在能量收集过程中功率变化的应对方案介绍

能量收集为需要超出电池容量限制的长期运行的应用提供了强大的解决方案。在个性化设计层面，工程师将能量收集视为“零功率”设计的解决方案，无需更换电池即可运行多年。在全球范围内，国家政策制定者希望制定路线图，表明对可再生能源的依赖程度越来越高。

然而，在这些微观和宏观层面，设计师和政策制定者面临着应对瞬时功率与可再生能源通过能量收集获得的平均功率之间的显着且通常随机的差异的挑战。实际上，由于环境来源的季节性，每日和短期的偶发变化，收获的能量输出可能会显着波动。太阳能和风能等熟悉的来源与季节和时间的平均值之间存在可预测的变化，并且由于零星的云层覆盖，流体大气现象和其他瞬态效应而导致不可预测的变化。

面对这些不确定性，能量收集应用设计人员需要预测能量波动，并且可以通过利用制造商提供的各种设计技术和组件来实现这一目标，包括ADI公司，凌力尔特公司，Maxim Integrated公司，精工电子公司，STMicroelectronics和德州仪器等。

优化能量转换

无论是为电网供电还是为简单的无线传感器节点供电，环境能源的波动都会给实现最佳能量转换带来困难。太阳能PV板在电池的功率曲线上产生最佳功率输出，称为最大功率点（MPP）。理论上，太阳能PV功率曲线表现出单一的MPP。然而，在实践中，云，灰尘或通过物体的阴影会导致功率曲线具有多个局部最大值（图1）。单电池PV能量收集设计面临类似的挑战，因为照明的变化导致MPP的相应变化。

图1：云阴影等外部效应会导致光伏电池板功率输出曲线波动，将理想的单个最大功率点转换为多个局部最大值 - 并且使能量转换的复杂化变得复杂。 （由Linear Technology提供）

太阳能转换系统依靠最大功率点跟踪（MPPT）算法来跟踪MPP的变化，调整面板上的负载以维持MPP的运行。为了简化基于MPPT的能量收集系统的设计，制造商将MPPT功能集成到专用的能量收集设备中，例如ADI公司的ADP5090，Linear Technology LT8490，STMicroelectronics SPV1040和Texas Instruments BQ25570。因此，设计人员可以轻松实现基于MPPT的能量收集，只需很少的额外外部元件（图2）。

图2：德州仪器BQ25570等专用IC提供基于MPPT的环境能量转换优化，提供全面的能量收集解决方案几个额外的组件。 （德州仪器公司提供）

功率储备

无论能量收集系统是为电网还是为简单的无线传感器节点供电，环境能量的波动挑战甚至优化的能量收集设计。平衡可用能源供应与持续的电力需求需要在能量收集设计中提供备用能源供应。虽然从环境供电的无线传感器节点到并网太阳能设施的规模发生了巨大变化，但备用电源的概念仍然保持不变。

对于单独的环境供电节点，工程师可以利用可用的小型储能设备，包括超级电容器和可充电电池，在环境能量减少时提供电力。此外，超级电容器和电池可以相互补充，分别以相对较高的水平提供短时间的功率突发，并在较长的时间内提供较低的功率水平。例如，Seiko Instruments CPH3225A超级电容器可以在一分钟内使用快速充电周期达到其全部4.6μAh容量的85％，相反，快速释放存储的能量以满足偶尔的峰值功率需求。另一方面，对于更长时间的电源要求，Seiko Instruments MS412FE等可充电电池可提供1 mAh的容量，但需要更多逐渐的充电和放电电流曲线。

这些储能装置的正常运行需要仔细管理充电和放电循环，以避免过压和欠压条件，这些条件会降低这些设备的性能甚至破坏它们。对于低压微型采集应用，设计人员可以利用凌力尔特公司的LTC3225和德州仪器BQ24640等设备，为包含多个超级电容器器件的设计提供专门的充电管理功能。例如，Linear LTC3225允许设计人员仅使用一个电阻器对充电电流进行编程。同时，该器件可自动平衡一对超级电容器上的电荷，而无需额外的平衡电阻（图3）。

图3：先进的充电管理设备集成了确保能量存储设备正常循环所需的全部功能。例如，凌力尔特公司的LTC3225可以管理并自动平衡一对超级电容器上的电荷，而无需额外的平衡电阻。 （由Linear Technology提供）

工程师可以找到各种专用设备，如凌力尔特公司的LTC3331和Maxim Integrated MAX17710，这些设备专为从环境能量中为电池充电而设计。例如，Maxim MAX17710可以从各种环境源获取功率，同时为不同电路提供稳压和非稳压电压输出，同时保持能量存储设备的电荷调节。 Linear LTC3331进一步简化了能量采集设计：通过其集成的全波桥式整流器，该器件只需极少的额外电路即可支持来自交流电源（如压电器件）的能量采集。

事实上，工程师可以找到提供更复杂功能的IC，集成了电池供电的能量收集应用所需的多种功能。例如，前面提到的ADI公司ADP5090，Linear Technology LT8490，STMicroelectronics SPV1040和Texas Instruments BQ25570器件将全面的充电管理功能与完整的MPPT功能相结合（例如，参见图2中TI BQ25570的VBAT输出）。

结论

太阳能，风能和其他可再生资源等环境能源的波动转化为电力输出的变化。在这种情况下，大规模的并网能量收集系统和更适度的微型采集应用同样面临着连续确保电力可用性的挑战。对于这些系统的设计者来说，平衡收获的电力和持续的需求不仅需要最大化瞬时能量转换，还需要在收获的能量逐渐减少时提供储备能量供应。特别是对于低压微型采集应用，收获的功率和功率需求之间的微小余量需要额外的关注。然而，对于这些系统的设计者而言，专用设备将能量收集与能量存储管理相结合 - 为处理能量收集应用的可变性提供了有效的解决方案。