微型电力物联网终端能源管理系统专利技术应用与研究

郭军科 卢立秋 刘鸿芳 贺欣 欧广远 于香英

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300022；2.天津市电力科技发展有限公司，天津 300010；3.河南省社会科学院，河南郑州 450002）

微型电力物联网终端能源管理系统专利技术应用与研究

郭军科1卢立秋1刘鸿芳1贺欣2欧广远3于香英2

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300022；2.天津市电力科技发展有限公司，天津 300010；3.河南省社会科学院，河南郑州 450002）

能源管理问题是电力物联网应用需要考虑的重要方面，组建技术创新联盟更有利于形成具备专利壁垒的能源管理方案。本文提出的微型电力物联网终端设计采用了自有专利技术的电源管理系统，基于太阳能采集，采用MPPT最大功率跟踪功能，提高能源的利用效率；采用超级电容进行能量存储，有效提高了终端的能量存储能力；具有两个DC-DC转换单元，提供两种电源输出，显著提高了系统的适用性，可以更好地服务于智能制造、柔性制造。

电力物联网；电源管理；MPPT最大功率跟踪；技术创新联盟；智能制造

物联网是具有战略意义的高新技术和新兴产业，具有成本低、可快速部署等特点。[1]电力物联网是物联网技术面向电力与电网系统的应用，能够进行电网运行状态监测，完成对智能电网设备的故障诊断、状态监测以及电量统计。电力物联网将提升电网信息化水平，有效提高电网的服务质量和运行能力。电力物联网终端需要易于部署，并能够在恶劣情况下或长时间监测的环境中工作，因此在设计电力物联网终端时必须要考虑能源管理问

题，不但要尽量降低终端的能源消耗，而且终端需要具备从环境中获取能源的能力。[2-8]

本文为微型电力物联网终端设计了电源管理系统，该系统基于太阳能采集技术，采用MPPT最大功率跟踪功能，提高能源的利用效率；采用超级电容进行能量存储，有效的提高了终端的能量存储能力；具有两个DC-DC转换单元，提供两种电源输出，提高系统的适用性，为智能制造、柔性制造提供更具灵活性、适应性的支持。

图1 电力物联网终端电源管理系统

1 电源管理系统结构

微控制器、传感器、无线通信模块和电源管理系统共同构成了微型电力物联网终端。微控制器将传感器采集到的电力系统或电网设备的状态信息，通过无线通信模块发射出去。通常情况下，由于终端的低功耗需求，微控制器供电电压为3.3V，而传感器与无线通信模块受模块特性所限，可能需要5V供电。电源管理系统结构如图1，主要包括以下几个部分：

(1)太阳能收集器主要完成能量获取，根据所需电能的多少决定采集器功率与面积的大小，以满足不同应用环境的需求。

(2)在不同的光照条件下，最大功率点也不同。通过MPPT最大功率率跟踪模块动态调整系统输出功率，系统可以一直工作在最大功率点附近。

(3)超级电容为储能装置，超级电容器功率密度较大，可用较大的电流进行上万次的充放电，寿命较长。

(4)基于BQ25504的能量管理单元可以有效地获取和管理来自能源获取装置的微瓦和毫瓦的电力。

(5)DC-DC转换模块将提供3.3V和5V两种电源输出。

2 无线传感器网络节点能量动态平衡方程

传感器节点获取的能量必须大于或等于节点自身消耗的能量，传感器节点才能持久的运行。传感器节点所需要的能量为ESUM满足：

ECPU中央处理器及存储系统的能量消耗；ECOM通信系统能量消耗；ESEN传感系统能量消耗；ESOLAR的能源，ESOL太阳能能源收集消耗的能源。其中通信模块的功耗与数据的传输距离相关。由于系统在工作状态下的功耗相对较高，因此采用合理的唤醒机制，使系统在大多数时间处于休眠状态将会减少系统的整体功耗。

在太阳直射情况下太阳能电池的输出功率约每平方厘米16-17毫瓦，转化效率大约是16%-17%。设单位面积的太阳能电池板可以获得的能量为Punit，太阳能电池板总面积为A，每天有效光照时间占全天的HSOLAR，则太阳能电池可以获得的总能量为

为保障创感器节点能量供给的可靠性，引入能量供给冗余系数λ，满足

由式（2,3）我们可以求得所需的太阳能电池的面积。

3 能量收集器

采取有效措施使传感器结点实现能量自给自足，可以有效的解决物联网终端的供电问题。微能源技术所采集的能源范围十分广泛，包括物质空间里各种可利用的能源，例如光能、热能、风能、振动能、化学能等。自然界中，太阳能是最丰富和最容易获得的环境能源，与传统化学电池相比，太阳能电池在转化效率、设备搭建、环境保护等方面具有无可比拟的优势。太阳能电池功率密度较高，在为终端设计能量收集装置时，应该优先考虑采用太阳能。

图2 太阳能电池光伏特性

太阳能电池光伏特性如图2。在特定的日照强度和温度下，太阳电池具有唯一的最大功率点，此时，太阳能

电池可以输出最大功率。通常，太阳能电池的最大功率点在开路电压的75%～80%附近。可以通过跟踪开路电压，可以使电池的输出功率保持在较高的水平。

电源管理芯片BQ25504的输入电压在0～5.5V，支持输入功率范围在0～300mW之间，因此我们选用尺寸为6cm×6cm的多晶硅太阳能电池板，输出电压为2V，短路电流为150mA，功率为300mW。

4 能量管理单元

能量管理单元基于BQ25504实现，该芯片是用于毫微瓦（超低）功耗能量收集和管理应用的高效升压充电器IC，利用该芯片，可以方便的实现能源收集与管理系统，将太阳能、热电、电磁和振动能量等广泛能量源产生的能量转换为电能，并进行存储与利用。该IC具有高转换功率、低静态电流、可以连接多种能量源和能量存储元件的灵活性的特点。能量管理单元采用太阳能收集模式，借助可对比的光强度，能将可用能量收集效率提高30%到70%，这有助于系统减少太阳能充电时间，提高在不良天气时系统的生存能力，同时可以降低系统的成本。原理图如图3。

图3 BQ25504电源管理原理图

BQ25504芯片采用一个可编程最大功率点跟踪(MPPT)采样网络以优化至器件的功率传输。MPPT的实现由引脚3上的采样电压VREF_SAMP与引脚2上开路电压VIN_DC的比率来实现，这两个电压的关系为：

通过采用合适的Roc1与Roc2即可以实现MPPT，通过调节这两个电阻的比率可以使输出一直保持在一个稳定的最大功率输出点。根据芯片手册指导，对于太阳能采集，电池运行在它们开路电压80%的最大功率点上，本设计中Roc1取6MΩ，Roc2取4MΩ。

为防止损坏用户的存储元件，该芯片可根据用户设定的过压（OV）和欠压（UV），对最高和最低电压进行监视。通过采用合适的欠压过压电阻组合可以设计所需的保护电压。其中电池欠压电压VBAT_UV，过压电压VBAT_OV分别由式(2)、式(3)决定，式中VBIAS为芯片中设定过压欠压电压值的参考电压，典型应用中为1.25 V。其中RUV1与RUV2的和必须约为10MΩ，ROV1与R0V2的和也必须约为10MΩ，在本设计根据电池实际情况取VBAT_UV为2.3V，VBAT_OV为2.7V，于是采用的RUV1、RUV2、ROV1、ROV2分别为5.4MΩ、4.6MΩ、6.9MΩ、3.1 MΩ。

5 能量存储系统

系统采用超级电容作为系统的蓄能原件，将升压后的电能储存在超级电容内，并在需要时将能量送入系统。超级电容是一种新型储能元件，过充、过放都不对其寿命构成负面影响，无须特别的充电电路和控制放电电路；功率密度比电池高出10～100倍，存储能量可达到静电电容器的100倍以上；同时，超级电容还具有充电速度快使用寿命长、低温性能优越等特点。当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，最终泄漏电流会稳定在一个均衡值，经验估计算法为室温下1μA/F。

本设计中，选择Maxwell生产的BCAP00100 P270 T01型超级电容，额定电压2.7V，容量100F。

6 电源输出模块

TPS61230是一款高效的同步升压转换器，可以支持最低3.3V输入电压供电，输出电压为5V时传递高达2.1A的输出电流。在轻负载期时，TPS61230可以自动进入省电模式，以最低的静态电流实现最大功率。当负载完全断开时，并且输入流耗减少至1.5μA，这也使得能量能够得到最大化的利用。基于TPS61230的电源管理原理图如图4。

图4 基于TPS61230的电源管理原理图

图5 基于LM1117的电源管理原理图

LM1117是一个低压差电压调节器系列。在压差为1.2V输出是，负载最大电流为800mA。LM1117输出电压的精度在±1%以内，同时提供电流限制和热保护。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。基于LM1117的电源管理原理图如图5.

7 结语

单纯使用电池供电和有线供电的无线传感器节点在成本和可操作性上均存在局限性，不能满足电力物联网的应用要求。课题组依托南开大学以产学研结合方式研发成功了收集太阳能作为能量补给的面向电力物联网终端的电源管理系统。[9]该电源管理系统采用MPPT最大功率跟踪功能技术提高能源的利用效率；采用了超级电容提高了终端的能量存储能力。新的能量来源和专利技术的应用，提升了系统的耐用度和持久性。大容量锂电池或者用多电池轮流供电扩大了系统的适用区域。实验证明，该管理系统可以更好地服务于智能制造、柔性制造。

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Application and Research of Internet of Things in Power System Microterminal Energy Management Patent Technology

Guo Junke1Lu Liqiu1Liu Hongfang1He Xin2Ou Guangyuan3Yu Xiang2
(1.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute,Tianjin300022; 2.Electric Power Technology Development Co,.Ltd,Tianjin300022; 3.Henan Academy of Social Sciences,Zhengzhou Henan 450002)

Energy management is an important aspect of the application of the Internet of things,the formation of tech⁃nological innovation alliance is more conducive to the formation of the energy management program with patent barri⁃ers.In this paper,Internet of Things in Power System Microterminal adopts the power management system of its own patented technology,based on solar energy collection,using the MPPT maximum power tracking function,improve energy efficiency;energy storage using super capacitor,effectively improve the energy storage capacity of the termi⁃nal;with two DC-DC conversion unit provides two power output and improve the applicability of the system,can bet⁃ter serve the intelligent manufacturing and flexible manufacturing.

Internet of things in power system;energy management;maximum power point tracking;technology inno⁃vation alliance;intelligent manufacturing

F416.2

A

1003-5168（2016）08-0066-04

2016-7-20

郭军科（1971-），男，本科，研究方向：电力及相关化学应用研究。

本文系河南省政府决策研究招标课题“《中国制造2025河南行动纲要》实施的知识产权政策保障研究”（编号：2016B082）；河南省软科学研究计划项目“新常态下河南省培育中小企业技术创新联盟的政策支持研究”（编号：162400410303）阶段性成果。