风-光能量协调俘获的电源管理模块设计及性能测试

宋锦康; 袁权; 吴义鹏; 钱晓辉

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502502

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :2927-2934 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502502

能源与动力工程

风-光能量协调俘获的电源管理模块设计及性能测试

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Design and Performance Testing of Power Management Module forHybrid Wind and Solar Coordinated Energy Harvesting

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摘要

单一微功率太阳能发电装置受光照变化的影响输出功率波动极其明显,且因灰尘覆盖等原因长期呈较快的衰减趋势;装置中增加风能俘获结构后不仅可以在夜晚和连续阴雨天气为自供电设备补能,还能够通过风致振动现象清除微功率光伏板表面灰尘。针对上述俘能结构的发电特征,设计了一种以太阳能取电为主、风能取电为辅的电源管理单元,分别选择了CN3795和LTC3588-1两款电源管理芯片,结合输入电压和功率对电路元器件参数进行了协调优化,既提高了风能取电功率,又补充了夜晚等环境下光能取电的不足。实验测试结果表明,优化后的电源管理模块可以在无光照时以至少2 mW的功率俘获风能,维持设备供电,解决了光能供电波动大以及风能取电的阻抗失配问题。该混合取电的电源管理模块有效提高了设备供电的稳定性。

Abstract

A micro-power photovoltaic power generation device is significantly influenced by illumination variations, leading to substantial fluctuations in power output. Furthermore, rapid degradation caused by dust accumulation is observed over time. To mitigate these issues, a wind energy harvesting structure was integrated into the system, providing supplementary power during nighttime and prolonged rainy conditions. Additionally, the wind-induced vibrations were utilized to remove dust from the surface of the micro-photovoltaic panel. A power management unit was designed to address the power generation characteristics of such hybrid energy harvesting systems. The unit was primarily based on photovoltaic energy harvesting, with wind energy harvesting serving as a supplementary source. The CN3795 and LTC3588-1 power management chips were selected for implementation. Through the coordination of input voltage, power and circuit component parameters, the design not only enhanced the efficiency of wind energy harvesting but also compensated for the insufficient photovoltaic energy harvesting under low-illumination conditions, such as nighttime environments. Experimental results indicate that the optimized power management module is capable of capturing at least 2 mW of wind energy during periods of no illumination, ensuring continuous device operation. Furthermore, the issues related to large photovoltaic power fluctuations and impedance mismatch in wind energy harvesting are effectively resolved. The hybrid energy harvesting power management module is demonstrated to significantly improves the stability of the device's power supply.

Graphical abstract

关键词

风-光能量收集 / 电源管理模块 / 低功耗设计 / 无线传感器供电

Key words

wind-solar energy harvesting / power management module / low-power design / wireless sensor power supply

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宋锦康, 袁权, 吴义鹏, 钱晓辉. 风-光能量协调俘获的电源管理模块设计及性能测试[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 2927-2934 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502502

SONG Jin-kang, YUAN Quan, WU Yi-peng, QIAN Xiao-hui. Design and Performance Testing of Power Management Module forHybrid Wind and Solar Coordinated Energy Harvesting[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 2927-2934 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502502

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无线传感器网络在电力互联网、国防军事、智慧农业、气象监测等领域的应用日渐广泛^[1-3]。为准确监测环境数据,传感器需要尽可能地保持工作状态^[4]。但如何对野外传感器持续稳定供电一直是一个棘手的问题^[5]。目前大部分无线传感器使用化学电池供电,但电池储能容量有限,大范围更换电池,特别是在复杂地形,敌对、危险等区域将困难重重^[6]。所以寻找新的能量来源为无线传感器供电是传感器发展应用中必然要解决的难题。

替代能源的可靠性取决于传感器所部署的位置^[7],Polonelli等^[8]提出了一种基于SPV1040升压转换器的太阳能电池板发电能量收集系统,可用于给裂缝位移监测的无线传感器供电;Adu-Manu等^[9]使用太阳能发电装置给应用于生态环境监测的无线传感器网络实现了可持续性供电。此外学者们还提出了利用风能、振动等能量为无线传感器供电的方案。胡捷等^[10]设计了应用于农田环境的涡激振动能量收集器采集风能,并基于大涡模拟对风能采集器俘能特性进行了分析。高思航等^[11]基于摩擦电工作原理设计出一种面向输电线路微风振动的能量采集供电系统,实现了宽频带振动能量的高效采集与转换。张振振等^[12]结合压电式及电磁式振动俘能器的优点提出了一种新型两端固支式的低频压电-电磁复合振动俘能装置,相较于单一形式的俘能装置,具有更好的宽频特性和俘能效率。

目前此类能量收集技术发展多样且逐渐成熟,但微功率能量收集装置受环境变化及装置自身可靠性的影响比较大^[13]。太阳能在夜晚或连续阴雨环境下几乎无法取电;涡轮式风力收集装置中涡轮和叶片容易出现故障无法取电^[14]。如果选择多种能量相互配合、共同为传感器供电,不仅可以更加充分地利用环境能量,还可以很好地解决单一能量来源带来的供电不稳定问题。由于太阳能和风能是野外环境分布最广泛的两种自然能量,研究者对于太阳能和风能的混合取能利用技术相对成熟。安源等^[15]提出一种风光水储多能互补系统双层优化调度策略协调多能源储存和利用。太阳能和风能不仅在时间上具有互补性,在空间上也呈现出一定的互补性。光照充足条件下太阳能的功率远高于风能,但是太阳能白昼及天气变化条件下波动极大,风能相对稳定,但能量密度较小^[16]。

综合考虑风、光能量的特点,陶鹏等^[17]设计了一种带有振动清灰能力的风-光协调互补取电装置,该装置利用系统的振动清除光伏电池板上的灰尘,极大的改善因积灰造成的光伏电池板功率下降问题;袁权等^[18]详细测试了该装置的取电性能和清灰特性,在模拟条件下光能、风能分别以77.28 mW和4.63 mW收集,自动清灰功能使装置的光能收集效率由清洁状态下的1.7%提升至84%。

现在上述装置的基础上优化设计一种风-光能量协调取电的电源管理模块。该电源管理模块收集环境中风能和光能分别储存在储能元件中,模块具有光伏电池板最大功率跟踪功能,风、光协调取能可极大优化取电装置对能源的收集效率,振动清灰也可保持光伏板的稳定工作^[19]。最后模拟野外工况对该模块进行测试,实验结果可望解决风能取电的阻抗失配问题,该电源管理模块可为优化风-光能的协调收集提供新的技术方案。

1 电源管理模块设计原理

1.1 风-光能量协调取电设计原理

如图1所示为风-光协调互补取电装置,该装置由光伏电池板、钝体、压电耦合结构组成。钝体顶部的光伏电池板直接利用光生伏特效应发电,压电耦合结构通过振动将风能转换为电能,风场激发的钝体振动能有效清除光伏电池板上的灰尘。

整个装置的能量流动方向如图2所示,电源管理模块的作用是将光伏电池板和压电片输出的电能收集并存储,经电路处理后为无线传感器供电。取电模块并不是简单叠加,而是协调作用、相互补充。压电片能量收集的功率与储能电容两端电压大小密切相关,当电容电压在电容端电压最大值一半附近时,能量收集功率较大。

电源管理模块设计原理图如图3所示,设计的风-光能量协调俘获的电源管理模块以实现微弱电能的高效收集利用和电源智能管理为研究重点,保障对无线传感器的稳定供电。电源管理模块以电能管理芯片为核心,以光伏收集模块、风能收集模块、锂电池和电容储能模块为重要组成部分,开展风能-光能互补供电的电源管理研究。

光伏收集模块和风能收集模块分别对环境中光能和风能进行收集和存储,充分利用环境能源。光能输出直流电压,风能输出交流电压,在设计能量收集模块时根据二者输出电压形式不同分别设计不同的能量收集电路。需要说明的是,光伏和风能两个取电模块并不是简单的叠加,在电路中通过锂电池和电容两个储能元件互相联系并协调配合。光伏收集模块收集的电能首先存储在输出电压为7.4 V的锂电池中,锂电池的能量密度远高于电容,能使储能电容C初始的电压值上升(7.4 V)。这一设计可以很好地解决风能取电的阻抗失配问题,使风能收集以一个较高的功率开始,同时还提高了模块能够稳定供电的最低功率阈值。

1.2 光能收集模块设计

光伏组件将环境中光能转化为电能输出,在图1所示典型设备中选用的是直径60 mm的圆形光伏电池板,在光照强度1 000 W/m²、温度25 ℃条件下,其额定输出电压为10 V。经过测试,在光照强度高于371.7 W/m²时,光伏电池板输出电压高于8.53 V,此时电路输出8.4 V浮充电压给锂电池充电,实现光能的收集和存储。

在温度不变的情况下,光伏电池板输出最大功率时的输出电压不变,通过模块内部结构调节回路上的电阻,可以改变光伏电池板输出电压使电池板保持在最大输出功率^[20]。如图4所示为不同光照强度下,将光伏电池板输出端接可编程电阻器,测量阻值从0开始增大过程中电阻器两端电压值,进而给出的光伏组件输出功率随电阻变化曲线结果。

随着负载阻值的增大,光伏组件输出功率先增大后减小。当光伏电池板输出电压7.12 V附近时输出最大功率,输出电压超过7.12 V后随电压上升光伏电池输出功率略有下降。综合考虑光伏电池板输出功率和锂电池充电电压,浮充电压设置为8.4 V。在光能收集电路工作时,光伏电池板输出电压略高于锂电池两端电压。光能储能元件为锂电池, 在选择锂电池型号时,需要考虑电池容量、充放电周期和输出电压。最终选择了容量为2 800 mA·h的、型号为18650的锂电池,电池充电电压8.4 V,输出电压7.4 V。

根据以上测试结果和电池充电需求,经过调研后,选择CN3795芯片作为光能收集模块核心。CN3795芯片是由上海如韵电子股份有限公司生产的、可使用太阳能电池板供电的脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)降压模式多节电池充电管理芯片。

芯片可接受的电压输入范围为6.6~30 V,输出浮充电压可根据实际需要调整输出分压电路进行调节。CN3795芯片及其外围电路还具有电池端过压保护功能,防止锂电池过充损坏。

如图3光伏收集电路部分所示,太阳能电池输出正极连接CN3795的VCC引脚,输入电压并且为整个芯片的工作提供电压源。nCHRG和CSP是两个漏极开路状态指示端,分别是充电状态指示端和充电电流检测正输入端,连接发光二极管(light-emitting diode,LED)灯指示电路工作状态。MPPT是最大功率跟踪引脚,通过电阻分压器与输入电压相连,通过调节分压器阻值R₁、R₂,可以调节系统最大功率跟踪点。BAT引脚是输出浮充电压正极,通过调节分压器阻值R₃、R₄,可以调节电路输出的浮充电压,根据锂电池充电需求设置为8.4 V。VG引脚是内部电压调制的输出端,与100 nF电容相连后接地。DRV引脚连接MOS管M1起防反灌保护作用。COM引脚是回路补偿输入端,串联一个120欧姆电阻和一个220 nF电容后接地,用于稳定芯片内部PWM控制回路的工作状态。FB引脚是电池电压反馈输入端。

光伏电池板最大功率点电压通过两个电阻分压后反馈到MPPT管脚,在最大功率点跟踪状态,MPPT管脚电压被调制为1.205 V。其计算公式为

(1)U_MPPT=1.205$\left(\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}+1\right)$

CN3795内部还有一个过压比较器,当BAT管脚电压由于负载变化或者突然移走电池等原因而上升时,过压比较器动作,关断片外的P沟道MOS场效应晶体管,充电器暂时停止工作。在某些情况下,如锂电池没有连接到BAT引脚正输出口或充电中电池断开,BAT引脚会达到过压保护阈值。BAT引脚输出浮充电压计算公式为

(2)U_BAT=1.205$\left(\frac{{R}_{3}}{{R}_{4}}+1\right)$+I_BR₃

式(2)中:I_BR₃为浮充电压的误差;偏置电流I_B典型值为60 nA,依据以上内容设置各分压器电阻阻值。

1.3 风能收集模块设计

压电片输出电压的大小在28 V左右,对压电片在不同风速下的输出特性进行测量,根据压电片输出特性来设计风能收集电路。将压电片输出端直接与可编程电阻器相连接,改变电阻器阻值,测量电阻器两端电压,得到压电片输出功率随电阻变化曲线,如图5所示。在风速不变的条件下,压电片的输出功率随着外接电阻值增大而先增大后减小;在所测风速范围内,压电片输出功率随风速的增大而增大,在4.3 m/s的风速条件下可达4.63 mW的最大输出功率。

相比于光伏取电,压电片输出功率很小,这里最终选择美国亚德诺半导体公司的LTC3588-1作为风能收集模块电源管理的核心芯片。该芯片集成了低损耗全波桥式整流器以及高效降压转换器,可处理输入的2.7 V以上的交流电压能量,收集并存储在储能电容上,转换效率高达95%,储能电容电压最高20 V。此外该款芯片输出端可输出1.8、2.5、3.3、3.6 V 4种直流电压,输出电流最高可达100 mA,能直接为传感器供电。

风能收集模块如图3所示,压电片输出连接LTC3588-1的PZ1、PZ2引脚,输入交流电压并为芯片及其外围电路工作提供能量。Vin引脚接储能电容,风能收集电路所收集到的能量都存储在储能电容上,电容电压最大值为20 V。Vout引脚可稳定输出直流电压为负载供电,在本装置将D0连接高电平、D1连接低电平,输出电压设置为3.3 V。CAP是储能电容连接端,外接10 uF滤波电容,SW是降压转换器开关引脚,外接4.7 uH电感使用。

电容是模块的储能元件,考虑模块的能量收集效率、负载需求、电容充放电时间,电容过小时无法满足系统储能要求,电容过大充放电时间较长,无法满足负载供电要求。最终选择一款3 300 μF、20 V的超级电容作为储能电容。

2 电源管理模块实验测试

完成电源管理模块的设计后,对装置进行应用场景下的模拟测试。实验分成以下部分进行:光能收集模块测试、风能收集模块测试、风-光能量协调供电,最后是电源管理模块的应用测试。

2.1 光能收集模块实验测试

光照条件下,光能收集模块将来自光伏电池板的电能收集、降压处理后以给锂电池充电的方式存储在锂电池中。在充电过程中,锂电池两端电压由7.4 V缓慢上升,电压达到8.4 V时充满电。实验原理图如图6所示。实验过程中使用光源照射光伏电池板,调节光源输出功率模拟不同光照条件工况。

如图7所示,随着光照强度增大,模块收集功率增大,光伏电池板最大输出功率为227.5 mW。测试过程中电池板温度上升导致其输出功率下降,但是光能收集模块仍能以最低61.9%、最高81.4%的效率收集光伏电池板输出的功率。

实验结果表明,光能收集模块可以以一个较高的效率对光能进行收集和存储。光能收集模块的主要优势是可以将不稳定的、不能直接使用的光能收集、降压处理后充电进入锂电池,锂电池输出稳定的直流电压。模块可有效减少收集过程中能量损耗,收集效率高。

2.2 风能收集模块实验测试

在设计风能收集模块时,已经对不同风速下压电片输出功率做了测试,在4.3 m/s风速下压电片输出最大功率4.63 mW,远小于光伏收集功率。所以风能的作用更多是对光能的补充,以及应对无光环境传感器最低功耗的供电,尽可能保持传感器的持续工作状态,实验原理图如图8所示。

按照实验原理图连接好设备后开始测试。开启风洞,调整圆柱钝体高度和角度,达到共振状态,改变风速不影响装置共振。连接压电片和风能收集模块,使用万用表测量储能电容两端电压值,随着实验进行,电容电压不断上升,记录电容电压每升高1 V所需时间。

如图9所示,储能电容两端电压随风能收集模块工作时间增大,最大值为20 V。风能收集模块可以收集压电片输出的微能量,以电荷形式存储在储能电容上。使用电容电压每升高1 V的平均功率作为电压中值点的充电功率,可以看出,随着电压升高,模块对风能收集功率先增大后减小。

2.3 风-光能量协调供电实验测试

前两节分别测试了电源管理模块对风能和光能的收集功能,本节将两种能量收集模块共同工作, 测试风能和光能的协调俘获。并在电源管理模块的输出端口连接一只阻值10.89 kΩ的电阻,模拟不同风速下电源管理模块在有功耗的情况下对风能、光能的收集情况。

实验原理图如图8所示,光能收集后存储在锂电池中,将锂电池通过二极管与储能电容连接,电容两端电压保持在7.4 V。调节系统进入共振状态,测量储能电容两端电压变化。同样使用电容电压每升高1 V的平均功率作为电压中值点的充电功率,测试结果如图10所示。

储能电容初始电压升高使风能收集模块以一个较高的功率对风能开始收集。风速为2.36 m/s时,电源管理模块储能电容电压变化7.4~20 V与0~20 V相比耗时缩短150 s,风-光能量协调俘获增大了模块对风能的收集效率。

接下来测试电源管理模块在给设备供电的情况下对能量的收集情况。调节风洞风速为自然条件下较为常见的3 m/s,在模块输出端口连接一个阻值为10.89 kΩ的电阻,消耗功率为1 mW,测量系统共振时储能电容两端电压变化情况;保持实验条件不变,将锂电池接入电容两端,再次测量电容两端电压变化情况。

如图11所示,没有锂电池接入时,电能管理模块不能维持对负载的稳定供电,模块处于开通供电-断开储能的周期性供电状态;有锂电池接入时,电源管理模块可以持续为负载稳定供电,电容电压上升,达到18.44 V保持稳定,模块的能量收集和输出达到平衡。

结合图9、图10分析,两种能量的协调俘获,可以解决风能收集过程中阻抗失配问题,使风能以较大的功率开始收集,电容上电荷的积存使得模块收集风能的功率上升达到最大值。这种循环促进的方式对风能的收集和利用起到了决定性的优化作用。实验结果表明,本文设计的电源管理模块不仅可以充分收集环境中风能和光能,还能提高整个模块供电负载的最小功率阈值。

2.4 电源管理模块应用测试

本节使用所设计电源管理模块为传感器系统供电。选择CC2640R2F主控芯片,芯片内置低功耗蓝牙,可实现无线传输功能,传输距离75 m。温湿度传感器选择由瑞士Sensirion公司生产的SHT30高精度温湿度传感器。CC2640R2F主控芯片和SHT30传感器功耗都非常低,芯片的各种状态功耗如表1所示。

SHT30传感器功耗可低至3 μW,传感器系统功耗主要集中在主控芯片处理信息和发射、接收数据。通过调整主控芯片处理、发射数据的频率,增大芯片待机时间等方法降低传感器的功耗,使平均功耗达到2 mW。在风速3 m/s条件下,使用模块为传感器供电。

如图12所示,电能管理模块在为传感器系统供电的同时,储能电容电压在缓慢上升,在供电2 425 s后,电容电压达到18.77 V,此时电容电压不再变化,模块收集的能量与供电输出实现动态平衡。实验表明,在3 m/s风速下,本文设计的电能管理模块可稳定为传感器供电,供电稳定且高效,可解决单一太阳能夜晚无法取电问题和单一风能取电阻抗失配问题,进一步推进了野外无线传感设备的自供能进程。

3 结论

设计了一种风-光能量协调俘获的电源管理模块,依据风致振动原理、压电效应等理论,对环境中广泛存在的光能、风能进行收集和存储。设计实验分别对光能和风能收集模块的功能进行测试,最后选择传感器和主控芯片,测试电源管理模块为其供电的效果。实验结果表明,所设计电源管理模块可以以较高的效率收集工作环境中的风能和光能,光能收集效率最高可达到81.4%,风能收集最大功率达到4.63 mW;当为传感器系统供电时,在3 m/s的风速下可至少满足平均功率2 mW的传感器功耗需求。实验所用能量均来自周围环境,不需要人为干预。

本文设计的风-光能量协调俘获电源管理模块主要解决了野外环境中单一光能供电的不稳定问题和单一风能供电的阻抗失配问题。该模块可以在不需要人力干扰的情况下持续稳定地为无线传感器设备供电,还提升了供电的最小功耗阈值,使野外传感器设备的供电更绿色、更稳定、更高效,为智慧农业、森林环境监测等应用场景下无线传感器设备的自供能提供了新的解决方案。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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