太阳能收集复合微能源系统及实现超级电容充电控制方法技术方案

本发明专利技术公开了属于新能源复合技术领域的一种太阳能收集复合微能源系统及实现超级电容充电控制方法，该复合微能源系统由太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池、超级电容充电器、超级电容、输出调节电路和控制器组成；其中太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池和控制器串联组成回路，超级电容充电器分别连接太阳能收集电路、控制器和超级电容，组成太阳能收集复合微能源系统；该系统的超级电容通过输出调节电路该无线传感节点供电。本系统采用了锂电池和超级电容复合储能，可以同时实现较大的储能容量和较高的功率输出。可以为无线传感节点长期提供能源。并且可以适应不同的负载情况，使得锂电池容量慢速衰减，长寿命。

Solar energy collection composite micro energy system and the control method of super capacitor charging

【技术实现步骤摘要】
太阳能收集复合微能源系统及实现超级电容充电控制方法
本专利技术属于新能源复合
，特别涉及一种太阳能收集复合微能源系统及实现超级电容充电控制方法。
技术介绍
随着电子技术和物联网技术的发展，无线传感网络技术在现实中的应用越来越普遍。据估计，在2020年全球将会有超过一百亿个物联网节点和设备。其中，无线传感网节点占据了物联网节点中的一大部分。无线传感网节点具有传感、处理和通信功能，需要消耗大量电能，供能问题是限制无线传感节点技术发展的重要瓶颈。传统无线传感节点的供电方法是采用一次性电池。但由于节点体积有限，采用一次性电池供电无法为节点长期提供电能。而由于节点的数量庞大，且很多分布在人类难以到达的位置，人工为节点更换电池是不现实的。因此，近年来，出现了采用环境能量收集技术来为无线传感节点供能的新方法。其中，太阳能由于能量密度大、分布广泛，且技术比较成熟，成为无线传感节点供电问题的重要解决手段。由于太阳能收集受到天气因素的影响，能量来源不稳定，为了保证节点地持续可靠工作，需要能量储存器件在太阳能充足时将多余能量储存起来，在太阳能不足的情况下为节点供能。常用的能量储存器件主要有以锂电池等化学电池为代表的能量型储能器件，以及以超级电容为代表的功率型储能器件。锂电池这类器件具有能量密度高，但是功率密度小，在大功率放电时容量会急速衰减的特点。而超级电容虽然功率密度高，寿命长，但是其能量密度较低，单位体积下能够储能的能量很少。现有的环境能量收集无线传感网节点大多只使用了一种能量储存器件，使得系统的储能能力或者功率输出能力不足。专利CN101894988A公开了一种MEMS复合微能源系统电源，使用太阳能电池和微型燃料电池作为能量来源，但是仅使用了超级电容一种可充电储能器件，在微型燃料电池耗尽时，系统的储能密度非常有限。专利CN103096437B公开了一种物联网微能源自采集MEMS传感预储存系统，能够收集太阳能和环境振动能，但是其仅使用了薄膜锂电子电池作为储能器件，功率输出能力较低，在承担较大功率输出时会使得锂电池的寿命迅速衰减。为了使得系统同时具有较大的储能密度和功率输出能力，已有部分无线传感网节点采用了锂电池和电容的复合储能方式。但是关于锂电池和电容在系统当中如何连接，以及如何对锂电池和电容的能量分配情况进行管理，目前的研究和方案还比较少。而锂电池和超级电容的构型以及能量分配方法决定了复合储能的有效性，进而决定了锂电池的寿命和系统寿命。专利CN108418252A公开了一种无线传感器的混合能量收集装置和运行方法，收集太阳能和风能储存于储能电容和锂电池中，但是该方案对于储能电容与锂电池的连接方式，以及能量分配方法都没有进行详细介绍。专利CN109617210A公开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，采用了超级电容和锂电池储存能量，但是该能量管理方法具有较高的硬件实施成本。如何设计复合微能源系统中超级电容和锂电池的构型方式以及能量分配方法，对于发挥不同储能器件的优势，防止锂电池过快的容量损耗进而提高系统寿命，具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出太阳能收集复合微能源系统及实现超级电容充电控制方法，其特征在于，所述太阳能收集复合微能源系统由太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池、超级电容充电器、超级电容、输出调节电路和控制器组成；其中太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池和控制器串联组成回路，超级电容充电器分别连接太阳能收集电路、控制器和超级电容，组成太阳能收集复合微能源系统；该系统的超级电容通过输出调节电路该无线传感节点供电。所述太阳能电池采用硅基太阳能电池或者砷化镓太阳能电池；所述锂电池为可充电锂离子电池。所述太阳能收集电路采用ADP5090升压调节器担任，将太阳能电池输出电压转化为锂电池电压，对锂电池进行充电，同时还可以为超级电容充电器供能。所述电池保护电路连接在太阳能收集电路和锂电池之间，可以对锂电池的充放电进行限流保护，防止过大的充放电电流造成锂电池损耗。所述超级电容充电器由LTC3335升降压调节芯片担任；将太阳能收集电路的输出电压转化为超级电容电压，为超级电容充电；该超级电容充电器采用的是H桥式同步升降压变换器结构。超级电容充电器可以设置充电功率以及超级电容充电电压。所述超级电容为双电层电容，为输出调节电路供能。所述输出调节电路为直流稳压电路，将超级电容电压转化为稳定的无线传感节点供电电压。所述控制器采用STM32L011F3U6，是一款超低功耗的32位微控制单元，可以感知当前的系统状态，并根据当前系统状态对超级电容充电器的充电电流和充电电压进行设置；通过锂电池电压和LTC3335电量统计值可以计算出负载的平均功耗。根据这些信息，该微控制单元结合LTC3335对超级电容的充电情况进行控制，从而管理系统的能量流动。所述太阳能收集复合微能源系统实现超级电容充电控制方法的具体步骤如下：1)根据太阳能电池的输出电压判断当前的太阳能收集功率大小；2)根据当前太阳能收集功率大小设置超级电容的充电电压Vset；3)计算在过去一段时间内的负载平均功耗Pav；4)根据负载平均功耗设置超级电容充电器的充电峰值电流使得充电功率不低于kPav(k≥1)；5)判断超级电容电压是否达到设定充电电压Vset，若是则转到步骤6)，否则到步骤7)；6)停止为超级电容充电，返回步骤1)；7)以设置的充电峰值电流为超级电容充电，返回步骤1)。本专利技术的有益效果是采用了超级电容和锂电池复合储能，使得系统同时具有较高的能量密度和功率密度。对系统的组成构型进行了优化设计，使得锂电池不直接承担负载功率，并提出了相应的能量控制方法，从而避免了锂电池快速容量损耗，延长系统寿命。与现有技术相比，本太阳能收集复合微能源系统具有如下优点：(1)使用太阳能电池收集环境能量，并储存在锂电池和超级电容中，使得系统同时具有较强的储能能力和功率输出能力，保证了系统可以为瞬时功率较高的无线传感网节点等负载长期稳定供能；(2)采用了一种特殊的系统构型，使得负载功耗由超级电容提供，锂电池不直接提供负载功耗，有限地保护了锂电池，延缓了锂电池的容量损耗，延长了系统寿命。(3)采用了一种可自适应调整的超级电容充电控制算法，可以适应不同大小的负载以及负载一直变化的场景，在保证正常供电的同时尽可能减小锂电池的容量损耗。(4)本专利技术的结构简单，控制方法易于实施，系统自身功耗低，易于推广应用。附图说明图1为太阳能收集复合微能源系统结构示意图。图2为太阳能收集复合微能源系统的超级电容充电控制方法流程图。图3为实施例提供的太阳能收集单元电路图。图4为实施例提供的超级电容充电电路图。图5为实施例提供的输出调节电路图。具体实施方式本专利技术提出一种太阳能收集复合微能源系统及实现超级电容充电控制方法，下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能收集复合微能源系统，其特征在于，所述太阳能收集复合微能源系统由太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池、超级电容充电器、超级电容、输出调节电路和控制器组成；其中太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池和控制器串联组成回路，超级电容充电器分别连接太阳能收集电路、控制器和超级电容，组成太阳能收集复合微能源系统；该系统的超级电容通过输出调节电路该无线传感节点供电。/n

【技术特征摘要】
1.一种太阳能收集复合微能源系统，其特征在于，所述太阳能收集复合微能源系统由太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池、超级电容充电器、超级电容、输出调节电路和控制器组成；其中太阳能电池、太阳能收集电路、电池保护电路、锂电池和控制器串联组成回路，超级电容充电器分别连接太阳能收集电路、控制器和超级电容，组成太阳能收集复合微能源系统；该系统的超级电容通过输出调节电路该无线传感节点供电。


2.根据权利要求1所述一种太阳能收集复合微能源系统，其特征在于，所述太阳能电池采用硅基太阳能电池或者砷化镓太阳能电池；所述锂电池为可充电锂离子电池。


3.根据权利要求1所述一种太阳能收集复合微能源系统，其特征在于，所述太阳能收集电路采用ADP5090升压调节器担任，将太阳能电池输出电压转化为锂电池电压，对锂电池进行充电，同时还可以为超级电容充电器供能。


4.根据权利要求1所述一种太阳能收集复合微能源系统，其特征在于，所述电池保护电路连接在太阳能收集电路和锂电池之间，可以对锂电池的充放电进行限流保护，防止过大的充放电电流造成锂电池损耗。


5.根据权利要求1所述一种太阳能收集复合微能源系统，其特征在于，所述超级电容充电器由LTC3335升降压调节芯片担任；将太阳能收集电路的输出电压转化为超级电容电压，为超级电容充电；该超级电容充电器采用的是H桥式同步升降压变换器结构。超级电容充电器可以设置充电功率以及超级电容充电电压。

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