多源环境微能量后级融合收集方法

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，η

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，P

在后端经过能量融合后，并接一个超级电容器C

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，η

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，η

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P

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C

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：

W

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：

W

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。