文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.007
中文引用格式： 陳怡，葛羽嘉，南余榮. 面向能量收集的電源技術(shù)綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：33-36，39.
英文引用格式： Chen Yi，Ge Yujia，Nan Yurong. Review of the power supply technologies oriented to energy harvesting[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：33-36，39.
0 引言
能量收集技術(shù)，又稱能量采集技術(shù)，2003年曾被MIT Technology Review評(píng)為十大改變世界新興技術(shù)之首。它是一種將環(huán)境中未使用的能量收集起來并轉(zhuǎn)換成可直接利用電能的技術(shù)[1]，發(fā)展至今已有超過20年的歷史。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，由于應(yīng)用領(lǐng)域狹窄，能量收集技術(shù)發(fā)展緩慢。但是，近年來飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、無線模塊、智能可穿戴設(shè)備等新興產(chǎn)業(yè)極大地推動(dòng)了能量收集技術(shù)的發(fā)展。
能量收集技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù)。電源技術(shù)是其重要的核心之一，主要研究能量收集與管理系統(tǒng)（見圖1）中能量收集器輸出側(cè)和系統(tǒng)負(fù)載側(cè)的電能平衡問題，目前主要包括以下三大研究分支（見圖2）：電力電子電路與集成、電能管理控制方法與實(shí)現(xiàn)、多源能量收集管理系統(tǒng)整合與優(yōu)化。它的任何突破性成果都將促使能量收集技術(shù)發(fā)生基礎(chǔ)性的變革。
1 面向能量收集的電力電子電路與集成
面向能量收集的DC-DC變換器和AC-DC整流器都是電能轉(zhuǎn)換模塊中必不可少的組件。它們的輸入電壓非常低而且變化范圍很寬，需要處理的電能大多處于毫瓦級(jí)及以下水平。目前，關(guān)于面向能量收集的電力電子電路與集成的研究工作主要聚焦于盡最大可能地降低DC-DC變換器和AC-DC整流器的自身損耗和啟動(dòng)電壓。
1.1 降低自身損耗的代表性方案
在單源能量收集應(yīng)用中，Boost變換器和Charge Pump變換器是最常用的DC-DC變換器。為了減小DC-DC變換器的自身損耗，普遍采取的措施包括選用導(dǎo)通壓降低的開關(guān)器件、改善開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)條件[2]、降低開關(guān)器件的反向偏置損耗[3]等。
在單源能量收集應(yīng)用中，橋式整流電路和倍壓整流電路是最常用的AC-DC整流器。此外，還有特別針對(duì)機(jī)械振動(dòng)能收集應(yīng)用的Switch-Only整流電路[4]、Bias-Flip整流電路[5]、雙向開關(guān)電感電路[6]等，分別如圖3(a)至圖3(c)所示。為了減小AC-DC整流器的自身損耗，通常采用同步整流技術(shù)構(gòu)建有源整流電路，即采用導(dǎo)通壓降低的開關(guān)器件組成有源二極管以代替導(dǎo)通壓降高的二極管[7-8]。
1.2 降低啟動(dòng)電壓的代表性方案
為了盡可能地降低DC-DC變換器的啟動(dòng)電壓，文獻(xiàn)[9]為Boost變換器引入一個(gè)由MOSFET和復(fù)用變壓器組成的正反饋環(huán)路。在Capacitor Pass-on自啟動(dòng)方法[10]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11]提出先由LC振蕩器級(jí)聯(lián)多級(jí)倍壓器構(gòu)成低壓?jiǎn)?dòng)器，再由低壓?jiǎn)?dòng)器、輔助Boost變換器、ZCS軟開關(guān)Boost變換器構(gòu)成三級(jí)結(jié)構(gòu)的電路，使整個(gè)電路在輸入電壓50 mV的條件下能逐級(jí)完成自啟動(dòng)。
將單極性的直流輸入電壓?jiǎn)?dòng)方案擴(kuò)展成雙極性的直流輸入電壓?jiǎn)?dòng)方案，不但可以增強(qiáng)DC-DC變換器的可靠性，而且還可以用于解決AC-DC整流器的啟動(dòng)問題。文獻(xiàn)[12]采用雙極型的Meissner振蕩器協(xié)助Flyback變換器完成了輸入電壓+/-40 mV條件下的啟動(dòng)工作。
2 面向能量收集的電能管理控制方法與實(shí)現(xiàn)
優(yōu)秀的電能管理控制方法能確保面向能量收集的電力電子電路盡最大能力地從能量收集器中獲取電能。目前，關(guān)于面向能量收集的電能管理控制方法與實(shí)現(xiàn)的研究工作主要聚焦于盡最大可能地令電力電子電路始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)(MPP)，同時(shí)盡最大可能地降低電能管理控制模塊的自身損耗和靜態(tài)電流。不同的能量收集器具有不同的輸出功率特性和等效電路模型[1](見圖4)，適用的MPP控制方法與實(shí)現(xiàn)也不盡相同。
2.1 面向光能收集的代表性MPP控制方案
文獻(xiàn)[13]提出利用光伏電池空載電壓信息估測(cè)MPP工作電壓，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的MPP滯環(huán)模擬控制電路令光伏能量收集效率獲得提升。文獻(xiàn)[14]結(jié)合可重構(gòu)Charge Pump變換器的工作特點(diǎn)，提出一種MPP模數(shù)混合控制方案，即先采用光伏電池MPP工作電壓估測(cè)的方法確認(rèn)電壓傳輸比的可選范圍，再通過工作頻率掃描跟蹤的方法找到并鎖定最優(yōu)的電壓傳輸比和工作頻率，以此獲取MPP。類似地，文獻(xiàn)[15]為Charge Pump變換器設(shè)計(jì)了一種不采用任何電流傳感器的低功耗MPP控制電路。當(dāng)Charge Pump變換器的輸出電壓因光強(qiáng)變化發(fā)生跌落時(shí)，該MPP控制電路的核心部分會(huì)啟動(dòng)并采用掃描方式調(diào)節(jié)光伏電池工作電壓的參考值直至光伏電池的輸出電壓與參考電壓一致，以此獲得MPP。文獻(xiàn)[16]則建議采用低功耗的單片機(jī)和可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)各種MPP數(shù)字控制算法，包括擾動(dòng)觀測(cè)法、增量電導(dǎo)法、模糊邏輯控制法、電流掃描法、紋波相關(guān)控制法等[17]。
2.2 面向熱能收集的代表性MPP控制方案
基于實(shí)測(cè)的熱能發(fā)電機(jī)等效電路模型，文獻(xiàn)[18]成功地將擾動(dòng)觀測(cè)法植入熱能收集應(yīng)用中。文獻(xiàn)[19]則采用阻抗匹配法獲得MPP，根據(jù)熱能發(fā)電機(jī)的等效內(nèi)阻預(yù)先計(jì)算并設(shè)定Boost變換器的工作頻率。在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[20]提出一種自適應(yīng)的阻抗匹配法，即定期跟蹤熱能發(fā)電機(jī)的空載電壓，實(shí)時(shí)調(diào)整Boost變換器的工作頻率，確保熱能發(fā)電機(jī)的工作電壓始終等于其空載電壓的一半。
2.3 面向機(jī)械能收集的代表性MPP控制方案
振動(dòng)能是一種常見的機(jī)械能。鑒于振動(dòng)能發(fā)電機(jī)的等效電路模型與熱能發(fā)電機(jī)的等效電路模型相似，面向振動(dòng)能收集的MPP控制方法既可參照面向熱能收集的MPP控制方法，也可參照面向光能收集的MPP控制方法。文獻(xiàn)[21]就兩級(jí)結(jié)構(gòu)的AC-DC整流器，提出根據(jù)負(fù)載電流變化率對(duì)后級(jí)Buck變換器的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)的方案，通過獲得負(fù)載電流最大值來確保兩級(jí)結(jié)構(gòu)的AC-DC整流器運(yùn)行于MPP。為解決持續(xù)跟蹤MPP的控制電路自身損耗較大的問題，文獻(xiàn)[22]提出一種松散的功率流控制方法，即采用以MPP工作電壓為基準(zhǔn)的滯環(huán)控制電路，間歇性地控制DC-DC變換器的運(yùn)行狀態(tài)，使之始終接近MPP。文獻(xiàn)[23]采用超低功率模擬電路和零偏置電流動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)了靜態(tài)電流低至450 nA的自適應(yīng)阻抗匹配MPP控制器。
3 面向能量收集的電能管理控制方法與實(shí)現(xiàn)
不同類型甚至相同類型的能源之間存在著一定的互補(bǔ)性，若能同時(shí)加以利用，可有效地減小電能存儲(chǔ)元件的容量。目前，關(guān)于多源能量收集與管理系統(tǒng)整合與優(yōu)化的研究工作主要聚焦于整合DC-DC變換器和AC-DC整流器，實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器和AC-DC整流器輸入側(cè)和輸出側(cè)的電氣兼容；整合MPP控制方法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在多源輸入的情況下仍能處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。
3.1 不同類型多源整合的代表性方案
多源能量收集與管理系統(tǒng)需要具備兼容直流（DC）型能量收集器和交流（AC）型能量收集器的能力。文獻(xiàn)[24]將有源整流電路和DCM Buck-Boost變換器整合成一個(gè)兼容DC和AC的單輸入電能轉(zhuǎn)換模塊，通過控制有源整流電路中四個(gè)MOSFET的狀態(tài)可規(guī)劃出DC-DC和AC-DC兩種電能變換路徑。同時(shí)，采用統(tǒng)一的迭代型MPP模擬控制電路，令DCM Buck-Boost變換器運(yùn)行于MPP附近。文獻(xiàn)[25]將多通道的開關(guān)接口電路和Buck-Boost變換器級(jí)聯(lián)成了一個(gè)多DC輸入和多AC輸入的電能轉(zhuǎn)換模塊，并采取優(yōu)先權(quán)策略來確保多路輸入源能協(xié)調(diào)工作。針對(duì)機(jī)械振動(dòng)能通道采用與輸入電壓峰值同步獲取電能的MPP控制方法，針對(duì)光能和熱能通道則采用開路電壓比率的MPP控制方法。文獻(xiàn)[26]在Boost變換器和Buck-Boost變換器的基礎(chǔ)上，采用開關(guān)矩陣構(gòu)建了一個(gè)多源輸入的雙路徑電能轉(zhuǎn)換模塊，并提出了阻抗匹配法與擾動(dòng)觀測(cè)法時(shí)分復(fù)用的MPP獲取方案。
此外，合理地收集并利用多種能量，通過取長(zhǎng)補(bǔ)短的方式可滿足某單一能源對(duì)能量收集與管理系統(tǒng)的特殊要求[19，27]，令整個(gè)能量收集與管理系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。
3.2 相同類型多源整合的代表性方案
相同類型的能量也存在著差異，因此多源能量收集與管理系統(tǒng)也需要包容相同類型能量之間的差異。針對(duì)多個(gè)錯(cuò)峰的機(jī)械振動(dòng)能收集應(yīng)用，文獻(xiàn)[28]在Buck-Boost變換器的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)多輸入的開關(guān)同步變換器，同時(shí)采用輸入電壓峰值同步獲取電能的MPP控制方法。針對(duì)多個(gè)光能收集的應(yīng)用，文獻(xiàn)[29]考慮常規(guī)MPP控制方案帶來的損耗，建議DC-DC變換器在高光照強(qiáng)度下仍采用常規(guī)的MPP控制方案，但是在低光照強(qiáng)度下則改用損耗較小的直接耦合的工作方式。
4 結(jié)論
新興市場(chǎng)需要高度集成的能量收集與管理系統(tǒng)，國(guó)際各著名IC制造廠商應(yīng)對(duì)需求陸續(xù)都有相關(guān)產(chǎn)品面世。隨著面向能量收集的電源技術(shù)產(chǎn)品化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，進(jìn)一步攻克相關(guān)研究領(lǐng)域中關(guān)鍵科技難題的愿望也變得越來越強(qiáng)烈。待進(jìn)一步解決的關(guān)鍵科技難題主要有以下三點(diǎn)：(1)更低輸入電壓條件下更低功耗的電路啟動(dòng)問題；(2)更低功耗地實(shí)現(xiàn)更精確跟蹤的MPP控制方法的問題；(3)更有效地實(shí)現(xiàn)多源能量收集與管理系統(tǒng)內(nèi)部融合的問題。今后，面向能量收集的電源技術(shù)發(fā)展將繼續(xù)圍繞上述三大關(guān)鍵科技難題展開，各種新的解決方案將不斷涌現(xiàn)。
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