适用于可穿戴设备的柔性能源系统研究与设计.pdf

2023.7Vol.47No.7本刊特约吕冬翔，男，1987年生，博士，高级工程师，现任中电科十八所第八专业部部长，中国材料学会热电分会理事，IEEE高级会员。作为负责人承担预研课题多项，参与科技部重点研发计划、国家自然科学基金等多个重大重点项目。作为负责人赴南极主持建设了我国在南极洲首座风光燃储多能互补微电网系统；作为负责人主持完成了天津市科技重大科技攻关专项“天津号”纯太阳能车太阳能供电系统；作为负责人主持多项型号任务。曾获天津市国防工业“五一劳动奖章”，天津市“131青年科技人才”，中国电科集团“优秀共产党员”，获天津市科技进步一等奖一项（排名4），中国电科集团科技进步二等奖一项(排名1)，技术发明二等奖一项(排名3)，在 SCI/EI等国内外学术期刊和会议发表论文 20余篇，授权国家发明专利12项。收稿日期：2023-01-25吕冬翔博士适用于可穿戴设备的柔性能源系统研究与设计吕冬翔1，张晓辉2，李钏1,3，游藩4(1.中国电子科技集团公司 第十八研究所，天津 300384；2.北京理工大学 宇航学院，北京100091；3.中电科蓝天科技股份有限公司，天津 300384；4.中国人民解放军32382部队，北京100010)摘要：随着可穿戴设备的快速发展，智能手表、智能耳机、智能眼镜等设备已经越来越多地应用于社会生活的各种场景。这些可穿戴设备的供电也成为产品使用中亟待解决的核心问题。设计了一种适用于可穿戴设备的柔性能源系统，并在具有多种智能设备的头盔上进行了实验验证，能源系统采用了柔性太阳电池和柔性控制器，系统的质量和体积得到大幅优化，在太阳充足的条件下系统可直接为电池充电，也可以为用电设备供电，该研究对于未来可穿戴设备能源系统具有重要的探索和示范作用。关键词：柔性；能源系统；可穿戴设备；头盔中图分类号：TM 914文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0828-06DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.001Research and design of flexible energy system for wearable devicesL Dongxiang1,ZHANG Xiaohui2,LI Chuan1,3,YOU Fan4(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.School of Aerospace,Beijing Institute of Technology,Beijing 100091,China;3.Zhongdianke Energy Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China;4.People s Liberation Army 32382 Troops,Beijing 100010,China)Abstract:With the rapid development of wearable devices,smart watches,smart headphones,smart glasses andother devices have been increasingly applied to various scenes in social life.The power supply of these wearabledevices has also become the core problem to be solved in the use of products.A suitable for wearable devices flexibleenergy systems was designed,and tested on a helmet equipped with a variety of intelligent devices.The energy systemadopted flexible solar cells and a flexible controller,and the mass and volume of the system were greatly optimized.Under the condition of sufficient sun,the system could directly charge batteries and power electrical devices.Thisresearch has important exploration and demonstration function for future wearable device energy system.Key words:flexible;energy system;wearable device;helmet可穿戴设备通常是指一种将传感设备直接或间接整合到衣服等可穿戴物品中的便携式设备。当前可穿戴设备的主要设计特点有：在狭窄空间内具有较强移动性、舒适及便携的佩戴性、良好的人机交互性。借助先进的传感器技术，可穿戴设备能够改变传统设备收集对象信号后非实时解算目标信息的复杂流程。通过在轻薄型电路板平台上搭载具有低功耗特点的微型传感器、颗粒状存储媒介及控制处理器等，结合柔性弯曲技术，从而实现信息检测-收集-处理一体化功能。可穿戴设备当前已成为个人的数据收集门户和决策支持平台，能够实现个人和环境的紧密联系，其强大的应用功能已成为人类决策向自主化、智能化发展的推动力1-5。目前的可穿戴设备主要依靠电池为各种电子元件提供所需能量。为了确保持续和不间断的操作，这些设备需要从周围环境中获取能量。不同的能源都可用于为可穿戴设备8282023.7Vol.47No.7本刊特约表 1 太阳电池单体参数 项目 短路 电流/A 开路 电压/V 最大工作点 电流/A 最大工作点 电压/V 填充 因子 效率/%参数 0.124 3.024 0.121 2.676 0.86 30 供电，比如太阳能、射频装备、人体能量等6。然而，这些能量有的是间歇性的，有的是超低功率的，想要能够从外界获取更多的能量，需要对可穿戴设备的能源进行高效且智能的管理和规划。电池是可穿戴设备最常用的能源，但由于电池的使用寿命有限，难以实现持久工作的需求，需要频繁充电或更换。因此，从周围环境或人体中获取能量被认为是一种很有前景的方法7。图 1展示了从人体及其周围环境中获得不同能量的采集方法，其中图 1(a)主要在衣服上贴装柔性太阳电池片进行发电8-12；图 1(b)通过在手腕上安装热点传感器，实现能量的供应13；图1(c)通过依靠射频装备来获取射频能量14；图1(d)在鞋中嵌入压电能量采集设备获取能量15-16，此外，还有利用人体摩擦等产生的机械能实现能量的供应17-22。尽管能量的来源是多样的，但是合理获取能量、存储能量却有着较大挑战。能量收集是指将环境能量或外部能量转化为有用电能的过程，这一过程并不能完全脱离电池或其他能源存储技术，但它将有效地减少用电设备对单一能源技术的依赖。目前最常见的能量来源是太阳辐射、辐射能、热能和机械能，这些是实现轻量级小型可穿戴设备正常工作的重要能量来源。目前，国外Geingdions公司的Hydro Watch系统是一个配置了单片太阳电池和MH-Ni(金属氢化物-镍)电池的发电-储能系统，该系统可用于森林环境中气候环境变化恶劣地带的温度、湿度的检测及数据的无线传输，以对森林资源进行监控和保护。Hydro Watch为了实现光伏输出电压与电池的匹配，使用了输入调节器，但该模块的引入使得系统的转换效率大幅降低，该系统简化了光伏输入到锂电池端口的电路，考虑到电池欠压状态时继续充电会引起锂电池的损伤，电池电压监控芯片，构成充电保护原件对电池进行保护。当前基于太阳能发电，锂电池储能的设备在可穿戴设备上的利用主要以实现血压、心跳、运动速度等与健康相关的数据的监测，其它更复杂的功能尚处于探索阶段。本文将在当前可穿戴设备能源系统的配置方案和锂电池管理策略技术上，对柔性能源系统进行研究和设计。1 基于头盔的柔性能源系统设计本文以可佩戴的头盔作为研究对象，研究并设计一套柔性能源系统，用于为头盔上的摄像头和传感器供电。头盔能源系统组成框架如图2所示。头盔能源系统由柔性砷化镓太阳电池、可大范围弯曲的柔性 MPPT控制器、照明头灯、摄像头以及集成于负载内部的锂电池组成。太阳电池作为系统辅助电源，依据阻抗匹配原理，通过MPPT控制器输出其峰值功率，优先为负载供电，保证各负载的正常供电。将多余能量储存于锂电池，提高负载的续航能力。对于具有明显曲率的头盔而言，要实现太阳电池的大面积安装，具有较大的难度。如果不考虑安装方式，简单贴附于头盔表面，实际输出的功率可能大范围偏离理论最大功率。因此精准给出头盔允许布置的最大光伏面积，考虑实际负载的影响，优化电池片的安装方式和研究光伏阵列的构建方式是极其重要的。1.1 柔性光伏阵列设计受到太阳能头盔曲率的影响，普通晶体硅太阳电池输出能力较弱，为了提高太阳电池的输出功率，选用砷化镓太阳电池构建光伏阵列。单片太阳电池的电气参数如表1所示。为满足负载的功率需求，设计了如图 3所示太阳电池模块，其中单片电池尺寸参数为 40.8 mm20.8 mm。为防止局部辐照不均匀导致的热斑和能量损耗，模块上集成了旁路二极管和防反二极管，该模块由四个单体太阳电池串并联形成。在太阳光模拟器下测得的模块输出特性曲线如图 4 所示，最大功率点电压为 4.69 V，最大功率点电流为 0.18 A，实测值略低于理论值，这主要是因为模块中使用了两个隔离二极管，且电池发生了局部弯折损伤，并将引起功率损耗。构建的光伏阵列原理图如图 5 所示，由 4 个组件并联而成，每个组件由3个模块串联而成。该阵列贴附于头盔时，头盔顶部安装 2个组件，左右两侧分别安装 1个组件。所设计的阵列能够较方便地集成于太阳能头盔，对单个组件及整个阵列在其处于直射状态时的输出特性曲线进行了测试，测试图1从人体及其周围环境中获得能量图2基于智能头盔的能源系统整体框图图3太阳电池模块原理图及实物图8292023.7Vol.47No.7本刊特约结果如图6所示，单个组件的最大功率为2.63 W，整个阵列的最大功率为10.06 W。上述测试旨在验证系统整体方案设计的合理性，测试理论条件下砷化镓电池阵列的实际输出功率。实验发现，光伏阵列输出正常，其功率可满足负载功率需求，光伏阵列设计方案合理可行。1.2 柔性MPPT控制器设计为实现柔性小功率能源控制器小型化、高功率密度设计，备选拓扑有降压型或升压型。由于太阳电池的最大功率点电压大于锂电池的满电电压，锂电池的充电倍率较小。通过分布式能源系统缓解不一致辐照环境下光伏组件之间的功率失配现象时，研究发现降压型控制器的降压增流特点能够很好地克服较低辐照度的太阳电池组件对系统输出功率的影响，且系统直流母线电压较低。而采用升压型控制器时，控制器的工作范围较窄，既不利于控制器参数的整定，适应环境辐照变化的能力也较差。综上考虑各个因素，最终确定柔性控制器为降压型拓扑。根据柔性能源控制器的功能要求，充分考虑系统的可控性和可扩展性，以及调试和测试需求，给出能源控制器的系统组成框图如图7所示。尽管柔性电路板技术相对较成熟，已广泛应用于诸多领域，但当前FPC电路更多的用作排线，起到信号连接的作用，将柔性电路板技术应用于数字电源控制器，实现柔性、轻质、高效的设计目标，需要注意以下原则：(a)挠性区域的宽度决定了控制器柔韧性的大小。(b)需要考虑柔性板的弯折对重要信号的影响。(c)挠性区域的柔韧性可通过铜皮进行局部补强。(d)功率级电路中器件的布局以环路面积最小为目标，降低辐射干扰。(e)主功率电路与控制电路的电流路径实现解耦，降低传导干扰。(f)MOS损耗：MPPT 控制器的转换效率、MOSFET 的工作温度是影响系统性能的重要因素，MOSFET的功耗分析如下：栅极驱动电阻和MOS的结电容组成了充放电回路，驱动损耗为：Pgate_loss=2 Qg VDD fsw(1)式中：Qg为栅极电荷；VDD为电源芯片的电源电压；fsw为开关频率。MOSFET的导通损耗为：Pcond=IRMS(HS)2 RDS(ON)HS+IRMS(LS)2 RDS(ON)LS(2)式中：RDS(ON)HS为高侧 MOS 的导通电阻；RDS(ON)LS为低侧 MOS的导通电阻；IRMS(HS)为高侧 MOS的有效值电流；IRMS(LS)为低侧MOS的有效值电流。MOSFET的开关损耗为：Psw=Vin Iout fsw ttr(3)式中：Vin为 MOS 源极电压；Iout为负载电流；ttr为 MOS工作状态改变的总时间。那么电源芯片的总损耗为：Pmos=Pgate_loss+Pcond+Psw(4)根据上述公式，得到电源芯片所有损耗为：Pmos=0.019+0.02 Iout2(1+r212)+Vin Iout 5 10-3(5)图4太阳电池模块的输出特性曲线图5光伏阵列原理图图6实测光伏阵列的输出特性曲线图7能源控制器系统框图8302023.7Vol.47No.7本刊特约(g)电流传感器损耗：电流传感器的损耗包括两部分，第一部分为传感器原边线圈的电阻损耗，第二部分为传感器副边检测装置的损耗，具体计算为：Psense=1.2 103 Iout2(1+D2)+5 0.013 2(6)(h)电感损耗：PL=Iout2(1+r212)Rdc(7)由式(6)和(7)可得控制器的所有功耗如式(8)所示：Ploss=Pmos+Psense/+PL(8)综上，控制器的所有损耗见式(9)：Ploss=0.044 Iout2(1+r212)+VinIoutfttr+1.41 10-3Iout2(1+D2)+0.172柔性MPPT控制器采用的层压工艺如图8所示。顶层和底层与外界通过覆盖膜(聚酰亚胺)接触，起到保护、防短路、抗撕裂的作用，胶起到连接层与层的作用，无胶柔性介质具有较好的耐高温特性。外层铜厚为 36 m，内层铜厚为 18m，板厚仅 0.35 mm，这使得控制器具有更好的散热、导热的特性，不会因局部温度的过高导致周围器件的热辐射。MPPT控制器具有两大功能，即跟踪太阳电池最大功率点，输出恒定电压、电流，对应 MPPT模式和 DC/DC 模式，同一时刻只能使能其中一个模式。MPPT的控制逻辑如图 9所示。程序循环执行主函数状态机及对应的中断，主函数状态机由四个任务组成，每个任务执行间隔0.5 ms，由于中断的频率较高，中断发生的时间点处于状态机内部，因此，MPPT控制策略的周期为2 ms。当控制器处于 MPPT模式时，程序将执行 A任务中的增量电导法，输出当前太阳电池最大功率点处的电压，为环路控制提供参考电压，A任务对于DC/DC模式是无效的。任何模式下，程序都执行 B任务中的 CAN 总线的数据发送，但前提是在CAN接收中断中收到了对应的数据上传命令，C任务用以控制器的故障检测，状态指示，当控制器发生过压、过流时，PWM的使能输出将被封锁，直到故障解除，D任务用于嵌入其它功能的代码，如根据锂电池状态信息控制 MPPT的工作模式，以实现对锂电池的恒流恒压充电管理。2 柔性能源系统测试与验证太阳能头盔的装配流程如图 10所示。各模块装配后的太阳能头盔实物图如图11所示。如图11所示，电池片、控制器与各装备之间互不干涉，该方案充分考虑了野外适用环境，保证了太阳电池供电的效率，不会影响太阳电池的贴片与正常发电。太阳电池片贴于头盔顶部和侧方，可以满足不同太阳光入射角下的负载功率需求。此装配方案便于走线，降低了能源损耗。本设计可以使太阳能输出功率最大化利用。将头盔阵列输出端子与太阳电池伏安特性曲线测试仪的输入通道连接，光强测试仪可将当前辐照度通过蓝牙发送至伏安特性曲线测试仪，具体测试场景见图 12(a)所示，测试结果见图12(b)所示。在最大功率点的右侧，P-V特性曲线具有较好的线性特性，太阳能头盔光伏阵列的输出功率为 6.05W，最大功率点电压为 15.32 V，阵列的开路电压为 17.29 V，短路电流为 0.425 A。该辐照角度下只有头盔顶部和单侧电池片接受到了有效辐照，理论上可以输出的最大功率为 7.5W，即实际最大输出功率为理论值的 80.7%。不同辐照度下太阳能头盔光伏阵列的工程参数如表 2所示(测试时段的最(9)图8FPC层叠工艺图9MPPT控制逻辑框图图10太阳能头盔装配框图图11太阳能头盔装配效果图8312023.7Vol.47No.7本刊特约大辐照度为900 W/m2)。为验证太阳能头盔为真实负载的供电能力，按照图13所示测试示意图开展了户外太阳能头盔充电测试，场景如图14所示，从充电指示灯可知太阳能头灯集成的光伏阵列经过柔性控制器可为照明头灯和摄像头供电，且太阳能可优先为负载供电。可穿戴能源系统中的发电单元采用的是砷化镓太阳电池，并且采用聚酰亚胺薄膜封装，该封装对于电池耐候性有较大的提升，砷化镓太阳电池寿命能够达到 20年以上，在弱光条件下也能正常发电，不存在发电循环上的问题；系统采用的柔性MPPT控制器，连续运行次数可达数千次以上，完全满足砷化镓太阳电池发电要求；储能电池采用的是锂离子电池，电芯标称设计为 5 000次循环，但是组合成模组，并且需要经常工作在浮充状态下，其循环次数会下降到2 000次，综上，整套能源系统的循环次数受到储能电池限制，整体循环次数在2 000次，预计可用寿命在56年。3 结论针对可穿戴设备对未来能源系统轻质柔性结构功能一体化的使用需求，本文重点研究了柔性能源系统集成与分布式光伏拓扑高效控制，开展了柔性太阳电池设计与研制，柔性能源控制器设计与开发，研制出了柔性能源控制器并应用在太阳能头盔上进行了实验验证。实验表明，柔性能源控制样件功率可达 20 W，转换效率最高达 94%。太阳电池能够跟踪到最大功率点，负载接入总线后，太阳电池的电压在 MPPT算法的作用下将从开路电压处下降，最终在最大功率点附近进行波动，而控制器的输出电压在负载接入的瞬间被拉低，最后稳定在恒定电压，太阳能跟踪效率可达 98%。由于应用了分布式拓扑结构，太阳能头盔在接受局部辐照的情况下，其实际最大输出功率可达理论最大值的 80%。该研究对于适用于未来可穿戴设备的柔性能源系统具有重要的探索和示范作用。参考文献：1ZHOU Q,FANG B,SHAN J,et al.A survey of the developmentof wearable devicesC/Proceedings of 2020 5th InternationalConference on Advanced Robotics and Mechatronics(ICARM).US:IEEE,2020.2张莉.可穿戴设备技术综述J.通讯世界，2015(15)：250-250.3KAGIROV I,KAPUSTIN A,KIPYATKOVA I,et al.MedicalexoskeletonRemotionwithanintelligentcontrolsystem:Modeling,implementation,and testingJ.Simulation ModellingPractice and Theory,2020,107:102200.4SENEVIRATNE S,HU Y N,NGUYEN T,et al.A survey ofwearabledevicesandchallengesJ.IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,2017,19(4):2573-2620.5OMETOV A,V SHUBINA,KLUS L,et al.A survey on wearabletechnology:History,state-of-the-art and current challengesJ.Computer Networks,2021(1):108074.6梁嘉文，李婷婷，严占林，等.可穿戴设备的能源供给研究进展J.现代纺织技术，2023(1)：28-39.7WAHBA M A,ASHOUR A S,GHANNAM R.Prediction ofharvestable energy for self-powered wearable healthcare devices:Filling a gapJ.IEEE Access,2020,8:170336-170354.8TANEJA J,JEONG J,CULLER D E.Design,modeling,andcapacity planning for micro-solar power sensor networksC/Proceedings of International Conference on Information Processingin Sensor Networks.US:IEEE,2008.9王远飞.可穿戴设备的太阳能微能量采集与管理研究D.成都：电子科技大学,2020.10RAGHUNATHANV,KANSAL A,HSUJ,etal.Designconsiderations for solar energy harvesting wireless embeddedsystemsC/Proceedings of Fourth International Symposium on图12头盔光伏阵列输出特性表 2 不同辐照度下太阳能头盔光伏阵列的工程参数 编号 Voc/V Vmpp/V Impp/A Isc/A Pm/W 1 17.40 15.84 0.249 0.261 3.94 2 17.21 15.48 0.273 0.313 4.23 3 17.19 15.61 0.276 0.319 4.31 4 17.35 15.79 0.276 0.316 4.36 5 17.37 15.63 0.373 0.349 4.89 6 17.35 15.03 0.343 0.368 5.16 7 17.32 15.19 0.358 0.386 5.44 8 17.32 15.13 0.377 0.404 5.7 9 17.27 15.61 0.374 0.413 5.84 10 17.29 15.32 0.395 0.425 6.05 图13头盔负载供电测试图图14头盔负载充电测试场景8322023.7Vol.47No.7本刊特约Information Processing in Sensor Networks.US:IEEE,2005:457-462.11TRAN T,CHUNG W Y.High-efficient energy harvester withflexible solar panel for a wearable sensor deviceJ.IEEE SensorsJournal,2016,16(24):9021-9028.12 WU T,AREFIN M S,REDOUTE J M,et al.Flexible wearablesensor nodes with solar energy harvestingC/Proceedings of201739thAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEngineering in Medicine and Biology Society(EMBC).US:IEEE,2017:3273-3276.13沈紫嫣，范武升，刘方诚，等.Bi2Te3基可穿戴温差发电器件的制备及性能J.材料科学与工程学报，2021，39(2)：181-185.14 SIMJEE F,CHOU P H.Everlast:Long-life,supercapacitor-operatedwirelesssensornodeC/Proceedingsof2006InternationalSymposium on Low Power Electronics&Design.US:IEEE,2006.15 KYMISSIS J,KENDALL C,PARADISO J,et al.Parasitic powerharvesting in shoesC/Proceedings of Second IEEE InternationalConference on Wearable Computing.US:IEEE,1998.16 SHENCK N S,PARADISO J A.Energy scavenging with shoe-mounted piezoelectricsj.IEEE Micro,2001,21(3):30-42.17李珂鑫.摇摆式低频能量收集器的设计与实现D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2021.18张国良.摩擦纳米发电机/原电池双工作模式电源在可穿戴设备和植入电子器件领域的应用研究D.广州：华南理工大学，2021.19杨艳琴.柔性可穿戴摩擦纳米发电机的制备及自充电供能模块的研究D.苏州：苏州大学，2019.20丁亚飞，陈翔宇.基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件J.物理学报，2020，69(17)：1-21.21王闯，鲍容容，潘曹峰.基于纳米发电机的触觉传感在柔性可穿戴电子设备中的研究与应用J.物理学报，2021，70(10)：19-33.22李晓娜，陈莉，武海良，等.智能可穿戴摩擦纳米发电机的研究进展J.纺织科技进展，2022(12)：1-6.广告833