CN109613843B - 复合微能源系统的仿真优化平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于复合微能源仿真技术领域的一种复合微能源系统的仿真优化平台。分别建立了无线传感节点、锂电池、超级电容、太阳能电池、压电发电机的单体仿真模块。其中，锂电池仿真模块还集成了锂电池的容量损耗模型。同时采用通用的面向对象编程方法，使系统模型具有很大的通用性及扩展性。基于以上的各单体模块，建立了复合微能源系统模型，进行了光照、风速等环境量变化模拟仿真，建立了满足泊松分布的无线传感节点敏感事件仿真机制，集成到复合微能源系统仿真平台。得到满足系统要求的各模块设计参数取值范围。在此基础上，把锂电池的寿命作为系统寿命的决定性因素，以延长系统寿命为目标，可以对各模块参数及能量管理方法进行设计和优化。

Description

复合微能源系统的仿真优化平台
技术领域
本发明属于复合微能源仿真技术领域，特别涉及复合微能源系统的仿真优化平台。
背景技术
无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)由大量无线传感节点组成，广泛应用在军事、航空、交通、防爆、救灾、环境监控、医疗卫生等多个领域。每个无线传感节点具有信息采集、信号处理和数据传输功能。传统无线传感节点仅由电池供电，存在寿命较短，电池更换不便的问题。解决该问题的方法是从环境中获取能量为无线传感节点供电，可获取的环境能量主要有太阳能、机械能、热能、电磁能等。
专利CN 105680548B公开了一种无线传感节点的自供能装置，综合利用太阳能、风能、温差能进行发电，环境中收集到的能量可以存储在储能模块中供无线传感节点使用。专利CN 103795136B也提供了一种无线传感节点的微能量收集系统，包括能量收集模块、超级电容储能模块和电源管理模块。专利CN 1960117A公开了一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统，其采用锂电池作为能量存储单元。这些无线传感节点供能系统的能量收集模块、能量存储模块、能量管理模块都不完全相同，缺乏一种较为通用的方法对模块参数进行设计。
专利CN 1080093787A公开了一种多能源复合供电能源仿真系统，实现对系统整体工作状态的瞬态仿真。但该仿真模型没有考虑环境变化、传感节点敏感事件、锂电池寿命损耗等因素的影响，难以预测实际系统工作情况，缺乏实用性。另外，该模型只能用于对系统进行粗略的设计优化，无法评估不同参数对系统寿命的影响，对系统的优化效果有限。
目前缺少具有较强通用性和实用性的复合微能源系统仿真及优化平台，能够仿真环境变化、敏感事件等因素对系统的影响，并评估锂电池的使用寿命，从而对系统参数及能量管理方法进行优化设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合微能源系统的仿真优化平台，其特征在于，
所述复合微能源系统的仿真优化平台由复合微能源系统分别连接环境仿真模块和事件仿真模块组成，其中，复合微能源系统由能量管理模块分别连接能量收集部分、能量存储部分及无线传感节点构成；所述事件仿真模块与无线传感节点连接，环境仿真模块与能量收集部分连接；
所述环境仿真模块，用来仿真影响能量收集部分输出功率的环境参数变化情况；
所述事件仿真模块，用来仿真无线传感节点的敏感事件发生情况；
所述无线传感节点仿真模块，用来仿真不同工作模式下，无线传感节点的功耗变化情况；
所述能量收集部分，用来仿真外部环境变化时，复合微能源系统收集到的电能变化情况；
所述能量存储部分，用来仿真有功率输入或输出时，复合微能源系统中能量存储器件的瞬时参数变化情况；
所述能量管理模块，用来仿真复合微能源系统运行时，在不同能量管理方法指导下，复合微能源系统内部各模块之间的能量流动情况与功率分配关系。
所述能量收集部分包括：
太阳能电池仿真模块，用来仿真外界光照强度等环境条件变化时，在特定设计参数下太阳能电池的输出功率变化情况，从而指导太阳能电池的参数设计；
压电发电片仿真模块，用来仿真风速等外界环境变化时，在特定设计参数下压电发电片的输出功率变化情况，从而指导压电发单片的参数设计；
能量收集部分可以根据实际系统设计情况对上述模块进行增添、删减或修改。
所述能量存储部分包括：
锂电池仿真模块，用来仿真有功率输入输出时，锂电池瞬时参数变化情况，包括输出电压、输出电流、剩余电量SOC和容量损耗；锂电池的容量损耗情况决定了其使用寿命；
超级电容仿真模块，用来仿真有功率输入输出时，超级电容瞬时参数变化情况，包括输出电压、输出电流和剩余电量SOC；
能量存储部分能够根据实际系统设计情况对上述模块进行增添、删减或修改。
所述能量管理模块集成了多种不同的能量管理方法，根据实际系统设计情况增加或修改相应的能量管理方法；在仿真时，根据实际情况选择相应的能量管理方法；这些能量管理方法包括：
超级电容优先法，只要超级电容没有超出电压限制范围，就由超级电容来承担能量需求；
电压控制法，能量管理模块通过判断超级电容与锂电池的电压高低来决定由谁来承担能量需求；
改进并联法，能量管理模块综合判断超级电容与锂电池的电压高低以及环境能量收集情况来决定由谁来承担能量需求；
基于规则法，能量管理模块根据一些事先制定的规则来决定功率分配情况。
所述复合微能源系统采用通用的面向对象编程方法，将各单体模块封装在各个不同的类中，使复合微能源系统模型具有很大的通用性及扩展性。具体来说，本复合微能源系统定义的类有：太阳能电池、压电发电片、锂电池、超级电容、无线传感节点及复合微能源系统。
本发明的有益效果是本发明把锂电池的寿命作为系统寿命的决定性因素，能够仿真环境变化、敏感事件等因素对系统的影响，并评估锂电池的使用寿命，从而对系统参数及能量管理方法进行优化设计。
附图说明
图1为复合微能源系统仿真平台的组成模块示意图。
图2为模拟光照强度随时间变化的一种曲线；
图3为模拟风速随时间变化的一种曲线；
图4为模拟敏感事件发生的一种算法流程；
图5为一种改进并联法的算法流程；
图6为一种基于规则法的算法流程；
图7为系统运行时的流程图；
具体实施方式
本发明提供一种复合微能源系统的仿真优化平台。下面结合附图予以说明。
图1为复合微能源系统仿真平台的组成模块示意图。图中所示，复合微能源系统的仿真优化平台由如下部分组成：
环境仿真模块，用来仿真影响能量收集部分输出功率的环境参数变化情况；
事件仿真模块，用来仿真无线传感节点的敏感事件发生情况；
无线传感节点仿真模块，用来仿真不同工作模式下，无线传感节点的功耗变化情况；
能量收集部分，用来仿真外部环境变化时，复合微能源系统收集到的电能变化情况；
能量存储部分，用来仿真有功率输入或输出时，复合微能源系统中能量存储器件的瞬时参数变化情况；
能量管理模块，用来仿真复合微能源系统运行时，在不同能量管理方法指导下，系统内部各模块之间的能量流动情况与功率分配关系。
环境仿真模块主要仿真了光照强度以及风速的变化情况，在本例中，假设一天之中太阳的光照时间为12小时，光照强度以三角函数的形式变化：
Figure BDA0001944607180000051
其中，t为一天之中的时间(以h为单位)，Im为最大光照强度，模拟得到的光照强度随时间变化的一种曲线如图2所示。
压电发电片的机械能来源主要为风能，假设风速是服从伽玛分布的随机变量，仿真得到一小时内风速的变化曲线如图3所示。
无线传感节点通常用于检测某敏感事件，为了节省能量消耗，节点大部分时间处于休眠状态，当事件发生时，节点会进入激活状态。假设敏感事件的发生情况服从泊松分布。在一段时间Te内，事件发生的次数为λ次，则在足够短的时间Δt内，可认为事件发生的概率为λΔt/Te，服从二项分布。假设单次事件发生的时长te服从正太分布N(μ，σ2)。则一种事件发生情况的仿真算法流程可用图4表示。
无线传感节点激活状态的功率为Pactive，休眠状态的功率为Psleep，工作周期为T，占空比为D。用变量event表示是否有敏感事件发生。除了事件发生时，节点会进入激活状态外，节点也会周期性进入激活状态以保持节点的稳定连接与通信。则节点在一个周期内的功率可表示为：
Figure BDA0001944607180000061
能量收集部分包括太阳能电池仿真模块以及压电发电片仿真模块。
在太阳能电池仿真模块中，设定单位面积输出功率与光照强度成一次或二次函数关系，通过实验对函数关系进行拟合，将得到的系数输入至太阳能电池仿真模块中。
在压电发电片仿真模块中，设定单位面积输出功率与风速成二次函数关系，同样通过实验对函数关系进行拟合，将得到的系数输入至压电发电片仿真模块中。
能量存储部分包括锂电池仿真模块，超级电容仿真模块。
锂电池仿真模块采用Rint(纯内阻型)模型对锂电池进行建模，将锂电池等效为由一电压源与电池内阻串联组成。电压源的开路电压与锂电池荷电状态(SOC)、环境温度、电池充放电状态相关，通过实验进行测定。另外，锂电池仿真模块包括了锂电池容量损耗模型，锂电池容量损耗速率主要与环境温度、充放电累计电量以及充放电倍率相关，具体模型类型及模型参数可以通过实验进行确定。
超级电容仿真模块同样采用等效电路实现，将其等效为电容与电阻串并联组成，通过充放电实验对等效电路参数进行标定。
能量管理模块集成了多种不同的能量管理方法，可以根据实际情况在仿真时选择相应的能量管理方法，这些能量管理方法包括：超级电容优先法，电压控制法，改进并联法，基于规则法。
超级电容优先法，只要超级电容电压没有超出电压限制范围，就由超级电容来承担能量需求；
电压控制法，能量管理模块通过判断超级电容与锂电池的电压高低来决定由谁来承担能量需求；
改进并联法，能量管理模块综合判断超级电容与锂电池的电压高低以及环境能量收集情况来决定由谁来承担能量需求，本发明给出一种改进并联法的算法流程如图5所示。定义系统功率需求如下：
Figure BDA0001944607180000071
其中，Psensor表示无线传感节点所需功率，Psolar表示太阳能电池收集到的功率，Ppiezo表示压电发电机收集到的功率，η1、η2，η3表示相应DC/DC模块效率。PSC、PBat分别表示超级电容及锂电池承担功率，大于0表示放电，小于0表示充电。
在系统需要充电情况下，即Pdemand<0时，超级电容电压可以比锂电池电压高0.3V；系统放电时，即Pdemand>0，如果环境能量采集模块有一定的带载能力，超级电容可以放电至电压比锂电池电压低0.9V，如果环境能量非常微弱，那么超级电容和锂电池将处于简单并联状态，电压较高者优先放电。
基于规则法，能量管理模块根据一些事先制定的规则来决定功率分配情况，本发明给出一种基于规则法的算法流程如图6所示。在环境能量不足，且超级电容电量较少时，锂电池就会输出一定功率Pch给超级电容充电。此外，系统的功率需求分配方法与超级电容优先法一致。在充电情况下，即Pdemand<0时，只要超级电容没有充满，就由超级电容吸收所有充电功率。在放电情况下，即Pdemand>0，只要超级电容电压高于最低电压限制，超级电容就会承担所有功率输出。
复合微能源系统的仿真流程如图7所示，具体步骤如下：
(1)对系统参数及各模块参数进行初始化；
(2)定义一个复合微能源系统对象；
(3)判断系统状态是否正常，若是进入下一步，否则结束；
(4)进行事件发生仿真；
(5)进行环境参数仿真；
(6)计算系统功率需求；
(7)进行储能模块能量管理；
(8)更新系统状态，返回步骤(3)。
根据上述仿真流程即可得到各模块设计参数是否满足系统要求，并仿真得出系统寿命，进而对各模块参数及能量管理方法进行设计和优化。

Claims (2)

1.一种复合微能源系统的仿真优化平台，所述复合微能源系统的仿真优化平台由复合微能源系统分别连接环境仿真模块和事件仿真模块组成，其特征在于，复合微能源系统由能量管理模块分别连接能量收集部分、能量存储部分及无线传感节点构成；所述事件仿真模块与无线传感节点连接，环境仿真模块与能量收集部分连接；采用通用的面向对象编程方法，将各模块封装在各个不同的类中;其中各个不同的类有：太阳能电池、压电发电片、锂电池、超级电容、无线传感节点及复合微能源系统；
所述环境仿真模块，用来仿真影响能量收集部分输出功率的环境参数变化情况；
所述事件仿真模块，用来仿真无线传感节点的敏感事件发生情况；
所述无线传感节点仿真模块，用来仿真不同工作模式下，无线传感节点的功耗变化情况；
所述能量收集部分，用来仿真外部环境变化时，复合微能源系统收集到的电能变化情况；能量收集部分包括太阳能电池仿真模块及压电发电片仿真模块；太阳能电池仿真模块，用来仿真外界光照强度环境条件变化时，在特定设计参数下太阳能电池的输出功率变化情况，从而指导太阳能电池的参数设计；压电发电片仿真模块，用来仿真外界环境风速变化时，在特定设计参数下压电发电片的输出功率变化情况，从而指导压电发单片的参数设计；
所述能量存储部分包括：锂电池仿真模块和超级电容仿真模块；锂电池仿真模块用来仿真有功率输入输出时，锂电池瞬时参数变化情况，包括输出电压、输出电流、剩余电量SOC和容量损耗；锂电池的容量损耗情况决定了其使用寿命；超级电容仿真模块，用来仿真有功率输入输出时，超级电容瞬时参数变化情况，包括输出电压、输出电流和剩余电量SOC；在特定设计参数下能量收集部分和能量存储部分能够根据实际系统设计情况对上述模块进行增添、删减或修改；
所述能量管理模块，用来仿真复合微能源系统运行时，在不同能量管理方法指导下，复合微能源系统内部各模块之间的能量流动情况与功率分配关系。
2.根据权利要求1所述一种复合微能源系统的仿真优化平台，其特征在于，所述能量管理模块集成了多种能量管理方法，根据实际系统设计情况增加或修改相应的能量管理方法；在仿真时，根据实际情况选择相应的能量管理方法；这些能量管理方法包括：
超级电容优先法，只要超级电容没有超出电压限制范围，就由超级电容来承担能量需求；
电压控制法，能量管理模块通过判断超级电容与锂电池的电压高低来决定由谁来承担能量需求；
改进并联法，能量管理模块综合判断超级电容与锂电池的电压高低以及环境能量收集情况来决定由谁来承担能量需求。
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