《电子技术应用》
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面向能量收集的电源技术综述
2016年电子技术应用第10期
陈 怡,葛羽嘉,南余荣
浙江工业大学 信息工程学院,浙江 杭州310023
摘要: 电源技术是能量收集技术的重要核心之一,它的任何突破性成果都将促使能量收集技术发生基础性的变革。着重介绍了面向能量收集的电源技术的发展现状,从电力电子电路与集成、电能管理控制方法与实现、多源能量收集管理系统整合与优化这三大研究领域分支展开论述,具体内容包括上述各研究分支的当前研究工作重点以及代表性技术方案。最后,考虑产品化需求,进一步指出今后面向能量收集的电源技术发展将继续围绕更低输入电压条件下更低功耗的电路启动、更低功耗地实现更精确跟踪的最大功率点(MPP)控制方法、更有效地实现多源能量收集与管理系统内部融合这三大关键科技难题展开。
中图分类号: TM46;TM91
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.007
中文引用格式: 陈怡,葛羽嘉,南余荣. 面向能量收集的电源技术综述[J].电子技术应用,2016,42(10):33-36,39.
英文引用格式: Chen Yi,Ge Yujia,Nan Yurong. Review of the power supply technologies oriented to energy harvesting[J].Application of Electronic Technique,2016,42(10):33-36,39.
Review of the power supply technologies oriented to energy harvesting
Chen Yi,Ge Yujia,Nan Yurong
College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,China
Abstract: Power supply technologies are much significant for energy harvesting, because any breakthrough of them will bring a fundamental revolution of the energy harvesting technologies. The state of the art of the power supply technologies oriented to energy harvesting is introduced, of which the main research areas include power electronics circuits and integration, power management control methods and circuits, and combination and optimization of multi-source energy harvesting and management systems. The research focuses and some representative solutions in the abovementioned three research areas are mentioned in detail, respectively. Finally, considering commercial demands, it is further pointed out that the future development of the power supply technologies oriented to energy harvesting will continue to focus on the solutions for the key scientific and technical problems, three of which are lower-loss circuit startup with lower voltage input, lower-loss maximum power point(MPP) control with better maximum power point track(MPPT) performance, and better compatibility inside the multi-source energy harvesting and management systems.
Key words : energy harvesting;power supply technologies;power electronics circuits;power management control methods;MPP control

0 引言

    能量收集技术,又称能量采集技术,2003年曾被MIT Technology Review评为十大改变世界新兴技术之首。它是一种将环境中未使用的能量收集起来并转换成可直接利用电能的技术[1],发展至今已有超过20年的历史。在很长一段时间里,由于应用领域狭窄,能量收集技术发展缓慢。但是,近年来飞速发展的物联网、智能传感器、无线模块、智能可穿戴设备等新兴产业极大地推动了能量收集技术的发展。

    能量收集技术是一门多学科交叉的科学技术。电源技术是其重要的核心之一,主要研究能量收集与管理系统(见图1)中能量收集器输出侧和系统负载侧的电能平衡问题,目前主要包括以下三大研究分支(见图2):电力电子电路与集成、电能管理控制方法与实现、多源能量收集管理系统整合与优化。它的任何突破性成果都将促使能量收集技术发生基础性的变革。

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1 面向能量收集的电力电子电路与集成

    面向能量收集的DC-DC变换器和AC-DC整流器都是电能转换模块中必不可少的组件。它们的输入电压非常低而且变化范围很宽,需要处理的电能大多处于毫瓦级及以下水平。目前,关于面向能量收集的电力电子电路与集成的研究工作主要聚焦于尽最大可能地降低DC-DC变换器和AC-DC整流器的自身损耗和启动电压。

1.1 降低自身损耗的代表性方案

    在单源能量收集应用中,Boost变换器和Charge Pump变换器是最常用的DC-DC变换器。为了减小DC-DC变换器的自身损耗,普遍采取的措施包括选用导通压降低的开关器件、改善开关器件的驱动条件[2]、降低开关器件的反向偏置损耗[3]等。

    在单源能量收集应用中,桥式整流电路和倍压整流电路是最常用的AC-DC整流器。此外,还有特别针对机械振动能收集应用的Switch-Only整流电路[4]、Bias-Flip整流电路[5]、双向开关电感电路[6]等,分别如图3(a)至图3(c)所示。为了减小AC-DC整流器的自身损耗,通常采用同步整流技术构建有源整流电路,即采用导通压降低的开关器件组成有源二极管以代替导通压降高的二极管[7-8]

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1.2 降低启动电压的代表性方案

    为了尽可能地降低DC-DC变换器的启动电压,文献[9]为Boost变换器引入一个由MOSFET和复用变压器组成的正反馈环路。在Capacitor Pass-on自启动方法[10]的基础上,文献[11]提出先由LC振荡器级联多级倍压器构成低压启动器,再由低压启动器、辅助Boost变换器、ZCS软开关Boost变换器构成三级结构的电路,使整个电路在输入电压50 mV的条件下能逐级完成自启动。

    将单极性的直流输入电压启动方案扩展成双极性的直流输入电压启动方案,不但可以增强DC-DC变换器的可靠性,而且还可以用于解决AC-DC整流器的启动问题。文献[12]采用双极型的Meissner振荡器协助Flyback变换器完成了输入电压+/-40 mV条件下的启动工作。

2 面向能量收集的电能管理控制方法与实现

    优秀的电能管理控制方法能确保面向能量收集的电力电子电路尽最大能力地从能量收集器中获取电能。目前,关于面向能量收集的电能管理控制方法与实现的研究工作主要聚焦于尽最大可能地令电力电子电路始终运行于最大功率点(MPP),同时尽最大可能地降低电能管理控制模块的自身损耗和静态电流。不同的能量收集器具有不同的输出功率特性和等效电路模型[1](见图4),适用的MPP控制方法与实现也不尽相同。

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2.1 面向光能收集的代表性MPP控制方案

    文献[13]提出利用光伏电池空载电压信息估测MPP工作电压,在此基础上构建的MPP滞环模拟控制电路令光伏能量收集效率获得提升。文献[14]结合可重构Charge Pump变换器的工作特点,提出一种MPP模数混合控制方案,即先采用光伏电池MPP工作电压估测的方法确认电压传输比的可选范围,再通过工作频率扫描跟踪的方法找到并锁定最优的电压传输比和工作频率,以此获取MPP。类似地,文献[15]为Charge Pump变换器设计了一种不采用任何电流传感器的低功耗MPP控制电路。当Charge Pump变换器的输出电压因光强变化发生跌落时,该MPP控制电路的核心部分会启动并采用扫描方式调节光伏电池工作电压的参考值直至光伏电池的输出电压与参考电压一致,以此获得MPP。文献[16]则建议采用低功耗的单片机和可编程逻辑器件来实现各种MPP数字控制算法,包括扰动观测法、增量电导法、模糊逻辑控制法、电流扫描法、纹波相关控制法等[17]

2.2 面向热能收集的代表性MPP控制方案

    基于实测的热能发电机等效电路模型,文献[18]成功地将扰动观测法植入热能收集应用中。文献[19]则采用阻抗匹配法获得MPP,根据热能发电机的等效内阻预先计算并设定Boost变换器的工作频率。在文献[19]的基础上,文献[20]提出一种自适应的阻抗匹配法,即定期跟踪热能发电机的空载电压,实时调整Boost变换器的工作频率,确保热能发电机的工作电压始终等于其空载电压的一半。

2.3 面向机械能收集的代表性MPP控制方案

    振动能是一种常见的机械能。鉴于振动能发电机的等效电路模型与热能发电机的等效电路模型相似,面向振动能收集的MPP控制方法既可参照面向热能收集的MPP控制方法,也可参照面向光能收集的MPP控制方法。文献[21]就两级结构的AC-DC整流器,提出根据负载电流变化率对后级Buck变换器的占空比进行调节的方案,通过获得负载电流最大值来确保两级结构的AC-DC整流器运行于MPP。为解决持续跟踪MPP的控制电路自身损耗较大的问题,文献[22]提出一种松散的功率流控制方法,即采用以MPP工作电压为基准的滞环控制电路,间歇性地控制DC-DC变换器的运行状态,使之始终接近MPP。文献[23]采用超低功率模拟电路和零偏置电流动态电路设计了静态电流低至450 nA的自适应阻抗匹配MPP控制器。

3 面向能量收集的电能管理控制方法与实现

    不同类型甚至相同类型的能源之间存在着一定的互补性,若能同时加以利用,可有效地减小电能存储元件的容量。目前,关于多源能量收集与管理系统整合与优化的研究工作主要聚焦于整合DC-DC变换器和AC-DC整流器,实现DC-DC变换器和AC-DC整流器输入侧和输出侧的电气兼容;整合MPP控制方法,实现整个系统在多源输入的情况下仍能处于最佳运行状态。

3.1 不同类型多源整合的代表性方案

    多源能量收集与管理系统需要具备兼容直流(DC)型能量收集器和交流(AC)型能量收集器的能力。文献[24]将有源整流电路和DCM Buck-Boost变换器整合成一个兼容DC和AC的单输入电能转换模块,通过控制有源整流电路中四个MOSFET的状态可规划出DC-DC和AC-DC两种电能变换路径。同时,采用统一的迭代型MPP模拟控制电路,令DCM Buck-Boost变换器运行于MPP附近。文献[25]将多通道的开关接口电路和Buck-Boost变换器级联成了一个多DC输入和多AC输入的电能转换模块,并采取优先权策略来确保多路输入源能协调工作。针对机械振动能通道采用与输入电压峰值同步获取电能的MPP控制方法,针对光能和热能通道则采用开路电压比率的MPP控制方法。文献[26]在Boost变换器和Buck-Boost变换器的基础上,采用开关矩阵构建了一个多源输入的双路径电能转换模块,并提出了阻抗匹配法与扰动观测法时分复用的MPP获取方案。

    此外,合理地收集并利用多种能量,通过取长补短的方式可满足某单一能源对能量收集与管理系统的特殊要求[19,27],令整个能量收集与管理系统更容易实现。

3.2 相同类型多源整合的代表性方案

    相同类型的能量也存在着差异,因此多源能量收集与管理系统也需要包容相同类型能量之间的差异。针对多个错峰的机械振动能收集应用,文献[28]在Buck-Boost变换器的基础上构建了一个多输入的开关同步变换器,同时采用输入电压峰值同步获取电能的MPP控制方法。针对多个光能收集的应用,文献[29]考虑常规MPP控制方案带来的损耗,建议DC-DC变换器在高光照强度下仍采用常规的MPP控制方案,但是在低光照强度下则改用损耗较小的直接耦合的工作方式。

4 结论

    新兴市场需要高度集成的能量收集与管理系统,国际各著名IC制造厂商应对需求陆续都有相关产品面世。随着面向能量收集的电源技术产品化进程的不断推进,进一步攻克相关研究领域中关键科技难题的愿望也变得越来越强烈。待进一步解决的关键科技难题主要有以下三点:(1)更低输入电压条件下更低功耗的电路启动问题;(2)更低功耗地实现更精确跟踪的MPP控制方法的问题;(3)更有效地实现多源能量收集与管理系统内部融合的问题。今后,面向能量收集的电源技术发展将继续围绕上述三大关键科技难题展开,各种新的解决方案将不断涌现。

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