无人值守传感器而言，更换电池非常困难。
在这种大环境下，混合能源采集存储技术应运而生，在高压架空线环境下，除了可以使用太阳能和风能供电外，也可以收集低频电磁场能量，通过特殊的采集器装置，保证能源采集功率维持在毫瓦，甚至达到瓦的级别。同时通过复合能源存储结构，即锂电池和超级电容模组结合，提高能源的转换效率。超级电容具有高功率密度的特点，可以满足舒适高功率的输出需求，适合于用作电磁能、太阳能等微弱能源的储能单元，通过合理的控制电荷输出就可以实现微弱电源的能量输出。锂电池的能量密度比高，可以在很短的时间内实现能量的补充，适用于长时间、低功耗无人系统的应用。而且锂电池的充放电管理技术现阶段都已经非常成熟。
在整个混合采集及复合存储的构架下，感知环境能源的变化并及时调整存储策略也将决定能源的存储转换效率，合理的控制模式将极大地延长装置的使用寿命。
发明内容
为解决单一能源受环境影响大、生命周期短以及能源转换效率较低的问题，本发明提出了一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，它由太阳能电池片、低频电磁波采集器、微型风力发电机、功率管理芯片、超级电容器、锂电池、中央处理器等组成，其中超级电容与锂电池共同组成整个系统的储能单元，充放电控制电路控制电荷的流动。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：
一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，所述混合能源采集存储系统包括混合能源采集模块、功率管理模块、复合存储模块以及中央控制单元，所述的混合能源采集模块用于将高压架空线下方电磁场能量，太阳能以及风能转换为电能；所述的功率管理模块用于针对混合能源进行最大功率点跟踪及功率控制；所述的复合储能模块用于能源存储转换，其中包括锂电池，超级电容组及存储模式控制电路；所述的中央控制单元用于环境感知预测方法及采集存储工作模式控制。
进一步，所述混合能源采集模块包括太阳能板，小型风力发电机以及低频磁场采集器，所述低频磁场采集器采用中间细长两端粗扁的磁芯结构，漆包线绕制在中间细长部分，全波整流电路为低功耗全波整流桥，整个装置与高压输电线分离，并且能够保持2-10米的间距进行电磁场能量的采集。
再进一步，所述功率管理模块包括最大功率点追踪单元、过压/欠压保护单元和充电完成指示单元，所述最大功率点追踪单元通过动态追踪方法，使混合能源达到最大功率匹配，最大化能源转换效率。
更进一步，所述复合储能模块包括超级电容器、锂电池以及充放电控制电路，所述充放电控制电路由两个P-MOS管与两个二极管组成；P-MOS管作为超级电容器向锂电池充电与锂电池向超级电容放电的两个电子开关，两个二极管串接在超级电容器与锂电池的充电与放电路径中，保证电流的单一流向。
所述中央控制单元具备能量预测模块以及环境感知模块；能量预测模块用于采集混合能量采集系统的采集电压、电流、功率参数以及其变化趋势，并根据采集到的参数与变化趋势预测环境的变化情况以及下一阶段所能采集到的能量数量进而调整传感器节点的工作模式；所述环境感知模块用于感知混合储能系统中用于一级能量缓存的超级电容器的电压，判断超级电容器电压是否达到预设电压，进而接通或断开负载。
通过中央控制单元采集存储控制电路由电压监测器以及N-MOS管组成；电压监测器可以设定不同的感知阈值电压，用来感知混合储能系统中超级电容器的电压值，从而控制N-MOS管的通断，N-MOS管作为电子开关控制混合储能模块供电的负载电路的通断，当电压监测器感知到超级电容器电压达到预设阈值时，N-MOS管将负载地与系统地接通使负载进行工作。
所述的中央控制单元是一个超低功耗单片机。
本发明的有益效果主要表现在：通过采集模块感知环境变化，并通过单片机控制调整工作模式，达到最高效率能源采集及存储，保证系统在低功耗情况下长时间运行。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是低频电磁波能量采集器的结构示意图；
图3是基于环境感知的存储模式控制示意图；
图4是基于环境感知的功耗控制示意图。
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。
现在将详细参考本发明的实施例，这些实施例的示例在附图中示出。元件的后缀“模块”和“单元”在此用于方便描述，并且因此可以可交换地被使用，而且没有任何可区别的意义或功能。
虽然构成本发明的实施例的所有元件或单元被描述为结合到单个元件中或被操作为单个元件或单元，但是本发明不一定局限于此种实施例。根据实施例，在本发明的目的和范围内所有的元件可以选择性地结合到一个或多个元件并且被操作为一个或多个元件。
参照图1～图4，一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，，所述混合能源采集存储系统包括混合能源采集模块、功率管理模块、复合存储模块以及中央控制单元，所述的混合能源采集模块用于将高压架空线下方电磁场能量，太阳能以及风能转换为电能；所述的功率管理模块用于针对混合能源进行最大功率点跟踪及功率控制；所述的复合储能模块用于能源存储转换，其中包括锂电池，超级电容组及存储模式控制电路；所述的中央控制单元用于环境感知预测方法及采集存储工作模式控制。
图1给出了本发明一个实施例中的系统结构示意图；如图所示，混合能源采集存储系统包括混合能源采集模块1、功率管理模块2、复合存储模块3、能量感知系统4以及中央控制单元5。
其中，混合能源采集模块1负责环境能量的采集并将其转化为可供系统使用的直流电能；功率管理模块2负责将采集到的微弱直流电能进行升压操作后存储到混合储能单元并对储能单元进行保护等；复合存储模块3负责能量的储存；能量感知系统4负责能量的预测以及超级电容器31能量的监控；中央控制单元5负责数据的收发、环境数据采集以及数据处理等。
在混合能源采集模块1中，太阳能采集模块11用于采集环境中的太阳能并将其转化为电能；微型风力发电机12用于采集环境中的风能并将其转化为电能；低频50/60Hz电磁波采集器13用于采集高压输电线电荷流动产生的低频50Hz电磁波能量并将其转化为50/60Hz交流电能，全波整流桥电路14将交流电能整流成直流电能；匹配电路15用于将太阳能采集模块11的输出能量、微型风力发电机12的输出能量以及低频50Hz电磁波采集器13的输出能量进行能量匹配，使混合能源采集模块1的多路输出变为单路输出，降低阻抗从而提高能量转化效率。
能量预测模块41是一个自身带有内存的能量预测芯片，能量预测芯片的输入端与匹配电路15的输出端相连，能量预测芯片的输出端与功率管理模块2中的升压模块21输入端相连。能量预测芯片将混合采集系统的输出功率、电压、电流等数据存储在芯片自身内存中并实时更新，中央处理器53通过总线读取能量预测芯片内存中的数据，并通过预测算法预测环境变化情况以及下一阶段可能采集到的能量，并调节传感器节点的工作模式。
在功率管理模块2中，最大功率点追踪模块22动态追踪由匹配电路15输出能量的最大功率点并将能量流输送给升压稳压模块进行升压，进一步提高能量转化效率；升压模块21将来自混合能源采集模块1的微弱直流电能进行升压操作进而为负载供电或者存储到复合存储模块3中；欠压保护模块24与过压保护模块23设置混合储能单元的低压与高压保护，避免混合储能单元因过放电或过充电造成的储能单元损坏；充电完成指示模块25设置复合存储模块3在充足环境能量可采集的情况下达到电量饱和状态。
在复合存储模块3中，超级电容器31凭借高功率密度低能量密度的特点，作为复合存储模块3的一级能量缓存，将升压模块21经过升压操作的电能储存在超级电容器31中，从而提高能量存储效率，实现储能模块的大功率、短时间能量缓存；锂电池32具有低功率密度高能量密度的特点，作为复合存储模块3的二级能量缓存，用于提高复合存储模块3的存储容量，实现储能模块的小功率、长时间能量缓存；充放电控制电路33由中央处理器53进行控制，控制超级电容器31与锂电池32之间的充放电电荷流向，具体控制过程将通过图3做进一步解释说明。
环境感知模块42由电压监测器421以及N-MOS管422组成，串接在复合存储模块3与中央控制单元5之间。环境感知模块42用来感知复合存储模块3中用于一级能量缓存的超级电容器31的电压，判断超级电容器31电压是否达到预设电压，进而接通或断开负载，避免了中央控制单元5在欠压情况下的往复启动造成的能量损耗，环境感知模块42的详细工作原理将通过图4做进一步解释说明。
中央控制单元5中，低压差线性稳压器(LDO)51首先将来自复合存储模块3的电能进行稳压操作，将电压稳定在负载器件正常工作时所需的额定工作电压，避免因电压过高对器件造成损坏；传感器模组52由中央处理器53控制用来采集环境中的环境数据；收发模块54同样受中央处理器53控制接收和发送所采集到的环境数据；中央处理器53作为整个混合能源采集存储系统的唯一控制单元用来协调控制复合存储模块3中充放电控制电路33、能量感知系统4中能量预测模块41的数据处理、传感器模组52的数据采集与处理、收发机的信息接收与发送、传感器节点工作模式的切换等，是整个系统的数据处理中心与逻辑控制中心。
图2是给出了本发明一个实例中的低频电磁波能量采集器的结构示意图；
如图所示，低频50/60Hz电磁波采集器13主要由磁芯131以及磁芯131表面绕制不同匝数的漆包线132两部分组成，用于将高压输电线上电荷运动产生的电磁场能量转化为电能。低频50/60Hz电磁波采集器13在同等环境条件下所采集到的功率受采集器磁芯131的几何结构、绕线匝数、磁芯131材料、绕线直径等多方面因素影响，为了最大程度的收集环境中的电磁波能量，降低磁芯131中的涡流损耗，磁芯131应选用具有高导磁率且具有超低导电率的磁材料，同时磁芯131尽可能细长以减轻退磁现象增加磁芯131中的磁通密度，进而提升电磁波能量的转换率。根据高斯定理，磁芯131两端采用粗扁的设计可以增加导入磁芯131的磁通数量，同时可以降低采集器整体的几何尺寸。在本实施例中选用的是导磁率大于2000的锰锌铁氧体材料。
磁芯131形状、尺寸以及环境情况确定的条件下，采集器所能采集到功率的大小由绕制在磁芯131表面漆包线132的体积大小所决定，绕线体积大越大采集到的功率越大。若绕线体积也恒定的情况下，那么采集器采集到的功率也是恒定的，漆包线132直径越细，绕线匝数越多，线阻越大，采集器两端电压越高，电流越小；漆包线132直径越粗，绕线匝数越少，线阻越大，采集器两端电压越低，电流越大。
图3给出了本发明一个实施例中的基于环境感知的存储模式控制示意图。
如图所示，复合存储模块3中充放电控制电路33由两个P-MOS管P1(331)、P2(332)以及两个二极管D1(333)、D2(334)构成，并且P1(331)、P2(332)受中央处理器53控制。充放电控制电路33由两路组成，一路为P1(331)与D1(333)组成的超级电容器31向锂电池32充电的充电路径；另一路为P2(332)与D2(334)组成的锂电池32向超级电容器31放电的放电路径。两条路径由中央处理器53独立控制，不能同时打开，但可以同时保持关闭状态。P1(331)与P2(332)的栅极分别与中央处理器53的两个控制引脚相连，P1(331)与P2(332)作为电子开关分别用来控制充电路径与放电路径的通断。D1(333)作为充电路径的保护二极管，在超级电容器31向锂电池32充电时防止锂电池32的电流流入超级电容器31中；D2(334)作为放电路径的保护二极管，在锂电池32向超级电容器31放电时防止超级电容器31的电流流入锂电池32中。
当混合能源采集模块1采集到的能量经升压模块21升压操作后的采集功率大于中央控制单元5的消耗功率时，采集到的能量除了用于给负载供电以外，多余的能量存储到超级电容器31中，当超级电容器31中电量电压达到设定的过压保护阈值时，中央处理器53给P1(331)的栅极一个低电平使P1(331)的源极与漏极接通，从而将多余的电量用于给锂电池32充电，这是一个级联充电过程，避免超级电容器31的过度充电以及能量的浪费；当混合能源采集模块1采集到的能量经升压模块21升压操作后的采集功率小于中央控制单元5的的消耗功率时，采集到的能量不足以满足负载消耗，此时超级电容器31进行放电用来满足负载需求，当超级电容器31的中电量电压降到设定的欠压保护阈值时，中央处理器53给P2(332)的栅极一个低电平使P2(332)的源极与漏极接通，从而通过锂电池32给超级电容器31放电来弥补超级电容器31电量的不足，从而维持传感器节点的持续工作，这是一个级联放电过程，避免超级电容器31的过度放电；当混合能源采集模块1采集到的能量经升压模块21升压操作后的采集功率约等于中央控制单元5的的消耗功率时，P1(331)与P2(332)都处于关断状态，采集到的能量直接用于负载消耗，不进行存储，减少在存储过程中造成的能量损耗。二极管D1(333)与D2(334)为了防止能量的逆流反向充放电。
图4给出了本发明一个实施例中的基于环境感知的功耗控制示意图。
如图所示，环境感知模块42由电压监测器421以及N-MOS管422组成，串接在复合存储模块3与中央控制单元5之间。本实施例中电压监测器421选用一款超低功耗电压监测芯片，该电压监测芯片具有8个不同档位的阈值进行电压监测。电压监测芯片的输入端与超级电容器31的正极进行相连用来监测超级电容器31的电压VCS，电压监测芯片的输出端与N-MOS管422的栅极进行相连用来控制N＝MOS管的接通与断开。N-MOS管422的源极与系统地相连，N-MOS管422的漏极与中央控制单元5的地相连。
混合能源采集模块1采集到的能量经升压模块21升压操作后为超级电容器31进行充电，当超级电容器31的电压达到电压监测芯片预设的监测电压阈值时，电压监测芯片的输出端输出一个持续的高电平，与电压监测芯片输出端相连的N-MOS管422的栅极接收到一个高电平后控制N-MOS管422的源极与漏极接通，进而将中央控制单元5的地与整个系统地接通，中央控制单元5开始正常工作，这一设计避免了中央控制单元5在欠压情况下的往复启动造成的能量损耗。
尽管已经示出并描述了本发明实施例的特殊实施例，然而在不背离本发明实施例的示例性实施例及其更宽广方面的前提下，本领域技术人员显然可以基于此处的教学做出变化和修改。因此，所附的权利要求意在将所有这类不背离本发明实施例的示例性实施例的真实精神和范围的变化和更改包含在其范围之内。
Claims (7)
1.一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，其特征在于，所述混合能源采集存储系统包括混合能源采集模块、功率管理模块、复合存储模块以及中央控制单元，所述的混合能源采集模块用于将高压架空线下方电磁场能量，太阳能以及风能转换为电能；所述的功率管理模块用于针对混合能源进行最大功率点跟踪及功率控制；所述的复合储能模块用于能源存储转换，其中包括锂电池，超级电容组及存储模式控制电路；所述的中央控制单元用于环境感知预测方法及采集存储工作模式控制。
2.如权利要求1所述的一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，其特征在于，所述混合能源采集模块包括太阳能板，小型风力发电机以及低频磁场采集器，所述低频磁场采集器采用中间细长两端粗扁的磁芯结构，漆包线绕制在中间细长部分，全波整流电路为低功耗全波整流桥，整个装置与高压输电线分离，并且能够保持2-10米的间距进行电磁场能量的采集。
3.如权利要求1或2所述的一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，其特征在于，所述功率管理模块包括最大功率点追踪单元、过压/欠压保护单元和充电完成指示单元，所述最大功率点追踪单元通过动态追踪方法，使混合能源达到最大功率匹配，最大化能源转换效率。
4.如权利要求1或2所述的一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，其特征在于，所述复合储能模块包括超级电容器、锂电池以及充放电控制电路，所述充放电控制电路由两个P-MOS管与两个二极管组成；P-MOS管作为超级电容器向锂电池充电与锂电池向超级电容放电的两个电子开关，两个二极管串接在超级电容器与锂电池的充电与放电路径中，保证电流的单一流向。
5.如权利要求1或2所述的一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，其特征在于，所述中央控制单元具备能量预测模块以及环境感知模块；能量预测模块用于采集混合能量采集系统的采集电压、电流、功率参数以及其变化趋势，并根据采集到的参数与变化趋势预测环境的变化情况以及下一阶段所能采集到的能量数量进而调整传感器节点的工作模式；所述环境感知模块用于感知混合储能系统中用于一级能量缓存的超级电容器的电压，判断超级电容器电压是否达到预设电压，进而接通或断开负载。
6.如权利要求5所述的一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，其特征在于，通过中央控制单元采集存储控制电路由电压监测器以及N-MOS管组成；电压监测器可以设定不同的感知阈值电压，用来感知混合储能系统中超级电容器的电压值，从而控制N-MOS管的通断，N-MOS管作为电子开关控制混合储能模块供电的负载电路的通断，当电压监测器感知到超级电容器电压达到预设阈值时，N-MOS管将负载地与系统地接通使负载进行工作。
7.如权利要求5所述的一种高压架空线下的混合能源采集存储系统，其特征在于，所述的中央控制单元是一个超低功耗单片机。
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