[實用新型]一種多能源復合供電的能源系統

有效

• 申請號: 201721919732.6
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN207947638U
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 張斌;何志超;汪浩鵬;尹亞江;汪志強
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司信息科學研究院
• 主分類號: H02J7/35
• 分類號: H02J7/35;H02J7/34;H02S10/10;H02J1/10
• 代理公司: 北京中知法苑知識產權代理事務所(普通合伙) 11226
• 代理人: 常玉明;張蘭海

本實用新型公開了一種多能源復合供電的能源系統，通過同時采用多種形式的能源，有針對地利用這些能源的各自特點，彌補了單一能源壽命短、持續工作時間不長及受環境影響大的缺點，在利用鋰電池、燃料電池供能的同時，能夠收集環境中的振動能量及太陽能，在環境中存在明顯機械振動或陽光充足時，實現能量的長時間穩定收集。

技術領域

本實用新型涉及復合能源技術，具體而言，是由振動能量收集器、太陽能電池、燃料電池、鋰電池及超級電器組成的復合電源的控制技術領域。

背景技術

無論是在工業應用中，由大規模無線傳感器節點組成的無線傳感網絡在監控和傳感領域有著非常廣泛的應用。傳統無線傳感器節點大多采用單一化學電源的方式驅動節點的控制器和傳輸器進行工作。普通的化學電池屬于易耗品，其電量和放電時間均有限，而且由于自身存在漏電，其在長期工作條件下的穩定性與可靠性較低。

無線傳感網絡的實際應用環境普遍存在太陽能及振動機械能。倘若能夠在白天時收集太陽能量，在夜間或弱光條件下收集振動能量，并將這兩種能量積累儲存，可以有效驅動傳感節點的工作。

現有的電子設備中通常采用太陽能電池作為單一形式的外部能源為設備提供電力供給，并使用唯一的鋰電池作為儲能單元。單一能源的能量供給雖然結構設計簡便，但是在環境中，能量存在很多不確定性。單一能源的能量系統對環境的依賴性很大，如果工作環境發生了變化，能源的穩定性、適用性可能會大幅下降。在另一方面，使用傳統的電池技術存在能量密度低、壽命有限的問題，針對大面積的無人值守傳感器而言，更換電池是非常困難的。

在這種大環境下，復合能源技術應運而生，目前常見的復合能源技術通常包括鋰電池、燃料電池和超級電容模組。超級電容具有高功率密度的特點，可以滿足舒適高功率的輸出需求，適合于用作振動能、太陽能等微弱能源的儲能單元，通過合理的控制電荷輸出就可以實現微弱電源的能量輸出。燃料電池的能量密度比高，壽命長，而且相比于鋰電池充電，燃料電池補充燃料更為方便快捷，可以在很短的時間內實現能量的補充，適用于長時間、低功耗無人系統的應用。鋰電池的充放電管理技術現階段都已經非常成熟，并且鋰電池的輸出電流相比于燃料電池要高很多，因此采用鋰電池作為復合能源系統的主要功能單元，可以驅動系統中的轉換電路、控制電路及監控電路等。

然而，在實際工作環境中，往往存在振動能及太陽能，其產生的能量往往是微弱的、持續的，而且振動能量收集器的特點是輸出電壓高、放電電流低，因此它們不適合直接接入負載中使用，會造成能量的浪費甚至造成負載電子系統的高壓擊穿。

此外，對于多種能源的復合系統，不同能源的放電特性均有很大差異。鋰電池可以長時間較大電流放電，但是壽命不長；燃料電池雖然彌補了鋰電池的壽命、能量密度比問題，但是其不適用于瞬時高電流放電；而超級電容器的漏電流跟大，如果不對超級電容器和鋰電池之間的電荷流動加以控制，很容易造成電池的大電流過放電，導致電池損壞，甚至出現安全隱患。

實用新型內容

為了解決單一能源供電受環境局限性大、壽命低及需要較為頻繁地維護問題，本實用新型提出了一種由燃料電池、鋰電池、超級電容器、振動能量收集器及太陽能電池組成的能源系統。燃料電池彌補鋰電池不能長期續航的問題；利用鋰電池的充放電特性實現系統富裕能量的儲存；超級電容器將能量收集器、太陽能電池的持續電荷輸出儲存，在合適的控制下釋放。

方案如下：

一種多能源復合供電的能源系統，所述能源系統包括復合電源系統及電源管理系統；

所述的復合電源系統包括微弱電源模塊、儲能模塊及燃料電池；微弱電源模塊用于收集外界環境中的微弱能量并將其轉化為電能，燃料電池將高儲能化學燃料轉化為電能，儲能模塊用于緩存微弱電源模塊和燃料電池發出的電能并平滑復合電源系統的功率輸出；