面向无线传感器网络节点的微型光伏电源系统研究

【摘要】：本世纪初以来无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)开始在国内外学术界和产业界引起了广泛的关注,并在多种应用领域中取得了重大进展,在国际上已被认定为继互联网之后的第二大网络。能源受限是WSN快速发展中遇到的重要瓶颈之一,是制约节点能力和使用寿命的根本原因,因此为WSN节点提供充足的永久的免维护的能源保障是完善WSN设计的最终目标之一。通过微能量收集技术从环境中不断获取可持续性能源是当前WSN设计和可再生能源应用中的一个新兴研究课题。由于太阳能具有较高的能量密度和均匀的资源分布,特别是它永不枯竭和方便预测的特点,使其较其它环境能源更加适用于分布随机,无人值守的传感器网络节点。因此基于太阳能的微型光伏电源系统逐渐成为当前WSN节点能源解决方案的一个重要研究热点。 在完成了对国内外前沿技术全面调研的基础上,本文基于一整套优化的设计方法为WSN节点设计了一款高效率、低成本、高可靠性的光伏电源管理系统。根据自顶向下的设计思想,我们对微型光伏电源系统做了模块划分,给出了每个模块的功能定义,并对各模块设计中的关键技术逐一进行了深入讨论。本文中的微型光伏电源系统主要包括四部分：微型规模的太阳电池,它是光电能量转换器；能量存储单元,用于存储静电能量；光伏能量收集器,它在最大功率点跟踪技术控制下实现了高效率的功率转换；直流电压变换器,根据负载需要提供稳定电压输出。我们研究了太阳电池的等效电路模型和模型参数提取方法,将解析法与数值法相结合提出了一种名为混合法的简便精确的参数提取方法,从而为光伏电源系统芯片的仿真提供了太阳电池的精确模型；文中分析并对比了多种光伏电池的最大功率点跟踪算法和功率转换电路实现方法,针对微型光伏系统设计了一款基于Boost拓扑结构和开路电压法的最佳模式微能量收集器；为了进一步提高效率和降低成本,本文提出了一种基于滞环控制的Buck型DC-DC变换器,设计了基于CMOS反相器的滞环比较器用于实现没有静态功耗的电压变换,同时采用了DCM工作模式的同步整流技术,进一步减小了电感续流时的导通损耗；在能量储存单元的设计中我们使用超级电容代替蓄电池,这是因为超级电容的使用寿命更长,控制电路更简单,特别是它的充放电基于物理效应使用中清洁无污染。最后我们以一个自定义的WSN节点为例,采用上述优化的设计方法,在华虹NEC的BCD350工艺下完成了一个高效率低成本的微型光伏电源系统芯片设计,并以分立元件验证了系统功能。 综上所述,本文为微型光伏电源系统提供了一套设计方法,从而为解决WSN节点能源受限问题提供了一种优化后的可行性解决方案,相较于现有其它研究成果更简便更高效。 【关键词】：微型光伏电源系统 太阳电池建模 微能量收集器 最大功率点跟踪 DC-DC变换器
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 引言13-24
• 第一节 选题背景和研究目的13-18
• 1.1.1 无线传感器网络13-15
• 1.1.2 WSN的资源受限问题15
• 1.1.3 WSN节点能源问题解决现状15-17
• 1.1.4 太阳能在WSN中的优势17-18
• 第二节 光伏系统概述18-21
• 1.2.1 光伏系统分类介绍18-20
• 1.2.2 微型光伏电源系统的发展现状20-21
• 第三节 本文主要研究工作和创新点21-22
• 第四节 论文的组织结构22-24
• 第二章 微型光伏电源系统的设计规划24-34
• 第一节 WSN节点的能源需求24-25
• 第二节 系统规划和系统能流分析25-27
• 2.2.1 模块划分和功能定义25-26
• 2.2.2 系统的能流分析26-27
• 第三节 光伏组件设计27-28
• 第四节 能量存储单元---超级电容28-33
• 2.4.1 超级电容的工作原理28-29
• 2.4.2 超级电容的主要优缺点29-30
• 2.4.3 超级电容等效电路模型30-32
• 2.4.4 超级电容在光伏系统中的应用32-33
• 第五节 本章小结33-34
• 第三章 太阳电池的建模研究34-55
• 第一节 太阳电池概述34-37
• 3.1.1 太阳电池的分类和应用34-35
• 3.1.2 太阳电池的工作原理35-37
• 第二节 太阳电池的电学特性37-39
• 第三节 太阳电池的等效电路模型39-42
• 3.3.1 理想等效电路模型39-40
• 3.3.2 实际等效电路模型40-41
• 3.3.3 双指数等效电路模型41-42
• 3.3.4 光伏组件的等效电路模型42
• 第四节 模型参数提取研究42-53
• 3.4.1 解析法43-45
• 3.4.2 数值法45-48
• 3.4.3 混合法48-51
• 3.4.4 混合法提取参数实例51-52
• 3.4.5 参数修正52-53
• 第五节 本章小结53-55
• 第四章 微型光伏能量收集技术研究55-86
• 第一节 太阳电池的最大功率点跟踪技术55-57
• 4.1.1 MPPT的概念和基本原理55-56
• 4.1.2 MPPT控制算法概述56-57
• 第二节 微型光伏系统中MPPT控制算法研究57-63
• 4.2.1 最佳固定电压法(TBFV法)58-59
• 4.2.2 开路电压法(FOCV法)59
• 4.2.3 短路电流法(FSCC法)59-61
• 4.2.4 负载电流最大化法(LCM法)61
• 4.2.5 干扰观测法(P&O法)61-62
• 4.2.6 各种算法的优缺点对比分析62-63
• 第三节 FOCV算法的深入研究63-67
• 4.3.1 FOCV算法的理论证明63-66
• 4.3.2 实验验证66-67
• 第四节 微能量收集电路的拓扑结构67-80
• 4.4.1 Buck结构68-71
• 4.4.2 Boost结构71-73
• 4.4.3 Charge pump结构73-75
• 4.4.4 拓扑结构对比分析75-80
• 第五节 微型光伏能量收集器的硬件实现80-84
• 第六节 本章小结84-86
• 第五章 低功耗DC-DC转换器的分析与设计86-130
• 第一节 微型光伏电源系统中的DC-DC转换器86-88
• 5.1.1 设计指标的确定86-87
• 5.1.2 设计思想概述87-88
• 第二节 Buck型DC-DC转换器基础88-99
• 5.2.1 Buck型DC-DC转换器的稳态分析88-96
• 5.2.2 功耗分析96-99
• 第三节 超低功耗Buck型DC-DC变换器设计关键技术99-107
• 5.3.1 滞环控制模式99-103
• 5.3.2 同步整流技术103-107
• 第四节 子模块电路设计107-125
• 5.4.1 基准电路的分析与设计107-117
• 5.4.2 滞环比较器的分析与设计117-122
• 5.4.3 过零检测电路设计122-125
• 第五节 DC-DC变换器仿真验证125-129
• 5.5.1 Buck型DC-DC的整体电路125-126
• 5.5.2 DC-DC的输出特性126-127
• 5.5.3 负载调整率127
• 5.5.4 线性调整率127-128
• 5.5.5 转换效率128-129
• 第六节 本章小结129-130
• 第六章 系统整合设计130-141
• 第一节 系统整合电路设计130-132
• 第二节 系统功能仿真验证132-135
• 第三节 系统功能实验验证135-140
• 第四节 本章小结140-141
• 第七章 结论与展望141-144
• 第一节 全文总结141-142
• 第二节 未来工作展望142-144
• 参考文献144-151
• 致谢151-152
• 个人简历、学术论文与研究成果152

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