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技术方案

本发明专利技术公开了属于复合微能源管理技术领域的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。该复合微能源系统由环境能量收集模块，能量管理模块和能量存储模块串联，能量管理模块再连接小型负载构成；复合微能源系统的能量管理方法是能量管理模块采集小型负载用电信息、能量收集模块发电状态以及能量存储模块储电状态信息；以此信息能量管理模块决定对能量存储模块执行充电、放电管理，合理分配能量存储模块中超级电容和锂电池的充放电功率，充分发挥锂电池储能与超级电容储能各自的优点，从而提高系统的可靠性，保证有充足的能量提供给小型负载，确保其稳定地工作。该方法简单有效，延长系统寿命。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于复合微能源管理
，特别涉及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。
技术介绍
随着微机电系统(MicroelectromechanicalSystems,MEMS)及微能源技术的飞速发展，无线传感网络(WirelessSensorNetwork,WSN)技术开始渐渐走向成熟，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。无线传感网络由大量无线传感节点组成，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。由于节点的数量庞大，分布区域广，且很多无线传感节点位于野外等偏远而人们难以抵达的区域，所以其维护比较困难，人为更换电池几乎是不可能的。因此，这就要求无线传感节点能够从环境当中获取能量。目前环境中可以采集到的能量主要有太阳能、机械能、热能、电磁能等。其中，太阳能相比于其它能量在环境中丰富程度高且收集技术成熟，成为无线传感节点的主要能量来源。由于太阳能等环境能量具有不稳定性，波动较大，因此需要储能系统在环境能量充足时将多余能量存储起来，在环境能量较微弱时供给节点使用。专利CN103259323B及CN105680548B分别公开了一种基于太阳能及其它环境能量的无线传感节点自供能装置。它们都使用超级电容作为储能装置，而超级电容能量密度较低，在体积有限的情况下，难以满足节点长时间处于阴雨或昏暗环境下的能量需求。专利CN1960117A公开了一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统，其仅采用锂电池作为能量存储单元，具有较低的循环寿命，限制了系统的使用寿命。另外，这些无线传感节点的供能系统都没有设计详细的能量管理方法，难以满足环境变化情况下节点长时间稳定工作。锂离子电池与超级电容结合的复合储能装置已经广泛应用于电动汽车等领域。锂离子电池具有能量密度高、功率密度低、循环寿命短的特点；而超级电容恰好相反，具有高功率密度、长循环寿命，但能量密度较低。两者结合的储能系统应用在无线传感节点中，可以同时满足系统的能量及功率密度需求，并具有较长的使用寿命。能量管理方法对于提高复合能源系统的能量利用效率及系统寿命有着十分重要的作用。专利CN102951144B及专利CN105151040B分别公开了基于最小功率损失算法的自调整神经网络能量管理方法及基于功率谱自学习预测的混合动力汽车能量管理方法，这两种能量管理方法都比较复杂，难以应用于无线传感节点这种本身消耗功率低、体积小的场合。专利CN104163116B公开了一种车用复合储能系统的能量管理方法，相比于前两种方法更为简单，但其方法仅适用于电动汽车，且规则仍然稍显复杂。目前能够应用于无线传感节点等小负载领域的高效复合微能源系统能量管理方法还比较少见。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了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，其特征在于，所述适用于小型负载的复合微能源系统由环境能量收集模块，能量管理模块和能量存储模块串联，能量管理模块再连接小型负载构成；其中环境能量收集模块主要包括太阳能收集模块、机械能收集模块、温差发电模块；能量存储模块主要由超级电容和锂电池复合组成；小型负载包括多个无线传感节点组成。所述复合微能源系统的能量管理方法，其特征在于，以超级电容优先的原则下，包括步骤：(1)能量管理模块采集小型负载用电信息、能量收集模块发电状态以及能量存储模块储电状态信息；(2)计算系统的功率需求Pdemand＝Pload-PEn，并判断复合微能源系统充放电状态，Pdemand＜0时，复合微能源系统处于充电状态，Pdemand＞0时，复合微能源系统处于放电状态；上式中Pload为小型负载的实时功耗需求，PEn为环境能量收集模块的输出功率；(3)根据步骤(2)的判断结果，能量管理模块执行管理操作步骤包括：步骤一，在充电状态下，只要超级电容电压没有充满VSC＜Vmax，就由超级电容吸收所有充电功率，否则由锂电池吸收充电功率；步骤二，在放电状态下，只要超级电容电压高于最低工作电压Vmin限制，即VSC＞Vmin，超级电容就会承担所有功率输出，否则由锂电池承担所有功率输出；上述VSC为超级电容的开路电压；Vmax为超级电容最高充电的满电压；Vmin为超级电容最低工作电压；步骤三，在环境能量不足且超级电容电压较小时，锂电池输出一定功率Pch给超级电容充电；步骤四，在环境能量充足、超级电容已充满、锂电池剩余电量SOC不足需要充电，此时能量管理模块将环境能量的一部分即ηPdemand作为充电功率对锂电池充电；其中，Pdemand为系统功率需求，η为充电功率系数，随着锂电池剩余电量SOC的增大而减小；充电功率系数η始终满足0≤η≤1。所述步骤(2)超级电容的最低工作电压Vmin与满电电压Vmax的比值为：1：3。所述步骤(3)环境能量不足的判断条件为能量收集模块的输出功率PEn满足PEn＜k1Pav，其中，Pav为负载的平均功耗，k1为系数,满足1/3＜k1＜1。所述步骤(3)超级电容电压较小的判断条件为VSC＜k2Vmax，系数k2与负载功耗及超级电容容量有关，满足1/3＜k2＜1。所述步骤(3)中锂电池为超级电容充电的功率Pch＝k3Pav，其中k3为系数，满足0.5≤k3≤2。所述步骤(4)判断环境能量充足的条件为能量收集模块的输出功率PEn满足PEn＞k4Pav，k4为大于1的系数。本专利技术的有益效果是本专利技术的复合微能源系统的能量管理方法简单有效，可以合理分配能量存储模块中超级电容和锂电池的充放电功率，充分发挥锂电池储能与超级电容储能各自的优点，从而提高系统的可靠性，延长锂电池循环寿命，满足系统较大的瞬时功率需求，具有长期的可靠性和稳定性。适合于为无线传感节点等小型负载供电。本专利技术具有如下特点：1.通过检测超级电容的电压来优先为超级电容充放电，减小了锂电池的充放电电量，从而延长锂电池的使用时间，进而延长复合微能源系统寿命。2.在环境能量不足且超电电量不足时，锂电池会以较小的功率为超级电容充电，保证在负载瞬时功耗较大时，超级电容有足够的电量来承担较大的功率需求，从而减小锂电池大功率放电次数，减小了大功率放电对锂电池造成的容量损耗。3.在环境能量十分充足，超级电容已充满，需由锂电池承担充电功率时，会以一定的充电功率系数为锂电池充电。充电功率系数随着锂电池SOC的增大而减小，一方面使得充电功率变得更加平缓，避免了较大的充电功率对锂电池造成的容量损耗；另一方面又保证了锂电池可以达到充满状态，避免了过高的能量损失导致系统能量不足。附图说明图1为复合微能源系统的各模块示意图。图2为实施例的充电功率系数η随锂电池SOC的变化关系图。图3为复合微能源系统能量管理方法的算法流程图。具体实施方式本专利技术提供了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，下面结合附图和实施例予以说明。图1所示为复合微能源系统的各模块示意图；图中所示的适用于小型负载的复合微能源系统由环境能量收集模块，能量管理模块和能量存储模块串联，能量管理模块再连接小型负载构成；其中环境能量收集模块主要包括太阳能收集模块、机械能收集模块、温差发电模块；能量存储模块主要由超级电容和锂电池复合组成；小型负载包括多个无线传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于小型负载的复合微能源系统，其特征在于，所述适用于小型负载的复合微能源系统由环境能量收集模块，能量管理模块和能量存储模块串联，能量管理模块再连接小型负载构成；其中环境能量收集模块主要包括太阳能收集模块、机械能收集模块、温差发电模块；能量存储模块主要由超级电容和锂电池复合组成；小型负载包括多个无线传感节点组成。

【技术特征摘要】
1.一种适用于小型负载的复合微能源系统，其特征在于，所述适用于小型负载的复合微能源系统由环境能量收集模块，能量管理模块和能量存储模块串联，能量管理模块再连接小型负载构成；其中环境能量收集模块主要包括太阳能收集模块、机械能收集模块、温差发电模块；能量存储模块主要由超级电容和锂电池复合组成；小型负载包括多个无线传感节点组成。2.一种适用于小型负载的复合微能源系统的能量管理方法，其特征在于，在以超级电容优先的原则下，包括步骤：(1)能量管理模块采集小型负载用电信息、能量收集模块发电状态以及能量存储模块储电状态信息；(2)计算复合微能源系统的功率需求Pdemand＝Pload-PEn，并判断系统充放电状态，Pdemand＜0时，复合微能源系统处于充电状态，Pdemand＞0时，复合微能源系统处于放电状态；上式中Pload为小型负载的实时功耗需求，PEn为环境能量收集模块的输出功率；(3)根据步骤(2)的判断结果，能量管理模块执行管理操作步骤包括：步骤一，在充电状态下，只要超级电容电压没有充满VSC＜Vmax，就由超级电容吸收所有充电功率，否则由锂电池吸收充电功率；步骤二，在放电状态下，只要超级电容电压高于最低工作电压Vmin限制，即VSC＞Vmin，超级电容就会承担所有功率输出，否则由锂电池承担所有功率输出；上述VSC为超级电容的开路电压；Vmax为超级电容最高充电的满电压；Vmin为超级电容最低工作电压；步骤三，在环境能量不足且超级电容电压较小时，锂电池输出一...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤政，戚南剑，王晓峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11