文獻標識碼： 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].電子技術應用，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.
0 引言
新世紀以來，積極利用各類可再生能源發(fā)電已經成為應對環(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，其所產生的電能呈現斷續(xù)式、幅度大、頻譜廣、阻抗大等特點[1]。尤其是低頻耗散能量（如風能、潮汐能和人體運動機械能）以上特點更為鮮明，對該類能量的收集存儲，需要更加高效的整流和耦合技術，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，將能量收集系統(tǒng)與超級電容器模相結合，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、儲存并轉化利用。因此，本研究采用升壓/降壓（BOOST/BUCK）電路、最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)、互感耦合以及超級電容器儲能等技術提高系統(tǒng)收集和帶負載能力。
1 能量收集系統(tǒng)設計
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。設計的能量收集系統(tǒng)是用于對0～50 Hz高內阻、斷續(xù)式的低頻可再生能源進行收集存儲，總體設計思路分為三部分：首先，針對需解決的問題設計出總體概況圖，即針對0～50 Hz的雜散低頻能量收集，先對其進行整流、濾波，其次利用微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)實現MPPT控制，使其流經RC振蕩器將直流電能轉換成高頻交流電能后通過互感、整流電路將電能輸出，經互感耦合，可提高帶負載能力；針對AC/DC和RC震蕩系統(tǒng)電路原理做出詳細的闡述；最后介紹了MPPT算法以及MCU總控制系統(tǒng)設計流程圖。
1.1 總體設計框圖
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濾波電容對輸入進行濾波。經AC/DC系統(tǒng)后交流電能轉為直流電能。后經MCU程控的 BUCK/BOOST電路，調整輸入功率點。MPPT算法后，可以獲得最大輸入效率。低功耗MCU可應用暫態(tài)儲能超級電容器直接供電。輸入能量轉換成直流電能后，需進行DC/AC轉換成高頻(500 kHz以上)交流電能，再通過互感耦合，進行輸出阻抗匹配。圖1中Q1、C4、C5、L2、L3構成的典型LC振蕩器，它將直流電能轉換成高頻交流電。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)，將感應的高頻交流電再次轉換成直流后(AC/DC)輸出內阻較小(5 Ω～10 Ω)，可提高帶負載能力。
1.2 振蕩系統(tǒng)設計
考慮低頻可再生能源的收集內阻較大，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)應用成本低、易集成、功耗相對較低的RC負阻振蕩器[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]，選頻震蕩網絡通過調節(jié)R1、R2、C1、C2，并配合提高震蕩穩(wěn)定性的負反饋電路(RP、R3)來得到不同的輸出振蕩角頻率ω如式(1)所示。
振蕩器系統(tǒng)等效原理如圖3所示。a、b點為從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，而放大器A須滿足式(3)。
1.3 AC/DC、DC/DC整流升壓系統(tǒng)設計
低頻可再生能源受外界的影響，如對風能收集因風速的不同，需要實時調整電路輸入電壓和風力發(fā)電機轉速，即需要MPPT[5]控制。如圖4所示，電路應用BOOST/BUCK電路代替單一的升壓或降壓電路[6]，提高調控范圍。
當不規(guī)則的能量經過整流后，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；經由M2、M3、M4、M5、L1、D6、C3構成的BUCK/BOOST電路調整輸出；根據MPPT算法，通過MCU控制MOS管M3和M4的通斷升壓或降壓，M3導通M4截止時為升壓，M4導通M3截止時為降壓；采用登山法或叫干擾觀測法，給系統(tǒng)一個突變電壓ΔU通過MCU檢測實時功率，實現MPPT控制。以風能 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MPPT算法，通過控制PWM波的脈沖寬度調整BOOST/BUCK電路和風力控制系統(tǒng)，從而為負載提供最大輸出功率。
1.4 MPPT和能量收集控制系統(tǒng)設計
系統(tǒng)因負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、阻抗等參數進行采樣檢測，設定供電方式，直接供電時通過檢測輸入參數進行MPPT；接負載后進行阻抗匹配。圖7為MPPT算法流程圖，控制系統(tǒng)對電路施加串擾ΔU，比較時間t和t+1時刻采樣值，若差值Dp=0，則保持當前值；若Dp>0或Dp<0則根據Dp對串擾電壓ΔU適當增加或者減小。
2 實驗結果及討論
實驗通過收集低頻機械能檢測系統(tǒng)總輸出性能，再經信號發(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)性的能量進行收集，并且以犧牲轉化效率為代價提高整流波形。圖8所示研究中輸入端內阻為50 Ω，輸入電壓最大幅值為14.2 V。通過系統(tǒng)整流輸出端負載內阻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，同時經過耦合隔離后提高了輸出端的帶負載能力，且輸出端滿足耦合后直流輸出效果。
2.2 整流模塊轉化效率以及系統(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AC/DC、DC/DC系統(tǒng)整流所轉化的效率ηab即為系統(tǒng)整流后的直流輸出總效率。如式(4)所示：
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處轉化效率成線性上升，在8 V處轉化效率達到約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)的轉化效率達到最大值，最大轉化效率可達91.16%。可知該系統(tǒng)適用于幅值8 V以上的交流能量源進行高效的收集；總系統(tǒng)在5 V處出現上升趨勢，隨電壓繼續(xù)上升在6.5 V左右效率增長幅度增大，當電壓達到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)的轉化效率達到最大值，最大轉化效率可達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。
3 結論
針對提高低頻可再生能源（人體動能，低頻機械能、風能、潮汐能等）的能量收集效率的問題，收集系統(tǒng)設計方案包括了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)，其中以內阻為10 Ω、最大電壓14.2 V的頻率0-50 Hz的隨機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，能量收集效率和帶負載能力明顯提高，例如：傳統(tǒng)動能能量收集系統(tǒng)中，針對人體動能能量收集的效率為68%左右，而本設計低頻可再生能源收集系統(tǒng)針對人體動能能量收集，最大收集效率可達到91.16%;加入輸入/輸出耦合系統(tǒng)用來提高帶負載能力的基礎后，總系統(tǒng)能量收集最大總效率可達53.18%，下一步將深入研究如何輸入/輸出耦合系統(tǒng)的轉化效率。改進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。同時采用振蕩器耦合的方式提高帶負載能力，進一步提高了能量收集效率。接下來將針對AD/DC系統(tǒng)的總體電路設計上進行優(yōu)化，以降低能量收集電路的收集電壓閾值，同時提高電路的轉化效率；更改RC振蕩系統(tǒng)設計，提高震蕩頻率減小紋波率，提高轉化效率。
參考文獻
[1] MONTAZER B，SARMA U.Modeling and analysis the effect of PZT area on square shaped substrate for power enhancement in MEMS piezoelectric energy harvester[J].Journal of Circuits，Systems and Computers，2017，26(9)：1750128.
[2] Lehtimaki S，Tuukkanen S，Porhonen J，et al.Low-cost，solution processable carbon nanotube supercapacitors and their characterization[J].Applied Physics A，2014，117(3)：1329-1334.
[3] WANG Y，RONG L，XIE L，et al.A 255 nW 138 kHz RC oscillator for ultra-low power applications[C]//IEEE Mtt-S International Wireless Symposium.IEEE，2016：1-4.
[4] FUKETA H，SHIN-ICHI O，MATSUKAWA T.Fully integrated, 100-mV minimum input voltage converter with gate-boosted charge pump kick-started by LC oscillator for energy harvesting[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs，2016.
[5] SAHIN P，RESMI R，VANITHA V.PMSG based standalone wind electric conversion system with MPPT[C]//Emerging Technological Trends(ICETT)，International Conference on.IEEE，2016：1-5.
[6] JENA P K，MOHAPATRA A，CHOUDHARY P.Comparative study of solar PV MPPT by perturbation and observation and fuzzy method[C]//Electrical，Computer and Electronics Engineering(UPCON)，2016 IEEE Uttar Pradesh Section International Conference on.IEEE，2016：515-518.
作者信息：
陳 凱1，2，李洪祚2，劉雙翼1
（1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶400714；2.長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春130022）