一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统及其控制方法

专利主权项内容

1.一种嵌入式可穿戴太阳能供电系统，其特征在于，包括太阳能电池模块、储能模块以及控制器；其中：太阳能电池模块，与控制器相连，该模块为柔性太阳能电池阵列，包括多片通过导线连接的柔性太阳能电池组件，用于将太阳能转换为电能；储能模块，与控制器相连，该模块由多个超级电容组成，用于储存电能；控制器，与太阳能电池模块、储能模块以及负载均相连，控制器用于在外界光照强度发生变化时，根据最大功率点追踪算法计算不断改变的最大功率点，提高太阳能电池模块的输出功率；并根据负载的所需能量的大小进行充放电管理，若负载所需能量少于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块同时为负载和储能模块供电；当负载所需能量大于太阳能电池模块提供的能量时，太阳能电池模块和储能元件同时为负载供电；嵌入式可穿戴太阳能供电系统还包括以下控制方法：设置太阳能供电系统的两种工作状态，包括：第一工作状态，DC/DC通路开启，MPPC通路关断；第二工作状态，DC/DC通路关断，MPPC通路开启；太阳能供电系统启动后运行在第一工作状态，太阳能供电系统实时检测太阳能电池模块的发电功率，当发电功率在一定时间内一直低于发电功率阈值，判断太阳光照强度处于较低水平，为节省系统功耗，关断DC/DC通路，开启MPPC通路，系统进入第二工作状态，微控制器进入低功耗模式，仅保留如下三个采集与调理电路：用于唤醒微控制器的太阳能电池电流比较电路，用于判断储能模块是否过压的电压比较电路，用于判断负载是否过流的电流比较电路，此时系统处于休眠状态；太阳能供电系统运行在第二工作状态时，微控制器处于低功耗模式；通过太阳能电池电流比较电路判断太阳能电池模块的电流是否达到设定值，若电流达到设定值，触发I/O中断，唤醒微控制器，关断MPPC通路，开启DC/DC通路，开启所有电压电流采集与调理电路，此时系统进入第一工作状态；太阳能供电系统在充电过程中采用最大功率点跟踪算法提高太阳能电池模块的输出功率，最大功率点跟踪算法是基于扰动观察法和导纳增量法的改进算法；最大功率点跟踪算法的具体方法为：最大功率点跟踪算法在系统启动初期采用恒定电压法运行多个周期，使太阳能电池模块的电压快速上升达到开路电压的75％，之后采用扰动观察法算法判断最大功率点的位置，即最大功率点的第一跟踪模式：当电压变化方向不变时，步长保持为初值不变；当跟踪方向改变时，说明已经通过了最大功率点，此时将步长减去一个常数C，反向寻找最大功率点，步长不断减小直到步长小于一个设定的最小值时，进入第二跟踪模式；在第二跟踪模式下，步长不再下降，这时通过导纳增量法在最大功率点附近进行微小的震荡；在光照强度缓慢改变的情况，忽略该微小的振荡；若最大功率点电压值出现了变化导致跟踪电压连续朝同一个方向变化超过2次，或太阳能电池模块的功率变化大于设定值时，判断外界光照环境发生骤变，进入第三跟踪模式；进入第三跟踪模式之后，采用变步长导纳增量法，根据功率对电压的导数来改变步长以快速追踪新的最大功率点，在第三跟踪模式运行一段时间后，电压逐渐接近最大功率点电压值，步长慢慢变小，直至小于阈值，再转入第一跟踪模式，继续采用扰动观察法找到准确的最大功率点，最后进入第二跟踪模式，进行稳定的最大功率跟踪。