微型電力物聯網終端能源管理系統專利技術應用與研究

郭軍科 盧立秋 劉鴻芳 賀欣 歐廣遠 于香英

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

微型電力物聯網終端能源管理系統專利技術應用與研究

郭軍科1盧立秋1劉鴻芳1賀欣2歐廣遠3于香英2

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

能源管理問題是電力物聯網應用需要考慮的重要方面，組建技術創新聯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網終端設計采用了自有專利技術的電源管理系統，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轉換單元，提供兩種電源輸出，顯著提高了系統的適用性，可以更好地服務于智能制造、柔性制造。

電力物聯網；電源管理；MPPT最大功率跟蹤；技術創新聯盟；智能制造

物聯網是具有戰略意義的高新技術和新興產業，具有成本低、可快速部署等特點。[1]電力物聯網是物聯網技術面向電力與電網系統的應用，能夠進行電網運行狀態監測，完成對智能電網設備的故障診斷、狀態監測以及電量統計。電力物聯網將提升電網信息化水平，有效提高電網的服務質量和運行能力。電力物聯網終端需要易于部署，并能夠在惡劣情況下或長時間監測的環境中工作，因此在設計電力物聯網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境中獲取能源的能力。[2-8]

本文為微型電力物聯網終端設計了電源管理系統，該系統基于太陽能采集技術，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轉換單元，提供兩種電源輸出，提高系統的適用性，為智能制造、柔性制造提供更具靈活性、適應性的支持。

圖1 電力物聯網終端電源管理系統

1 電源管理系統結構

微控制器、傳感器、無線通信模塊和電源管理系統共同構成了微型電力物聯網終端。微控制器將傳感器采集到的電力系統或電網設備的狀態信息，通過無線通信模塊發射出去。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。電源管理系統結構如圖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，以滿足不同應用環境的需求。

(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調整系統輸出功率，系統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轉換模塊將提供3.3V和5V兩種電源輸出。

2 無線傳感器網絡節點能量動態平衡方程

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

ECPU中央處理器及存儲系統的能量消耗；ECOM通信系統能量消耗；ESEN傳感系統能量消耗；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據的傳輸距離相關。由于系統在工作狀態下的功耗相對較高，因此采用合理的喚醒機制，使系統在大多數時間處于休眠狀態將會減少系統的整體功耗。

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，轉化效率大約是16%-17%。設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

為保障創感器節點能量供給的可靠性，引入能量供給冗余系數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點實現能量自給自足，可以有效的解決物聯網終端的供電問題。微能源技術所采集的能源范圍十分廣泛，包括物質空間里各種可利用的能源，例如光能、熱能、風能、振動能、化學能等。自然界中，太陽能是最豐富和最容易獲得的環境能源，與傳統化學電池相比，太陽能電池在轉化效率、設備搭建、環境保護等方面具有無可比擬的優勢。太陽能電池功率密度較高，在為終端設計能量收集裝置時，應該優先考慮采用太陽能。

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。可以通過跟蹤開路電壓，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，該芯片是用于毫微瓦（超低）功耗能量收集和管理應用的高效升壓充電器IC，利用該芯片，可以方便的實現能源收集與管理系統，將太陽能、熱電、電磁和振動能量等廣泛能量源產生的能量轉換為電能，并進行存儲與利用。該IC具有高轉換功率、低靜態電流、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%，這有助于系統減少太陽能充電時間，提高在不良天氣時系統的生存能力，同時可以降低系統的成本。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)采樣網絡以優化至器件的功率傳輸。MPPT的實現由引腳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，這兩個電壓的關系為：

通過采用合適的Roc1與Roc2即可以實現MPPT，通過調節這兩個電阻的比率可以使輸出一直保持在一個穩定的最大功率輸出點。根據芯片手冊指導，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，該芯片可根據用戶設定的過壓（OV）和欠壓（UV），對最高和最低電壓進行監視。通過采用合適的欠壓過壓電阻組合可以設計所需的保護電壓。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為芯片中設定過壓欠壓電壓值的參考電壓，典型應用中為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，在本設計根據電池實際情況取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

系統采用超級電容作為系統的蓄能原件，將升壓后的電能儲存在超級電容內，并在需要時將能量送入系統。超級電容是一種新型儲能元件，過充、過放都不對其壽命構成負面影響，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，最終泄漏電流會穩定在一個均衡值，經驗估計算法為室溫下1μA/F。

本設計中，選擇Maxwell生產的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，以最低的靜態電流實現最大功率。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。基于TPS61230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節器系列。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，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響應和穩定性。基于LM1117的電源管理原理圖如圖5.

7 結語

單純使用電池供電和有線供電的無線傳感器節點在成本和可操作性上均存在局限性，不能滿足電力物聯網的應用要求。課題組依托南開大學以產學研結合方式研發成功了收集太陽能作為能量補給的面向電力物聯網終端的電源管理系統。[9]該電源管理系統采用MPPT最大功率跟蹤功能技術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的應用，提升了系統的耐用度和持久性。大容量鋰電池或者用多電池輪流供電擴大了系統的適用區域。實驗證明，該管理系統可以更好地服務于智能制造、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：電力及相關化學應用研究。

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》實施的知識產權政策保障研究”（編號：2016B082）；河南省軟科學研究計劃項目“新常態下河南省培育中小企業技術創新聯盟的政策支持研究”（編號：162400410303）階段性成果。