基于室內(nèi)光能和振動能的復合式能量采集微電源系統(tǒng)研究.pdf

1、無線傳感網(wǎng)絡在環(huán)境、醫(yī)學、軍工、民用等領域具有廣闊的應用前景。但是，無線傳感器節(jié)點數(shù)量多、分布廣、有的部署于人不能涉足的惡劣環(huán)境或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部。傳統(tǒng)的電池使用壽命有限，而頻繁的電池維護就成為基于電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸問題，所以取代傳統(tǒng)電池采用新型的自供電能量采集技術(shù)成為了研究的熱點與重點。生活環(huán)境中充斥著豐富的光能和振動能，但是室內(nèi)光能能量密度低，而振動能又具有不連續(xù)性、隨機性等劣勢，所以單一形式的能量采集技術(shù)在特殊情況下無法

2、有效地完成傳感器節(jié)點的供能，因此本論文研究了基于室內(nèi)光能與振動能的復合式能量采集微電源系統(tǒng)。
　　論文首先研究了一種適用于室內(nèi)弱光條件下光伏電池模型的建模方法，通過PSPICE仿真模型與實驗結(jié)果對比，精確地模擬出微光條件下光伏電池的輸出特性，預測的短路電流誤差不超過2.55％、開路電壓誤差不超過1.8%，最大功率點處的電壓誤差不超過6.25%，為實現(xiàn)能量采集電源管理電路的輸入能量預測提供了理論基礎。接著設計了室內(nèi)光能采集電源管理系

3、統(tǒng)，提出一種新的最大功率點跟蹤(maximum power point track,MPPT)電路，給超級電容充電的效率比直接充電提升了3.24倍。經(jīng)計算，該電路的效率達到了71.9%；設計的能量瞬時釋放電路和穩(wěn)壓電路，可以讓超級電容從2V釋放到1V，為工作電壓至少為2.8V的無線溫濕度傳感器節(jié)點提供15個工作周期的能量。其次分析了壓電式微型風致振動能量收集器的輸出特性，建立等效電路模型，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果設計了相應的振動能量采集電源管

4、理系統(tǒng)，通過引入工作于DCM模式下的DC-DC變換器來實現(xiàn)與壓電換能器的最佳阻抗(30K)匹配，實驗測試表明，能量采集的效率提升了3.33倍；最后設計了復合式能量采集微電源管理電路，引入串聯(lián)接口電路，效率可達91.2%，是并聯(lián)接口電路的1.44倍；設計新的能量釋放電路，讓超級電容中的能量從4.4V釋放到3V，釋放的能量為51.8mJ，能夠驅(qū)動無線溫濕度傳感器節(jié)點工作10個周期以上。同時設計了鋰電池備用電源供電電路，解決了當超級電容中能量