光伏-燃料电池复合电源管理电路的设计与研究

作     者：姚丽珠 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宇峰

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：微能源 能量收集 电源管理 逻辑控制 

摘      要：我国全面进入人工智能时代,新能源的到来为常规电源和无线传感网络带来新的机遇和挑战。无线传感器节点数量众多且尺寸较小,频繁更换电池不切实际,传统电池的废弃和回收也易对环境造成污染。如何高效收集、转化新能源为传感节点供电,是无线传感网络低功耗设计的关键。本文从理论仿真、电路设计和系统测试三方面进行探讨,提出一种低压自启动式复合电源管理电路。首先分析光伏电池、锂电池、微型燃料电池的输出特性,建立PV模型并融合管理策略,搭建输入功率200m W的复合电源管理系统级仿真模型。仿真结果表明:该系统模型可快速响应环境因子变化且续航稳定。结合仿真数据和各传感设备的功率需求,按照能量收集-存储-转化的电路结构设计,以光伏电池作为启动源,微型燃料电池为后备电源,采用数字逻辑控制设计方法搭建低压启动电源管理硬件电路。然后根据复合能源间的工作特异性,对系统内部多路能量流动管理,完成了在不同光照环境下电源间切换仲裁。通过改进电路结构、板载锂离子电池并修正微矩形J32H-21ZK-I接口满足电流承载需求,优化板集成度提高24.26%,高度降低50%。最后完成系统测试与仿真结论对比,证实仿真模型的准确性。经测试,系统的平均充电储能效率39.8%,系统平均输出效率达77.48%,最低380m V自启动能量收集,基本实现了低压启动式光伏-燃料电池复合管理电路设计目标,具有较强的能源自主性。最终实现的光伏-燃料电池复合管理电路解决了微弱能量自启动的问题,搭配燃料电池有效延长系统续航时间,提高系统在极端环境下的适应性,为自供能无线设备节点长期无人值守提供电源保障。