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混合能源收集模型下自适应能量存储管理关键技术研究

贾景润  
【摘要】:随着无线传感器网络的快速发展,而无线传感器节点(Wireless Sensor Node,WSN)的供电问题成为了发展的瓶颈。微能量采集技术(Energy Harvesting,EH)为无线传感器节点提供了新的能源解决方案,通过采集太阳能、电磁能、热能等方式进行自供电工作。微能量采集技术能有效降低传统无线传感器网络节点电池更换的成本,从而有效延长无线传感器网络的寿命。目前采用微能量采集技术进行自供电的无线传感器网络仍存在以下问题:(1)微型环境能量稳定性较低。微型环境能量受环境因素影响较大,单一的环境能量采集供电方式存在诸多局限性,无法实现同等量级的不间断供电;(2)节点能量管理失配。采集能量与无线传感器节点工作所需能量总是存在着大量的时间失配,并且在能量采集管理架构中较高的能量转换比率导致系统架构较低的端到端的能量转换效率,造成采集能量的浪费问题。针对以上问题,本文提出了一种混合低频电磁场与太阳能能量采集系统以及混合能量采集下的自适应能量存储管理控制方法,本文主要工作如下:(1)首先提出一种“工字型”低频电磁场远场采集器,通过模拟700A高压输电线下电磁场分布情况,在输电线下离地距离2-6米的条件下采集功率达到0.17-0.46mW,进一步分析对比得出所提出采集器相对于其他同类型采集器具有更高的功率密度和更小的几何外形,实验结果表明,在7μT的外部磁场情况下,提出的“工字形”低频电磁场采集器能够独立实现PMIC(Power Management Integrated Circuit,功率管理集成电路)的“冷启动”与正常工作,并持续为无线传感器节点供电。(2)针对单一环境能量稳定性较低的问题,提出了一种混合低频电磁场与太阳能能量采集系统,通过设计混合太阳能与低频电磁场转换电路及功率管理单元(Power Management Unit,PMU),获得在最大功率点(Maximum Power Point,MPP)工作条件下电路转换效率可达61.68%。最后实验结果表明,混合的太阳能与低频电磁场采集器可以在外部磁场低至5.5μT及太阳能光照强度200lux的情况下可以越过PMIC“冷启动”,使能量供应持续稳定。提出的混合低频电磁场与太阳能采集器能够解决无法在夜间通过太阳能为无线传感器节点供电的问题,同时提高整体采集效率。(3)针对节点能量管理失配的问题,设计了能量感知单元(Energy Aware Unit,EAU)以及相应的能量感知策略用来控制储能单元到无线传感器节点之间的能量传输,同时为了提高采集器后端到负载前端的能量转换效率,在传统的能量采集基础上提出了多模式自适应能量采集管理方法,利用锂电池与超级电容混合存储最大限度的降低了能量转换过程中锂电池的参与(充电或放电),增加了瞬态能量缓冲能力并降低整体功率转换损耗。实验结果表明,当负载消耗总能量与采集总能量一致且负载活跃状态消耗能量是负载睡眠状态消耗能量的10倍时,所提出多模式自适应能量采集管理架构相比传统架构的端到端能量转换效率提升了2.75倍,有效的降低了能量转换过程中的损耗,提高了能量采集管理架构的端到端能量转换效率。与单一的环境能量采集供电方式相比,混合环境能量具有更高的能量密度,同时可以有效克服单一能量受环境因素的影响实现能量的互补。文中设计的能量感知单元以及多模式自适应能量采集管理方法有效解决了能量失配问题并提高了端到端能量转换效率,对延长无线传感器网络生存周期进一步推动无线传感器网络的发展具有重要意义。


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