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一种无电池的太阳能采集前端系统:用于单个太阳能电池供电多个物联网节点的系统级视角
A Battery-Less Energy Harvesting Front-End for Powering Multiple IoT Nodes Using Single Solar Cell: A System-Level Perspective
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 无电池光伏能量收集前端 物联网节点 最大功率点跟踪转换器 单电感多输出转换器 超级电容器 |
语言:
中文摘要
本文针对利用单个太阳能电池为多个自持续物联网(IoT)节点供电,开发无电池光伏能量收集前端提出了系统级考量。该系统架构第一级包含一个最大功率点跟踪转换器,第二级为单电感多输出(SIMO)转换器。超级电容器作为存储元件,取代了对环境有害的电池,满足了物联网节点在短时间活跃运行期间的瞬时高功率需求。开发了两种SIMO转换器拓扑以满足物联网节点的不同需求:拓扑一,即基于升降压的SIMO转换器;拓扑二,即基于降压的SIMO转换器。采用180纳米互补金属氧化物半导体(CMOS)技术将完整的无电池能量收集前端集成到单芯片中。测量结果证明了整个系统的有效性和能量自主运行能力。第一级可实现从太阳能收集器提取的功率最大化,第二级为多个物联网节点供电,同时具备冷启动和过压保护功能,确保整个系统可靠且自持续运行。
English Abstract
This article presents system-level considerations for developing a battery-less photovoltaic energy harvesting front-end for powering multiple self-sustainable Internet of Thing (IoT) nodes using a single solar cell. The system architecture includes a maximum power point tracking converter in the first stage, followed by a single-inductor multiple-output (SIMO) converter in the second stage. The instantaneous high power requirements of the IoT nodes under active operation for a short duration are fulfilled by a super-capacitor as a storage element replacing the use of environmentally hazardous batteries. Two SIMO converter topologies are developed to cater for the diverse requirements of IoT nodes: Topology-I, i.e., the buck–boost derived SIMO converter, and Topology-II, i.e., the buck-derived SIMO converter. The complete battery-less energy harvesting front-end is implemented in a single chip using 180-nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The efficacy and energy-autonomy operations of the overall system are demonstrated in the measured results. The first stage maximizes the power extraction from the solar harvester and the second stage delivers power to the multiple IoT nodes along with the cold-start and the over-voltage protection for a reliable and self-sustainable operation of the overall system.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项无电池光伏能量采集技术呈现出与我司分布式光伏和储能系统业务的潜在协同价值。该方案采用MPPT+SIMO双级架构,通过单个光伏电池为多个物联网节点供电,用超级电容替代化学电池,这与我司在清洁能源领域的战略定位高度契合。
技术价值方面,该系统解决了分布式物联网设备供电的关键痛点。对于阳光电源而言,这项技术可直接应用于光伏电站的智能监控系统,如组串级监测节点、环境传感器网络等场景。通过单芯片180nm CMOS工艺实现完整能量管理前端,展现了良好的集成度和成本控制潜力,这对我司开发下一代智能化光伏系统具有参考意义。超级电容的应用规避了电池维护成本和环境问题,与我司推广绿色能源的理念一致。
从技术成熟度评估,该方案已实现芯片级验证并展示了冷启动和过压保护等关键功能,但距离产品化仍需解决几个挑战:首先,超级电容的能量密度限制可能影响阴雨天等弱光场景的持续供电能力;其次,SIMO拓扑在多负载动态变化时的交叉调整率需要进一步优化;第三,180nm工艺虽然成熟但在极端环境下的可靠性需要长期验证。
对阳光电源的战略机遇在于,可将此技术整合到智慧能源管理平台中,构建"光伏电池-能量采集芯片-物联网传感网络"的完整生态。建议与芯片设计团队合作,针对光伏电站运维场景定制化开发,特别是在储能系统的分布式监测和氢能设备的无线传感应用方向进行技术储备。