微型電力物聯(lián)網(wǎng)終端能源管理系統(tǒng)專利技術(shù)應(yīng)用與研究

郭軍科 盧立秋 劉鴻芳 賀欣 歐廣遠 于香英

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300022；2.天津市電力科技發(fā)展有限公司，天津 300010；3.河南省社會科學(xué)院，河南鄭州 450002）

微型電力物聯(lián)網(wǎng)終端能源管理系統(tǒng)專利技術(shù)應(yīng)用與研究

郭軍科1盧立秋1劉鴻芳1賀欣2歐廣遠3于香英2

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300022；2.天津市電力科技發(fā)展有限公司，天津 300010；3.河南省社會科學(xué)院，河南鄭州 450002）

能源管理問題是電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要考慮的重要方面，組建技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟更有利于形成具備專利壁壘的能源管理方案。本文提出的微型電力物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計采用了自有專利技術(shù)的電源管理系統(tǒng)，基于太陽能采集，采用MPPT最大功率跟蹤功能，提高能源的利用效率；采用超級電容進行能量存儲，有效提高了終端的能量存儲能力；具有兩個DC-DC轉(zhuǎn)換單元，提供兩種電源輸出，顯著提高了系統(tǒng)的適用性，可以更好地服務(wù)于智能制造、柔性制造。

電力物聯(lián)網(wǎng)；電源管理；MPPT最大功率跟蹤；技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟；智能制造

物聯(lián)網(wǎng)是具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)，具有成本低、可快速部署等特點。[1]電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面向電力與電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠進行電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測，完成對智能電網(wǎng)設(shè)備的故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測以及電量統(tǒng)計。電力物聯(lián)網(wǎng)將提升電網(wǎng)信息化水平，有效提高電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量和運行能力。電力物聯(lián)網(wǎng)終端需要易于部署，并能夠在惡劣情況下或長時間監(jiān)測的環(huán)境中工作，因此在設(shè)計電力物聯(lián)網(wǎng)終端時必須要考慮能源管理問

題，不但要盡量降低終端的能源消耗，而且終端需要具備從環(huán)境中獲取能源的能力。[2-8]

本文為微型電力物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計了電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于太陽能采集技術(shù)，采用MPPT最大功率跟蹤功能，提高能源的利用效率；采用超級電容進行能量存儲，有效的提高了終端的能量存儲能力；具有兩個DC-DC轉(zhuǎn)換單元，提供兩種電源輸出，提高系統(tǒng)的適用性，為智能制造、柔性制造提供更具靈活性、適應(yīng)性的支持。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)終端電源管理系統(tǒng)

1 電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微控制器、傳感器、無線通信模塊和電源管理系統(tǒng)共同構(gòu)成了微型電力物聯(lián)網(wǎng)終端。微控制器將傳感器采集到的電力系統(tǒng)或電網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息，通過無線通信模塊發(fā)射出去。通常情況下，由于終端的低功耗需求，微控制器供電電壓為3.3V，而傳感器與無線通信模塊受模塊特性所限，可能需要5V供電。電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括以下幾個部分：

(1)太陽能收集器主要完成能量獲取，根據(jù)所需電能的多少決定采集器功率與面積的大小，以滿足不同應(yīng)用環(huán)境的需求。

(2)在不同的光照條件下，最大功率點也不同。通過MPPT最大功率率跟蹤模塊動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸出功率，系統(tǒng)可以一直工作在最大功率點附近。

(3)超級電容為儲能裝置，超級電容器功率密度較大，可用較大的電流進行上萬次的充放電，壽命較長。

(4)基于BQ25504的能量管理單元可以有效地獲取和管理來自能源獲取裝置的微瓦和毫瓦的電力。

(5)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊將提供3.3V和5V兩種電源輸出。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量動態(tài)平衡方程

傳感器節(jié)點獲取的能量必須大于或等于節(jié)點自身消耗的能量，傳感器節(jié)點才能持久的運行。傳感器節(jié)點所需要的能量為ESUM滿足：

ECPU中央處理器及存儲系統(tǒng)的能量消耗；ECOM通信系統(tǒng)能量消耗；ESEN傳感系統(tǒng)能量消耗；ESOLAR的能源，ESOL太陽能能源收集消耗的能源。其中通信模塊的功耗與數(shù)據(jù)的傳輸距離相關(guān)。由于系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的功耗相對較高，因此采用合理的喚醒機制，使系統(tǒng)在大多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)將會減少系統(tǒng)的整體功耗。

在太陽直射情況下太陽能電池的輸出功率約每平方厘米16-17毫瓦，轉(zhuǎn)化效率大約是16%-17%。設(shè)單位面積的太陽能電池板可以獲得的能量為Punit，太陽能電池板總面積為A，每天有效光照時間占全天的HSOLAR，則太陽能電池可以獲得的總能量為

為保障創(chuàng)感器節(jié)點能量供給的可靠性，引入能量供給冗余系數(shù)λ，滿足

由式（2,3）我們可以求得所需的太陽能電池的面積。

3 能量收集器

采取有效措施使傳感器結(jié)點實現(xiàn)能量自給自足，可以有效的解決物聯(lián)網(wǎng)終端的供電問題。微能源技術(shù)所采集的能源范圍十分廣泛，包括物質(zhì)空間里各種可利用的能源，例如光能、熱能、風能、振動能、化學(xué)能等。自然界中，太陽能是最豐富和最容易獲得的環(huán)境能源，與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，太陽能電池在轉(zhuǎn)化效率、設(shè)備搭建、環(huán)境保護等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。太陽能電池功率密度較高，在為終端設(shè)計能量收集裝置時，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用太陽能。

圖2 太陽能電池光伏特性

太陽能電池光伏特性如圖2。在特定的日照強度和溫度下，太陽電池具有唯一的最大功率點，此時，太陽能

電池可以輸出最大功率。通常，太陽能電池的最大功率點在開路電壓的75%～80%附近?？梢酝ㄟ^跟蹤開路電壓，可以使電池的輸出功率保持在較高的水平。

電源管理芯片BQ25504的輸入電壓在0～5.5V，支持輸入功率范圍在0～300mW之間，因此我們選用尺寸為6cm×6cm的多晶硅太陽能電池板，輸出電壓為2V，短路電流為150mA，功率為300mW。

4 能量管理單元

能量管理單元基于BQ25504實現(xiàn)，該芯片是用于毫微瓦（超低）功耗能量收集和管理應(yīng)用的高效升壓充電器IC，利用該芯片，可以方便的實現(xiàn)能源收集與管理系統(tǒng)，將太陽能、熱電、電磁和振動能量等廣泛能量源產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，并進行存儲與利用。該IC具有高轉(zhuǎn)換功率、低靜態(tài)電流、可以連接多種能量源和能量存儲元件的靈活性的特點。能量管理單元采用太陽能收集模式，借助可對比的光強度，能將可用能量收集效率提高30%到70%，這有助于系統(tǒng)減少太陽能充電時間，提高在不良天氣時系統(tǒng)的生存能力，同時可以降低系統(tǒng)的成本。原理圖如圖3。

圖3 BQ25504電源管理原理圖

BQ25504芯片采用一個可編程最大功率點跟蹤(MPPT)采樣網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化至器件的功率傳輸。MPPT的實現(xiàn)由引腳3上的采樣電壓VREF_SAMP與引腳2上開路電壓VIN_DC的比率來實現(xiàn)，這兩個電壓的關(guān)系為：

通過采用合適的Roc1與Roc2即可以實現(xiàn)MPPT，通過調(diào)節(jié)這兩個電阻的比率可以使輸出一直保持在一個穩(wěn)定的最大功率輸出點。根據(jù)芯片手冊指導(dǎo)，對于太陽能采集，電池運行在它們開路電壓80%的最大功率點上，本設(shè)計中Roc1取6MΩ，Roc2取4MΩ。

為防止損壞用戶的存儲元件，該芯片可根據(jù)用戶設(shè)定的過壓（OV）和欠壓（UV），對最高和最低電壓進行監(jiān)視。通過采用合適的欠壓過壓電阻組合可以設(shè)計所需的保護電壓。其中電池欠壓電壓VBAT_UV，過壓電壓VBAT_OV分別由式(2)、式(3)決定，式中VBIAS為芯片中設(shè)定過壓欠壓電壓值的參考電壓，典型應(yīng)用中為1.25 V。其中RUV1與RUV2的和必須約為10MΩ，ROV1與R0V2的和也必須約為10MΩ，在本設(shè)計根據(jù)電池實際情況取VBAT_UV為2.3V，VBAT_OV為2.7V，于是采用的RUV1、RUV2、ROV1、ROV2分別為5.4MΩ、4.6MΩ、6.9MΩ、3.1 MΩ。

5 能量存儲系統(tǒng)

系統(tǒng)采用超級電容作為系統(tǒng)的蓄能原件，將升壓后的電能儲存在超級電容內(nèi)，并在需要時將能量送入系統(tǒng)。超級電容是一種新型儲能元件，過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負面影響，無須特別的充電電路和控制放電電路；功率密度比電池高出10～100倍，存儲能量可達到靜電電容器的100倍以上；同時，超級電容還具有充電速度快使用壽命長、低溫性能優(yōu)越等特點。當超級電容充電時，泄漏電流會隨著時間而衰減，最終泄漏電流會穩(wěn)定在一個均衡值，經(jīng)驗估計算法為室溫下1μA/F。

本設(shè)計中，選擇Maxwell生產(chǎn)的BCAP00100 P270 T01型超級電容，額定電壓2.7V，容量100F。

6 電源輸出模塊

TPS61230是一款高效的同步升壓轉(zhuǎn)換器，可以支持最低3.3V輸入電壓供電，輸出電壓為5V時傳遞高達2.1A的輸出電流。在輕負載期時，TPS61230可以自動進入省電模式，以最低的靜態(tài)電流實現(xiàn)最大功率。當負載完全斷開時，并且輸入流耗減少至1.5μA，這也使得能量能夠得到最大化的利用?；赥PS61230的電源管理原理圖如圖4。

圖4 基于TPS61230的電源管理原理圖

圖5 基于LM1117的電源管理原理圖

LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。在壓差為1.2V輸出是，負載最大電流為800mA。LM1117輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)，同時提供電流限制和熱保護。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性?；贚M1117的電源管理原理圖如圖5.

7 結(jié)語

單純使用電池供電和有線供電的無線傳感器節(jié)點在成本和可操作性上均存在局限性，不能滿足電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用要求。課題組依托南開大學(xué)以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合方式研發(fā)成功了收集太陽能作為能量補給的面向電力物聯(lián)網(wǎng)終端的電源管理系統(tǒng)。[9]該電源管理系統(tǒng)采用MPPT最大功率跟蹤功能技術(shù)提高能源的利用效率；采用了超級電容提高了終端的能量存儲能力。新的能量來源和專利技術(shù)的應(yīng)用，提升了系統(tǒng)的耐用度和持久性。大容量鋰電池或者用多電池輪流供電擴大了系統(tǒng)的適用區(qū)域。實驗證明，該管理系統(tǒng)可以更好地服務(wù)于智能制造、柔性制造。

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Application and Research of Internet of Things in Power System Microterminal Energy Management Patent Technology

Guo Junke1Lu Liqiu1Liu Hongfang1He Xin2Ou Guangyuan3Yu Xiang2
(1.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute,Tianjin300022; 2.Electric Power Technology Development Co,.Ltd,Tianjin300022; 3.Henan Academy of Social Sciences,Zhengzhou Henan 450002)

Energy management is an important aspect of the application of the Internet of things,the formation of tech?nological innovation alliance is more conducive to the formation of the energy management program with patent barri?ers.In this paper,Internet of Things in Power System Microterminal adopts the power management system of its own patented technology,based on solar energy collection,using the MPPT maximum power tracking function,improve energy efficiency;energy storage using super capacitor,effectively improve the energy storage capacity of the termi?nal;with two DC-DC conversion unit provides two power output and improve the applicability of the system,can bet?ter serve the intelligent manufacturing and flexible manufacturing.

Internet of things in power system;energy management;maximum power point tracking;technology inno?vation alliance;intelligent manufacturing

F416.2

A

1003-5168（2016）08-0066-04

2016-7-20

郭軍科（1971-），男，本科，研究方向：電力及相關(guān)化學(xué)應(yīng)用研究。

本文系河南省政府決策研究招標課題“《中國制造2025河南行動綱要》實施的知識產(chǎn)權(quán)政策保障研究”（編號：2016B082）；河南省軟科學(xué)研究計劃項目“新常態(tài)下河南省培育中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的政策支持研究”（編號：162400410303）階段性成果。