[实用新型]一种多能源复合供电的能源系统

说明书

本实用新型公开了一种多能源复合供电的能源系统，通过同时采用多种形式的能源，有针对地利用这些能源的各自特点，弥补了单一能源寿命短、持续工作时间不长及受环境影响大的缺点，在利用锂电池、燃料电池供能的同时，能够收集环境中的振动能量及太阳能，在环境中存在明显机械振动或阳光充足时，实现能量的长时间稳定收集。

技术领域

本实用新型涉及复合能源技术，具体而言，是由振动能量收集器、太阳能电池、燃料电池、锂电池及超级电器组成的复合电源的控制技术领域。

背景技术

无论是在工业应用中，由大规模无线传感器节点组成的无线传感网络在监控和传感领域有着非常广泛的应用。传统无线传感器节点大多采用单一化学电源的方式驱动节点的控制器和传输器进行工作。普通的化学电池属于易耗品，其电量和放电时间均有限，而且由于自身存在漏电，其在长期工作条件下的稳定性与可靠性较低。

无线传感网络的实际应用环境普遍存在太阳能及振动机械能。倘若能够在白天时收集太阳能量，在夜间或弱光条件下收集振动能量，并将这两种能量积累储存，可以有效驱动传感节点的工作。

现有的电子设备中通常采用太阳能电池作为单一形式的外部能源为设备提供电力供给，并使用唯一的锂电池作为储能单元。单一能源的能量供给虽然结构设计简便，但是在环境中，能量存在很多不确定性。单一能源的能量系统对环境的依赖性很大，如果工作环境发生了变化，能源的稳定性、适用性可能会大幅下降。在另一方面，使用传统的电池技术存在能量密度低、寿命有限的问题，针对大面积的无人值守传感器而言，更换电池是非常困难的。

在这种大环境下，复合能源技术应运而生，目前常见的复合能源技术通常包括锂电池、燃料电池和超级电容模组。超级电容具有高功率密度的特点，可以满足舒适高功率的输出需求，适合于用作振动能、太阳能等微弱能源的储能单元，通过合理的控制电荷输出就可以实现微弱电源的能量输出。燃料电池的能量密度比高，寿命长，而且相比于锂电池充电，燃料电池补充燃料更为方便快捷，可以在很短的时间内实现能量的补充，适用于长时间、低功耗无人系统的应用。锂电池的充放电管理技术现阶段都已经非常成熟，并且锂电池的输出电流相比于燃料电池要高很多，因此采用锂电池作为复合能源系统的主要功能单元，可以驱动系统中的转换电路、控制电路及监控电路等。

然而，在实际工作环境中，往往存在振动能及太阳能，其产生的能量往往是微弱的、持续的，而且振动能量收集器的特点是输出电压高、放电电流低，因此它们不适合直接接入负载中使用，会造成能量的浪费甚至造成负载电子系统的高压击穿。

此外，对于多种能源的复合系统，不同能源的放电特性均有很大差异。锂电池可以长时间较大电流放电，但是寿命不长；燃料电池虽然弥补了锂电池的寿命、能量密度比问题，但是其不适用于瞬时高电流放电；而超级电容器的漏电流跟大，如果不对超级电容器和锂电池之间的电荷流动加以控制，很容易造成电池的大电流过放电，导致电池损坏，甚至出现安全隐患。

实用新型内容

为了解决单一能源供电受环境局限性大、寿命低及需要较为频繁地维护问题，本实用新型提出了一种由燃料电池、锂电池、超级电容器、振动能量收集器及太阳能电池组成的能源系统。燃料电池弥补锂电池不能长期续航的问题；利用锂电池的充放电特性实现系统富裕能量的储存；超级电容器将能量收集器、太阳能电池的持续电荷输出储存，在合适的控制下释放。

方案如下：

一种多能源复合供电的能源系统，所述能源系统包括复合电源系统及电源管理系统；

所述的复合电源系统包括微弱电源模块、储能模块及燃料电池；微弱电源模块用于收集外界环境中的微弱能量并将其转化为电能，燃料电池将高储能化学燃料转化为电能，储能模块用于缓存微弱电源模块和燃料电池发出的电能并平滑复合电源系统的功率输出；