能量收集為需要超出電池容量限制的長期運行的應(yīng)用提供了強大的解決方案。在個性化設(shè)計層面，工程師將能量收集視為“零功率”設(shè)計的解決方案，無需更換電池即可運行多年。在全球范圍內(nèi)，國家政策制定者希望制定路線圖，表明對可再生能源的依賴程度越來越高。

然而，在這些微觀和宏觀層面，設(shè)計師和政策制定者面臨著應(yīng)對瞬時功率與可再生能源通過能量收集獲得的平均功率之間的顯著且通常隨機的差異的挑戰(zhàn)。實際上，由于環(huán)境來源的季節(jié)性，每日和短期的偶發(fā)變化，收獲的能量輸出可能會顯著波動。太陽能和風(fēng)能等熟悉的來源與季節(jié)和時間的平均值之間存在可預(yù)測的變化，并且由于零星的云層覆蓋，流體大氣現(xiàn)象和其他瞬態(tài)效應(yīng)而導(dǎo)致不可預(yù)測的變化。

面對這些不確定性，能量收集應(yīng)用設(shè)計人員需要預(yù)測能量波動，并且可以通過利用制造商提供的各種設(shè)計技術(shù)和組件來實現(xiàn)這一目標(biāo)，包括ADI公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated公司，精工電子公司，STMicroelectronics和德州儀器等。

優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換

無論是為電網(wǎng)供電還是為簡單的無線傳感器節(jié)點供電，環(huán)境能源的波動都會給實現(xiàn)最佳能量轉(zhuǎn)換帶來困難。太陽能PV板在電池的功率曲線上產(chǎn)生最佳功率輸出，稱為最大功率點（MPP）。理論上，太陽能PV功率曲線表現(xiàn)出單一的MPP。然而，在實踐中，云，灰塵或通過物體的陰影會導(dǎo)致功率曲線具有多個局部最大值（圖1）。單電池PV能量收集設(shè)計面臨類似的挑戰(zhàn)，因為照明的變化導(dǎo)致MPP的相應(yīng)變化。

圖1：云陰影等外部效應(yīng)會導(dǎo)致光伏電池板功率輸出曲線波動，將理想的單個最大功率點轉(zhuǎn)換為多個局部最大值 - 并且使能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜化變得復(fù)雜。 （由Linear Technology提供）

太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)依靠最大功率點跟蹤（MPPT）算法來跟蹤MPP的變化，調(diào)整面板上的負載以維持MPP的運行。為了簡化基于MPPT的能量收集系統(tǒng)的設(shè)計，制造商將MPPT功能集成到專用的能量收集設(shè)備中，例如ADI公司的ADP5090，Linear Technology LT8490，STMicroelectronics SPV1040和Texas Instruments BQ25570。因此，設(shè)計人員可以輕松實現(xiàn)基于MPPT的能量收集，只需很少的額外外部元件（圖2）。

圖2：德州儀器BQ25570等專用IC提供基于MPPT的環(huán)境能量轉(zhuǎn)換優(yōu)化，提供全面的能量收集解決方案幾個額外的組件。 （德州儀器公司提供）

功率儲備

無論能量收集系統(tǒng)是為電網(wǎng)還是為簡單的無線傳感器節(jié)點供電，環(huán)境能量的波動挑戰(zhàn)甚至優(yōu)化的能量收集設(shè)計。平衡可用能源供應(yīng)與持續(xù)的電力需求需要在能量收集設(shè)計中提供備用能源供應(yīng)。雖然從環(huán)境供電的無線傳感器節(jié)點到并網(wǎng)太陽能設(shè)施的規(guī)模發(fā)生了巨大變化，但備用電源的概念仍然保持不變。

對于單獨的環(huán)境供電節(jié)點，工程師可以利用可用的小型儲能設(shè)備，包括超級電容器和可充電電池，在環(huán)境能量減少時提供電力。此外，超級電容器和電池可以相互補充，分別以相對較高的水平提供短時間的功率突發(fā)，并在較長的時間內(nèi)提供較低的功率水平。例如，Seiko Instruments CPH3225A超級電容器可以在一分鐘內(nèi)使用快速充電周期達到其全部4.6μAh容量的85％，相反，快速釋放存儲的能量以滿足偶爾的峰值功率需求。另一方面，對于更長時間的電源要求，Seiko Instruments MS412FE等可充電電池可提供1 mAh的容量，但需要更多逐漸的充電和放電電流曲線。

這些儲能裝置的正常運行需要仔細管理充電和放電循環(huán)，以避免過壓和欠壓條件，這些條件會降低這些設(shè)備的性能甚至破壞它們。對于低壓微型采集應(yīng)用，設(shè)計人員可以利用凌力爾特公司的LTC3225和德州儀器BQ24640等設(shè)備，為包含多個超級電容器器件的設(shè)計提供專門的充電管理功能。例如，Linear LTC3225允許設(shè)計人員僅使用一個電阻器對充電電流進行編程。同時，該器件可自動平衡一對超級電容器上的電荷，而無需額外的平衡電阻（圖3）。

圖3：先進的充電管理設(shè)備集成了確保能量存儲設(shè)備正常循環(huán)所需的全部功能。例如，凌力爾特公司的LTC3225可以管理并自動平衡一對超級電容器上的電荷，而無需額外的平衡電阻。 （由Linear Technology提供）

工程師可以找到各種專用設(shè)備，如凌力爾特公司的LTC3331和Maxim Integrated MAX17710，這些設(shè)備專為從環(huán)境能量中為電池充電而設(shè)計。例如，Maxim MAX17710可以從各種環(huán)境源獲取功率，同時為不同電路提供穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電壓輸出，同時保持能量存儲設(shè)備的電荷調(diào)節(jié)。 Linear LTC3331進一步簡化了能量采集設(shè)計：通過其集成的全波橋式整流器，該器件只需極少的額外電路即可支持來自交流電源（如壓電器件）的能量采集。

事實上，工程師可以找到提供更復(fù)雜功能的IC，集成了電池供電的能量收集應(yīng)用所需的多種功能。例如，前面提到的ADI公司ADP5090，Linear Technology LT8490，STMicroelectronics SPV1040和Texas Instruments BQ25570器件將全面的充電管理功能與完整的MPPT功能相結(jié)合（例如，參見圖2中TI BQ25570的VBAT輸出）。

結(jié)論

太陽能，風(fēng)能和其他可再生資源等環(huán)境能源的波動轉(zhuǎn)化為電力輸出的變化。在這種情況下，大規(guī)模的并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)和更適度的微型采集應(yīng)用同樣面臨著連續(xù)確保電力可用性的挑戰(zhàn)。對于這些系統(tǒng)的設(shè)計者來說，平衡收獲的電力和持續(xù)的需求不僅需要最大化瞬時能量轉(zhuǎn)換，還需要在收獲的能量逐漸減少時提供儲備能量供應(yīng)。特別是對于低壓微型采集應(yīng)用，收獲的功率和功率需求之間的微小余量需要額外的關(guān)注。然而，對于這些系統(tǒng)的設(shè)計者而言，專用設(shè)備將能量收集與能量存儲管理相結(jié)合 - 為處理能量收集應(yīng)用的可變性提供了有效的解決方案。