一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术能有效收集太阳能，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。

【技术实现步骤摘要】
一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的控制器中的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，本专利技术的控制器中的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，本专利技术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。本专利技术提供一种权利要求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，本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨毅，刘华宜，余建华，邵璐，许俊巧，古小琴，
申请(专利权)人：国家电网公司，武汉电力职业技术学院，
类型：发明
国别省市：北京,11