在能量收集過(guò)程中功率變化的應(yīng)對(duì)方案介紹

能量收集為需要超出電池容量限制的長(zhǎng)期運(yùn)行的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的解決方案。在個(gè)性化設(shè)計(jì)層面，工程師將能量收集視為“零功率”設(shè)計(jì)的解決方案，無(wú)需更換電池即可運(yùn)行多年。在全球范圍內(nèi)，國(guó)家政策制定者希望制定路線圖，表明對(duì)可再生能源的依賴程度越來(lái)越高。

然而，在這些微觀和宏觀層面，設(shè)計(jì)師和政策制定者面臨著應(yīng)對(duì)瞬時(shí)功率與可再生能源通過(guò)能量收集獲得的平均功率之間的顯著且通常隨機(jī)的差異的挑戰(zhàn)。實(shí)際上，由于環(huán)境來(lái)源的季節(jié)性，每日和短期的偶發(fā)變化，收獲的能量輸出可能會(huì)顯著波動(dòng)。太陽(yáng)能和風(fēng)能等熟悉的來(lái)源與季節(jié)和時(shí)間的平均值之間存在可預(yù)測(cè)的變化，并且由于零星的云層覆蓋，流體大氣現(xiàn)象和其他瞬態(tài)效應(yīng)而導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的變化。

面對(duì)這些不確定性，能量收集應(yīng)用設(shè)計(jì)人員需要預(yù)測(cè)能量波動(dòng)，并且可以通過(guò)利用制造商提供的各種設(shè)計(jì)技術(shù)和組件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，包括ADI公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated公司，精工電子公司，STMicroelectronics和德州儀器等。

優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換

無(wú)論是為電網(wǎng)供電還是為簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，環(huán)境能源的波動(dòng)都會(huì)給實(shí)現(xiàn)最佳能量轉(zhuǎn)換帶來(lái)困難。太陽(yáng)能PV板在電池的功率曲線上產(chǎn)生最佳功率輸出，稱為最大功率點(diǎn)（MPP）。理論上，太陽(yáng)能PV功率曲線表現(xiàn)出單一的MPP。然而，在實(shí)踐中，云，灰塵或通過(guò)物體的陰影會(huì)導(dǎo)致功率曲線具有多個(gè)局部最大值（圖1）。單電池PV能量收集設(shè)計(jì)面臨類似的挑戰(zhàn)，因?yàn)檎彰鞯淖兓瘜?dǎo)致MPP的相應(yīng)變化。

圖1：云陰影等外部效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光伏電池板功率輸出曲線波動(dòng)，將理想的單個(gè)最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)換為多個(gè)局部最大值 - 并且使能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜化變得復(fù)雜。 （由Linear Technology提供）

太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)依靠最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法來(lái)跟蹤MPP的變化，調(diào)整面板上的負(fù)載以維持MPP的運(yùn)行。為了簡(jiǎn)化基于MPPT的能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制造商將MPPT功能集成到專用的能量收集設(shè)備中，例如ADI公司的ADP5090，Linear Technology LT8490，STMicroelectronics SPV1040和Texas Instruments BQ25570。因此，設(shè)計(jì)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)基于MPPT的能量收集，只需很少的額外外部元件（圖2）。

圖2：德州儀器BQ25570等專用IC提供基于MPPT的環(huán)境能量轉(zhuǎn)換優(yōu)化，提供全面的能量收集解決方案幾個(gè)額外的組件。 （德州儀器公司提供）

功率儲(chǔ)備

無(wú)論能量收集系統(tǒng)是為電網(wǎng)還是為簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，環(huán)境能量的波動(dòng)挑戰(zhàn)甚至優(yōu)化的能量收集設(shè)計(jì)。平衡可用能源供應(yīng)與持續(xù)的電力需求需要在能量收集設(shè)計(jì)中提供備用能源供應(yīng)。雖然從環(huán)境供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)到并網(wǎng)太陽(yáng)能設(shè)施的規(guī)模發(fā)生了巨大變化，但備用電源的概念仍然保持不變。

對(duì)于單獨(dú)的環(huán)境供電節(jié)點(diǎn)，工程師可以利用可用的小型儲(chǔ)能設(shè)備，包括超級(jí)電容器和可充電電池，在環(huán)境能量減少時(shí)提供電力。此外，超級(jí)電容器和電池可以相互補(bǔ)充，分別以相對(duì)較高的水平提供短時(shí)間的功率突發(fā)，并在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供較低的功率水平。例如，Seiko Instruments CPH3225A超級(jí)電容器可以在一分鐘內(nèi)使用快速充電周期達(dá)到其全部4.6μAh容量的85％，相反，快速釋放存儲(chǔ)的能量以滿足偶爾的峰值功率需求。另一方面，對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的電源要求，Seiko Instruments MS412FE等可充電電池可提供1 mAh的容量，但需要更多逐漸的充電和放電電流曲線。

這些儲(chǔ)能裝置的正常運(yùn)行需要仔細(xì)管理充電和放電循環(huán)，以避免過(guò)壓和欠壓條件，這些條件會(huì)降低這些設(shè)備的性能甚至破壞它們。對(duì)于低壓微型采集應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以利用凌力爾特公司的LTC3225和德州儀器BQ24640等設(shè)備，為包含多個(gè)超級(jí)電容器器件的設(shè)計(jì)提供專門(mén)的充電管理功能。例如，Linear LTC3225允許設(shè)計(jì)人員僅使用一個(gè)電阻器對(duì)充電電流進(jìn)行編程。同時(shí)，該器件可自動(dòng)平衡一對(duì)超級(jí)電容器上的電荷，而無(wú)需額外的平衡電阻（圖3）。

圖3：先進(jìn)的充電管理設(shè)備集成了確保能量存儲(chǔ)設(shè)備正常循環(huán)所需的全部功能。例如，凌力爾特公司的LTC3225可以管理并自動(dòng)平衡一對(duì)超級(jí)電容器上的電荷，而無(wú)需額外的平衡電阻。 （由Linear Technology提供）

工程師可以找到各種專用設(shè)備，如凌力爾特公司的LTC3331和Maxim Integrated MAX17710，這些設(shè)備專為從環(huán)境能量中為電池充電而設(shè)計(jì)。例如，Maxim MAX17710可以從各種環(huán)境源獲取功率，同時(shí)為不同電路提供穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電壓輸出，同時(shí)保持能量存儲(chǔ)設(shè)備的電荷調(diào)節(jié)。 Linear LTC3331進(jìn)一步簡(jiǎn)化了能量采集設(shè)計(jì)：通過(guò)其集成的全波橋式整流器，該器件只需極少的額外電路即可支持來(lái)自交流電源（如壓電器件）的能量采集。

事實(shí)上，工程師可以找到提供更復(fù)雜功能的IC，集成了電池供電的能量收集應(yīng)用所需的多種功能。例如，前面提到的ADI公司ADP5090，Linear Technology LT8490，STMicroelectronics SPV1040和Texas Instruments BQ25570器件將全面的充電管理功能與完整的MPPT功能相結(jié)合（例如，參見(jiàn)圖2中TI BQ25570的VBAT輸出）。

結(jié)論

太陽(yáng)能，風(fēng)能和其他可再生資源等環(huán)境能源的波動(dòng)轉(zhuǎn)化為電力輸出的變化。在這種情況下，大規(guī)模的并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)和更適度的微型采集應(yīng)用同樣面臨著連續(xù)確保電力可用性的挑戰(zhàn)。對(duì)于這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，平衡收獲的電力和持續(xù)的需求不僅需要最大化瞬時(shí)能量轉(zhuǎn)換，還需要在收獲的能量逐漸減少時(shí)提供儲(chǔ)備能量供應(yīng)。特別是對(duì)于低壓微型采集應(yīng)用，收獲的功率和功率需求之間的微小余量需要額外的關(guān)注。然而，對(duì)于這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，專用設(shè)備將能量收集與能量存儲(chǔ)管理相結(jié)合 - 為處理能量收集應(yīng)用的可變性提供了有效的解決方案。