《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于超級電容器的新型低頻能量收集系統(tǒng)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
陳 凱1，2，李洪祚2，劉雙翼1
1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714；2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春130022
摘要： 對于低頻可再生能源的收集需要考慮其比較大的內(nèi)部阻抗，不規(guī)則的斷續(xù)輸入，受環(huán)境干擾等問題。本研究采用多級反饋式穩(wěn)壓升壓技術(shù)，嵌入低功耗控制芯片算法控制對低頻輸入能量的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤(MPPT)，同時(shí)超級電容器代替鋰電池作為儲能系統(tǒng)，應(yīng)用互感耦合，從而達(dá)到高效收集、整流和輸出的效果。因此本研究設(shè)計(jì)出的收集系統(tǒng)可高效地收集低頻可再生能量，最大收集率可達(dá)91.16%，加入輸入/輸出隔離系統(tǒng)以提高帶負(fù)載能力后其總收集效率達(dá)到了53.18%。
中圖分類號： TK02
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172905
中文引用格式： 陳凱，李洪祚，劉雙翼. 基于超級電容器的新型低頻能量收集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(6)：151-154.
英文引用格式： Chen Kai，Li Hongzuo，Liu Shuangyi. Novel low-frequency energy collection system based on supercapacitors[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(6)：151-154.
Novel low-frequency energy collection system based on supercapacitors
Chen Kai1，2，Li Hongzuo1，Liu Shuangyi2
1.Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，China； 2.College of Electronic Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China
Abstract： Designing novel harvesting system is necessary for collecting low-frequency renewable energy due to their environment dependent and intermittent characteristics. A strategy is proposed of using the multilevel feedback rectifying and BOOST/BUCK circuits, low power control chip and software control algorithm to tracking maximum power of input low-frequency energy(MPPT),meanwhile, supercapacitors are used as energy storage devices to replacing the batteries. Finally , use current transformer ,consequently, high efficiency to reach the effect of energy harvest, rectify and output. The results show that the maximum collecting efficiency is 91.16%, and that is 53.18% after integrating the input/output circuits for enhancing capability of driving loads.
Key words : supercapacitor；renewable energy；energy harvesting；rectifier

0 引言

    新世紀(jì)以來，積極利用各類可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為應(yīng)對環(huán)境和能源問題的主要解決方案。然而考慮到各類可再生能源分布廣，受環(huán)境制約，其所產(chǎn)生的電能呈現(xiàn)斷續(xù)式、幅度大、頻譜廣、阻抗大等特點(diǎn)[1]。尤其是低頻耗散能量（如風(fēng)能、潮汐能和人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能）以上特點(diǎn)更為鮮明，對該類能量的收集存儲，需要更加高效的整流和耦合技術(shù)，傳統(tǒng)的能源收集存儲系統(tǒng)無法勝任。例如，目前普遍采用的基于鉛酸或鋰電池的儲存系統(tǒng)，無法高效地收集此類能量[2]。針對低頻耗散能源的特點(diǎn)，將能量收集系統(tǒng)與超級電容器模相結(jié)合，將極有可能克服新能源收集效率低的問題，高效將能量收集、儲存并轉(zhuǎn)化利用。因此，本研究采用升壓/降壓（BOOST/BUCK）電路、最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)、互感耦合以及超級電容器儲能等技術(shù)提高系統(tǒng)收集和帶負(fù)載能力。

1 能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    為減小電路壓降，電路中采用電壓降較低的低壓差線性穩(wěn)壓器、肖特基二極管和霍爾三極管元器件。設(shè)計(jì)的能量收集系統(tǒng)是用于對0～50 Hz高內(nèi)阻、斷續(xù)式的低頻可再生能源進(jìn)行收集存儲，總體設(shè)計(jì)思路分為三部分：首先，針對需解決的問題設(shè)計(jì)出總體概況圖，即針對0～50 Hz的雜散低頻能量收集，先對其進(jìn)行整流、濾波，其次利用微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)實(shí)現(xiàn)MPPT控制，使其流經(jīng)RC振蕩器將直流電能轉(zhuǎn)換成高頻交流電能后通過互感、整流電路將電能輸出，經(jīng)互感耦合，可提高帶負(fù)載能力；針對AC/DC和RC震蕩系統(tǒng)電路原理做出詳細(xì)的闡述；最后介紹了MPPT算法以及MCU總控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖。

1.1 總體設(shè)計(jì)框圖

    圖1所示為低頻可再生能源收集系統(tǒng)總框圖，主要由整流、升壓、儲能、互感電路組成。D1為肖特基整流二極管，通過C1濾波電容對輸入進(jìn)行濾波。經(jīng)AC/DC系統(tǒng)后交流電能轉(zhuǎn)為直流電能。后經(jīng)MCU程控的 BUCK/BOOST電路，調(diào)整輸入功率點(diǎn)。MPPT算法后，可以獲得最大輸入效率。低功耗MCU可應(yīng)用暫態(tài)儲能超級電容器直接供電。輸入能量轉(zhuǎn)換成直流電能后，需進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)換成高頻(500 kHz以上)交流電能，再通過互感耦合，進(jìn)行輸出阻抗匹配。圖1中Q1、C4、C5、L2、L3構(gòu)成的典型LC振蕩器，它將直流電能轉(zhuǎn)換成高頻交流電。L3、D3、C6為次級電感線圈、肖特基整流二極管和濾波電容，由于次級端L3阻抗較小(1 Ω～3 Ω)，將感應(yīng)的高頻交流電再次轉(zhuǎn)換成直流后(AC/DC)輸出內(nèi)阻較小(5 Ω～10 Ω)，可提高帶負(fù)載能力。

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1.2 振蕩系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    考慮低頻可再生能源的收集內(nèi)阻較大，如果使用LC振蕩器電路中的電感值較大，不易集成，且電磁損耗大。本系統(tǒng)應(yīng)用成本低、易集成、功耗相對較低的RC負(fù)阻振蕩器[3](震蕩頻率0～70 kHz)代替LC振蕩器。如圖2所示震蕩器主要由振蕩發(fā)生器電路和阻抗匹配電路兩部分組成[4]，選頻震蕩網(wǎng)絡(luò)通過調(diào)節(jié)R1、R2、C1、C2，并配合提高震蕩穩(wěn)定性的負(fù)反饋電路(RP、R3)來得到不同的輸出振蕩角頻率ω如式(1)所示。

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    振蕩器系統(tǒng)等效原理如圖3所示。a、b點(diǎn)為從R2、C2兩端向放大器端看去等效阻抗，要使電路滿足起振相角條件Zab須滿足式(2)，A為放大器放大倍數(shù)，而放大器A須滿足式(3)。

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1.3 AC/DC、DC/DC整流升壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    低頻可再生能源受外界的影響，如對風(fēng)能收集因風(fēng)速的不同，需要實(shí)時(shí)調(diào)整電路輸入電壓和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，即需要MPPT[5]控制。如圖4所示，電路應(yīng)用BOOST/BUCK電路代替單一的升壓或降壓電路[6]，提高調(diào)控范圍。

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    當(dāng)不規(guī)則的能量經(jīng)過整流后，通過由整流管M1、R2、R3組成的采樣反饋穩(wěn)壓電路，將交流電能整流成直流電能；經(jīng)由M2、M3、M4、M5、L1、D6、C3構(gòu)成的BUCK/BOOST電路調(diào)整輸出；根據(jù)MPPT算法，通過MCU控制MOS管M3和M4的通斷升壓或降壓，M3導(dǎo)通M4截止時(shí)為升壓，M4導(dǎo)通M3截止時(shí)為降壓；采用登山法或叫干擾觀測法，給系統(tǒng)一個(gè)突變電壓ΔU通過MCU檢測實(shí)時(shí)功率，實(shí)現(xiàn)MPPT控制。以風(fēng)能 MPPT流程圖為例說明控制原理，如圖5所示。發(fā)電系統(tǒng)通過FPGA芯片反饋采樣，根據(jù)MPPT算法，通過控制PWM波的脈沖寬度調(diào)整BOOST/BUCK電路和風(fēng)力控制系統(tǒng)，從而為負(fù)載提供最大輸出功率。

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1.4 MPPT和能量收集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)因負(fù)載和外界干擾等因素影響需嵌入MCU控制，其主要針對MPPT、阻抗匹配、系統(tǒng)監(jiān)控和超級電容器充放電控制提高整體穩(wěn)定性。圖6所示，系統(tǒng)對輸入、阻抗等參數(shù)進(jìn)行采樣檢測，設(shè)定供電方式，直接供電時(shí)通過檢測輸入?yún)?shù)進(jìn)行MPPT；接負(fù)載后進(jìn)行阻抗匹配。圖7為MPPT算法流程圖，控制系統(tǒng)對電路施加串?dāng)_ΔU，比較時(shí)間t和t+1時(shí)刻采樣值，若差值Dp=0，則保持當(dāng)前值；若Dp>0或Dp<0則根據(jù)Dp對串?dāng)_電壓ΔU適當(dāng)增加或者減小。

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2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

    實(shí)驗(yàn)通過收集低頻機(jī)械能檢測系統(tǒng)總輸出性能，再經(jīng)信號發(fā)生器模擬低頻可再生能源波形檢測總系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。

2.1 整流、升壓以及震蕩系統(tǒng)輸出

    傳統(tǒng)能量收集電路主要針對斷續(xù)性的能量進(jìn)行收集，并且以犧牲轉(zhuǎn)化效率為代價(jià)提高整流波形。圖8所示研究中輸入端內(nèi)阻為50 Ω，輸入電壓最大幅值為14.2 V。通過系統(tǒng)整流輸出端負(fù)載內(nèi)阻10 Ω，端電壓5 V；紋波±300 mV，紋波電壓抑制比0.04。提高了低頻能量收集范圍和能量收集效率，同時(shí)經(jīng)過耦合隔離后提高了輸出端的帶負(fù)載能力，且輸出端滿足耦合后直流輸出效果。

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2.2 整流模塊轉(zhuǎn)化效率以及系統(tǒng)總輸出效率

    因系統(tǒng)未介入其他輸入，收集的雜散電能經(jīng)AC/DC、DC/DC系統(tǒng)整流所轉(zhuǎn)化的效率ηab即為系統(tǒng)整流后的直流輸出總效率。如式(4)所示：

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    其中，VOUT為整流后斷路電壓，IOUT為整流后短路電流，vin(t)為信號源斷路電壓瞬時(shí)絕對值，iin(t)為信號源短路電流絕對值，T為信號周期。

    圖9所示為50 Hz不同幅值正弦波輸入下的AC/DC整流效率以及系統(tǒng)輸出總效率。首先分析整流系統(tǒng)曲線，整流系統(tǒng)在6.5 V處轉(zhuǎn)化效率成線性上升，在8 V處轉(zhuǎn)化效率達(dá)到約80%，隨電壓繼續(xù)上升，效率漲幅不大，逐漸趨于穩(wěn)定值，在輸入幅值為10 V處系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值，最大轉(zhuǎn)化效率可達(dá)91.16%?？芍撓到y(tǒng)適用于幅值8 V以上的交流能量源進(jìn)行高效的收集；總系統(tǒng)在5 V處出現(xiàn)上升趨勢，隨電壓繼續(xù)上升在6.5 V左右效率增長幅度增大，當(dāng)電壓達(dá)到8.5 V以后，效率漲幅變緩，逐漸趨于穩(wěn)定值。在輸入幅值為10 V處系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值，最大轉(zhuǎn)化效率可達(dá)53.18%，由于加入耦合系統(tǒng)，總系統(tǒng)效率下降，但總系統(tǒng)可收集能量輸入電壓閾值降至5 V，并且曲線平緩，提高了系統(tǒng)能量收集穩(wěn)定性。

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3 結(jié)論

    針對提高低頻可再生能源（人體動(dòng)能，低頻機(jī)械能、風(fēng)能、潮汐能等）的能量收集效率的問題，收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案包括了AC/DC、DC/DC震蕩耦合系統(tǒng)，超級電容器儲能系統(tǒng)和MPPT控制系統(tǒng)，其中以內(nèi)阻為10 Ω、最大電壓14.2 V的頻率0-50 Hz的隨機(jī)信號源作為收集的能源。對于0～50 Hz斷續(xù)的低頻能量，整流紋波控制在5%以內(nèi)，能量收集效率和帶負(fù)載能力明顯提高，例如：傳統(tǒng)動(dòng)能能量收集系統(tǒng)中，針對人體動(dòng)能能量收集的效率為68%左右，而本設(shè)計(jì)低頻可再生能源收集系統(tǒng)針對人體動(dòng)能能量收集，最大收集效率可達(dá)到91.16%;加入輸入/輸出耦合系統(tǒng)用來提高帶負(fù)載能力的基礎(chǔ)后，總系統(tǒng)能量收集最大總效率可達(dá)53.18%，下一步將深入研究如何輸入/輸出耦合系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。改進(jìn)MPPT算法控制，提高能量收集效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)可對0～4.5 Hz斷續(xù)交流能量高效的收集。同時(shí)采用振蕩器耦合的方式提高帶負(fù)載能力，進(jìn)一步提高了能量收集效率。接下來將針對AD/DC系統(tǒng)的總體電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，以降低能量收集電路的收集電壓閾值，同時(shí)提高電路的轉(zhuǎn)化效率；更改RC振蕩系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高震蕩頻率減小紋波率，提高轉(zhuǎn)化效率。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

陳  凱1，2，李洪祚2，劉雙翼1

（1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714；2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春130022）

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