CN113131459A - 多源环境微能量后级融合收集方法 - Google Patents
多源环境微能量后级融合收集方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113131459A CN113131459A CN202110425083.9A CN202110425083A CN113131459A CN 113131459 A CN113131459 A CN 113131459A CN 202110425083 A CN202110425083 A CN 202110425083A CN 113131459 A CN113131459 A CN 113131459A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- energy
- fusion
- input
- micro
- module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000004927 fusion Effects 0.000 title claims abstract description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000007500 overflow downdraw method Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000003631 expected effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
- H02J1/10—Parallel operation of dc sources
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
- H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
Abstract
本发明涉及一种多源环境微能量后级融合收集方法，属于能量融合领域。不同类型的微能量根据能量的输入特性，分别进入相匹配的能量调理电路，进行输入能量的预处理；在调理完成之后，进入最大功率提取模块，根据每路能量的特性，进行动态阻抗匹配；电源管理及能量缓存模块进行环境微能量的暂存处理，并将输入给后端的电压调整为同一水平；通过后端能量融合模块进行融合及稳压处理，并在输出侧接入一个储能用超级电容器，为后端负载供能。本发明的多源环境能量后端缓存融合装置能有效弥补传统能量融合技术能量综合收集利用效率低的缺陷，使得多源环境能量收集兼具高效性和可靠性，保障智能传感器稳定、可靠运行。
Description
技术领域
本发明属于能量融合领域，涉及多源环境微能量后级融合收集方法。
背景技术
智能传感器是电力物联网的重要组成部分，传感器的电源是保障其稳定、可靠运行的关键。但是，由于智能传感器的功率大、能耗高，加之传统电气设备在线监测方法复杂、监测参量多，使得分布式传感器在部分节点的供电问题日益凸显。针对单一的环境取能方式无法可靠的实现能量自给的问题，国内外学者及研究人员提出了环境能量融合取能技术。
传统能量融合技术，即不考虑不同微能量源输入大小及输入阻抗等输入特性的不同，直接通过简单的整流滤波等调理电路处理后便在前端进行能量融合，附图1是新加坡国立大学的Yen Kheng Tan等依据传统能量融合技术设计的多源环境能量收集电路，通过在入口处以串联二极管的方式对温差能量、光伏能量进行前端融合，融合后的能量直接送入升压及能量管理存储模块。这种融合方式的优点是其逻辑简单，不需要附加复杂的外围控制电路。但由于其只是将各种能量在电路前端进行简单的融合，若微能量输入源之间的输入特性存在较大的差异，如输入电压、电流、时间特性等相差过大，则极有可能出现能量回流、输入能量因二极管反向截止不能被及时提取等问题，这样不仅不能实现对外界环境微能量的最大功率提取，甚至会加速取能器件的老化。这就意味着在选取输入源时只能选择输入特性相近甚至是同一输入源，这极大的限制了对环境微能量的有效获取和利用，无法从根本上解决对智能传感器供电不稳定的难题。因此，亟需一种支持多源环境能量接入的复合能量收集方法，实现多源环境能量复合收集、高效利用、协同控制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多源环境微能量后级融合收集方法，基于能量管理芯片，实现对太阳能、小电流、温差等环境微能量的高效可靠利用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
多源环境微能量后级融合收集方法，该方法为：
不同类型的微能量根据能量的输入特性，分别进入相匹配的能量调理电路，进行输入能量的预处理；
在调理完成之后，进入最大功率提取模块，根据每路能量的特性，进行动态阻抗匹配，完成输入能量的最大功率提取，使输入能量能最大限度的进入到能量存储及后级融合模块中；
电源管理及能量缓存模块进行环境微能量的暂存处理，并将输入给后端的电压调整为同一水平，防止出现电流倒灌的情形，降低融合能量损耗；
通过前端的电源管理及能量缓存模块后，不同的微能量源已被调理为相同输出特性的能量，等效成理想恒压源的并联，通过后端能量融合模块进行融合及稳压处理，并在输出侧接入一个储能用超级电容器，为后端负载供能。
可选的，所述输入特性包括电流、电压和输入阻抗。
可选的，所述能量后级融合的表达式为：
其中，ηin1、ηin2分别为不同能量源输入调理效率，ηstroage为存储模块充放电总效率，ηfusion为后端能量融合效率，ηout为稳压输出效率，Pin1和Pin2为两路不同的能量源。将不同的能量通过特定的调理电路分开处理，通过阻抗匹配的方式进行最大功率提取，ηin1、ηin2为实际输入调理模块能量的90％以上。ηfusion为后端能量融合效率。
本发明的有益效果在于：本发明的多源环境能量后端缓存融合装置能有效弥补传统能量融合技术能量综合收集利用效率低的缺陷，使得多源环境能量收集兼具高效性和可靠性，保障智能传感器稳定、可靠运行。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为传统环境能量融合电路架构图；
图2为本发明环境能量后级融合总体架构框图；
图3为复合环境能量后级融合输入输出波形图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，为一种环境微能量后级融合技术采用能量收集芯片+外围控制电路的方式进行设计。不同类型的微能量根据其能量输入特性(电流、电压、输入阻抗等)的不同，分别进入与其特性相匹配的能量调理电路进行输入能量的预处理；在调理完成之后，进入最大功率提取模块，根据每路能量的特性，进行动态阻抗匹配，完成输入能量的最大功率提取，使输入能量能最大限度的进入到能量存储及后级融合模块中；电源管理及能量缓存模块主要负责环境微能量的暂存处理，并将输入给后端的电压调整为同一水平，防止出现电流倒灌的情形，有效降低融合能量损耗；通过前端的能量调理及缓存模块后，不同的微能量源已被调理为相同输出特性的能量，能近似等效成理想恒压源的并联，通过后端能量融合模块进行融合及稳压处理，并在输出侧接入一个储能用超级电容器，便能为后端负载稳定可靠供能。环境微能量后级融合总体架构框图如附图2所示。
其中，Pin1、Pin2、Pin3等为不同特性的微环境能量源(如光伏、温差、压电等)。针对不同类型的能量，输入能量调理模块及对应的最大功率提取模块也会有所不同。C2为储能用超级电容器，用于将每路不同的能量暂时缓存下来，以便经过调理后输出相同特性的能量，并通过缓存的方式将微环境能量前端收集模块跟能量后级融合模块隔离开，使得在进行后级融合时还能有效收集前端能量。超级电容器的容量由前端能量源输入特性及后端负载对能量的需求约束等条件共同确定。
在后端经过能量融合后，并接一个超级电容器C1，C1的作用为将融合后的能量进行适当缓存，以便在前端环境能量供给不足时能维持负载正常工作一段时间，使其能及时存储数据及上传电量不足警报。为不影响供能模块对后端负载的响应灵敏度，在考虑到负载功耗的基础上，C1的容量将设置为满足后端短时供能需求下的最小值。
传统能量融合方式最大的问题是前端能量融合时容易因输入特性不匹配造成电流反向截止、能量同时采集要求苛刻等问题。这就使得能量融合效率很低，就算对单一能量实现了最大功率提取，也会因为能量融合模块损失相当一部分能量。传统能量融合方式的能量融合效率总体表达式如下。
其中，ηin为前端融合效率，ηstroage为存储模块充放电总效率，ηout为稳压输出效率，Pin1和Pin2为两路不同的能量源。ηstroage和ηout可由改善器件材料和控制电路来有效提升，在理想情况下均可达到90％以上。ηin由于传统融合方法不可避免的缺陷，若能量输入源特性相差很大或前端取能器件工作状态不同，常会出现只有一路能量输入的情况，加之调理电路固有的能量损耗，ηin大多数情况下都低于50％。计算得出总效率η大多在40％以下。
本发明提出的环境微能量后级融合方式有效避免了这一缺陷。能量后级融合方式的能量融合总体表达式如下。
其中，ηin1、ηin2分别为不同能量源输入调理效率，ηstroage为存储模块充放电总效率，ηfusion为后端能量融合效率，ηout为稳压输出效率，Pin1和Pin2为两路不同的能量源。由于将不同的能量通过特定的调理电路分开处理，使其都可以通过阻抗匹配的方式进行最大功率提取，ηin1、ηin2可为实际输入调理模块能量的90％以上。ηfusion为后端能量融合效率。因经调理后各路能量输出特性都保持一致，将有效避免能量截止、电流环流等情况，效率将在80％以上。ηstroage和ηout和传统融合方法一致，都能达到90％以上。经过计算，后端能量融合的总效率将在60％以上。
为验证在实际融合中是否能取得同样理想的融合效果，本发明进行了微环境能量后级融合现场测试。为体现出对不同输入能量特性能量源的融合效果，能量源Pin1、Pin2分别为6mA恒流源及2V恒压源；为让结果显示的更加直观，超级电容器C2的值将被设置为0，融合后端超级电容器C1的值被设置为0.22F。下图为得出的复合环境能量后级融合波形图。
由上图可以看出，当前端能量源接入后，经过能量调理及最大功率提取，能量便能稳定可靠的持续向后端能量融合模块输出。在经过后端能量融合模块后，输出的能量便进入到超级电容器C1中，图中红色波形所代表的C1电压值也随着能量的持续供给而稳步提升。经过约4min40s的时间，超级电容器C1的值便由0V充至5V。
微能量后级融合装置的能量收集整体效率表达式如下：
其中，输入能量的表达式为：
Win＝Uin1Iin1tin1+Uin2Iin2tin2+Uin3Iin3tin3+…+UinmIinmtinm
实际能从储能模块供给后端的能量为：
为验证微能量后级融合收集技术在实际运用中能否取得预期的效果，我们使用两种能量输入特性相差很大，即将一个电流源、一个电压源同时接入融合的方式进行现场模拟测试。
输入的总能量为：
Win＝Uin1Iin1tin1+Uin2Iin2tin2＝2*0.006*280+2*0.002*280＝4.48J
可以供给后端的总能量为：
则输入能量转换总效率为：
经过输入能量调理模块、最大功率提取模块、环境能量后级融合模块后，能有效供给后端的能量达到了总输入能量的61.4％，在后端储能模块总容量为0.22F的情况下，将储能模块能量冲至饱和所需时间为4min40s；而传统能量融合方式下，由于会受到能量源输入特性不同的影响，输入能量转换总效率一般为20％-45％。证明环境微能量后级融合方式能有效提高能量转换率、能量有效收集率，并通过提高对后端负载响应灵敏度，进一步提高环境微能量的综合利用效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.多源环境微能量后级融合收集方法，其特征在于：该方法为：
不同类型的微能量根据能量的输入特性，分别进入相匹配的能量调理电路，进行输入能量的预处理；
在调理完成之后，进入最大功率提取模块，根据每路能量的特性，进行动态阻抗匹配，完成输入能量的最大功率提取，使输入能量能最大限度的进入到能量存储及后级融合模块中；
电源管理及能量缓存模块进行环境微能量的暂存处理，并将输入给后端的电压调整为同一水平，防止出现电流倒灌的情形，降低融合能量损耗；
通过前端的电源管理及能量缓存模块后，不同的微能量源已被调理为相同输出特性的能量，等效成理想恒压源的并联，通过后端能量融合模块进行融合及稳压处理，并在输出侧接入一个储能用超级电容器，为后端负载供能。
2.根据权利要求1所述的多源环境微能量后级融合收集方法，其特征在于：所述输入特性包括电流、电压和输入阻抗。
3.根据权利要求1所述的多源环境微能量后级融合收集方法，其特征在于：所述能量后级融合的表达式为：
其中，ηin1、ηin2分别为不同能量源输入调理效率，ηstroage为存储模块充放电总效率,ηfusion为后端能量融合效率，ηout为稳压输出效率，Pin1和Pin2为两路不同的能量源；将不同的能量通过特定的调理电路分开处理，通过阻抗匹配的方式进行最大功率提取，ηin1、ηin2为实际输入调理模块能量的90％以上；ηfusion为后端能量融合效率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110425083.9A CN113131459A (zh) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 多源环境微能量后级融合收集方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110425083.9A CN113131459A (zh) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 多源环境微能量后级融合收集方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113131459A true CN113131459A (zh) | 2021-07-16 |
Family
ID=76778022
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110425083.9A Pending CN113131459A (zh) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 多源环境微能量后级融合收集方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113131459A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108448746A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-24 | 上海空间电源研究所 | 微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法 |
| CN109379019A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-02-22 | 浙江工业大学 | 一种高压架空线下的混合能源采集存储系统 |
| CN109617210A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-04-12 | 清华大学 | 一种适用于小型负载的复合微能源系统及其能量管理方法 |
| CN111435794A (zh) * | 2019-01-14 | 2020-07-21 | 重庆大学 | 一种多源微能量采集器的电源融合储能装置及方法 |
| CN111641230A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-09-08 | 郑州参宿物联技术有限公司 | 基于自然能量采集的全天候供电系统 |
-
2021
- 2021-04-20 CN CN202110425083.9A patent/CN113131459A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108448746A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-24 | 上海空间电源研究所 | 微波输能系统的微能量采集及最大功率输出装置及方法 |
| CN109379019A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-02-22 | 浙江工业大学 | 一种高压架空线下的混合能源采集存储系统 |
| CN109617210A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-04-12 | 清华大学 | 一种适用于小型负载的复合微能源系统及其能量管理方法 |
| CN111435794A (zh) * | 2019-01-14 | 2020-07-21 | 重庆大学 | 一种多源微能量采集器的电源融合储能装置及方法 |
| CN111641230A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-09-08 | 郑州参宿物联技术有限公司 | 基于自然能量采集的全天候供电系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI394349B (zh) | 太陽能集電電源管理系統 | |
| Wang et al. | Storage-less and converter-less photovoltaic energy harvesting with maximum power point tracking for internet of things | |
| CN104348246B (zh) | 电力控制装置、电力控制方法和馈电系统 | |
| CN102163067B (zh) | 太阳能最大功率跟踪方法及太阳能充电装置 | |
| US8410750B2 (en) | Method for solar power energy management with intelligent selection of operating modes | |
| CN109494793B (zh) | 一种基于锂电容的兼顾一次调频的光伏分级储能系统 | |
| CN108347165A (zh) | 一种改进的变步长扰动法mppt控制装置、方法与应用系统 | |
| CN109066847A (zh) | 一种光伏发电充放电控制电路 | |
| CN107895997B (zh) | 一种多能源复合供电的能源系统 | |
| CN101902173B (zh) | 太阳能充电系统、最大功率点跟踪装置及其取电模块 | |
| CN108899987B (zh) | 一种具有mppt功能的太阳能充电控制电路 | |
| CN105703490A (zh) | 一种微型能量捕获装置及其捕获方法 | |
| CN113131459A (zh) | 多源环境微能量后级融合收集方法 | |
| CN109412255A (zh) | 一种低损耗高可靠性的双路电源切换电路 | |
| CN104880604B (zh) | 电能表供电电路以及使用该电路的电能表 | |
| CN111585322A (zh) | 基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电mppt装置 | |
| CN203707806U (zh) | 一种故障可追溯性风光互补电源 | |
| CN113783318B (zh) | 适用于光纤传能的能量管理存储系统 | |
| US20150112495A1 (en) | Apparatus and method for extracting maximum power from energy harvester apparatus | |
| CN112366938B (zh) | 一种多源能量收集系统及其控制方法 | |
| CN111985781B (zh) | 一种基于反向协同调控的多能互补微电网系统及其方法 | |
| CN201656795U (zh) | 一种阻容降压装置 | |
| CN206865207U (zh) | 一种基于毫微能量收集芯片的车位锁供电系统 | |
| Tao et al. | Research on efficient soft switching based on MPPT of PV power generation system | |
| CN103236728B (zh) | 一种太阳能供电控制系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210716 |