CN206559117U - 一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了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：太阳能电池模块包括多片通过导线连接的柔性太阳能电池组件；储能模块由多个超级电容组成；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；本实用新型的系统结构简单、携带轻便，可以有效收集太阳能，并持续为移动电子设备以及穿戴式设备提供电能，适合野外长时间无电能供给情况下的应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及可穿戴式电子设备领域，尤其涉及一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统。
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。
实用新型内容
本实用新型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。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
本实用新型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；
储能模块，与控制器相连，该模块由多个超级电容组成；
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，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；MPPC模块与 DC/DC电路并联，作为DC/DC电路的备用通路；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；串口模块与微控制器连接；驱动电路接在微控制器与DC/DC电路之间。
进一步地，本实用新型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，本实用新型的太阳能电池模块采用8片柔性太阳能电池，分别在衣服胸前布置4片，在衣服背面布置4片。
进一步地，本实用新型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。
进一步地，本实用新型的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。
进一步地，本实用新型的控制器中的DC/DC电路选用Sepic电路；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，本实用新型的控制器中的MPPC模块使用高性能同步升压型芯片LTC3105，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电路。
本实用新型产生的有益效果是：本实用新型的嵌入式可穿戴太阳能供电系统，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；本实用新型具有结构简单、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实用新型作进一步说明，附图中：
图1是系统整体框图；
图2是系统电路结构图；
图3是系统Sepic电路原理图；
图4是系统MOSFET驱动器电路图；
图5是太阳能电池电压比较电路图；
图6是太阳能电池电流比较电路图；
图7是MPPC模块电路图；
图8是超级电容均压电路。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型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；
储能模块，与控制器相连，该模块由多个超级电容组成；
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，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；MPPC模块与 DC/DC电路并联，作为DC/DC电路的备用通路；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；串口模块与微控制器连接；驱动电路接在微控制器与DC/DC电路之间。
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；所述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电路的备用通路，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。
在本实用新型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电路：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电路的备用通路，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 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。
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实用新型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；
储能模块，与控制器相连，该模块由多个超级电容组成；
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，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；MPPC模块与DC/DC电路并联，作为DC/DC电路的备用通路；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；串口模块与微控制器连接；驱动电路接在微控制器与DC/DC电路之间。
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，太阳能电池模块采用8片柔性太阳能电池，分别在衣服胸前布置4片，在衣服背面布置4片。
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，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。
5.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，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。
6.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，控制器中的DC/DC电路选用Sepic电路；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。
7.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，控制器中的MPPC模块使用高性能同步升压型芯片LTC3105，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电路。
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