CN106992570B - 一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路及方法。利用微生物电源为沉积物微生物燃料电池，该种形式的电池最大的优点就是免维护，在改善环境的同时提供源源不断的电能；最佳功率点跟踪电路利用数字信号处理器根据微生物燃料电池最佳功率点变化，通过串行总线控制迟滞比较器的参考电压实现最佳功率点跟踪。升压电路利用耦合电感进行升压，电容作为储能元件，通过控制升压电路工作通时间，使电路工作在恒压恒流恒阻恒功率等模式下。所述自供电电路就是在经过初始化后，储能元件A会被充电并为最佳功率点跟踪电路和升压电路提供电能。
Description
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池领域，尤其涉及一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路及方法。
背景技术
微生物燃料电池是近年来迅速发展起来的一种新型燃料电池技术。由于其可以在降解污染物的同时可将生物质中化学能直接转化为电能,可获得更高的能量转化效率,是未来缓解能源和环境问题的有效途径,近几年来引起了科研工作者的深入研究。就单单对实验室制备的“空气-阴极”微生物燃料电池来说，其最大功率密度在短短的几年内从过去仅仅1mW m-2飞跃般发展到6.9W m-2。传统的测定燃料电池功率密度方法是利用一系列不同值的外接电阻得到其对应电压值，或者使用恒电位仪进行电化学扫描。当外部电阻等于内部电阻时，就得到其最大功率密度。这种测量结果代表了微生物燃料电池的输出潜力，但不等于电池实际有功功率，因为电池所产生的电能被外接电阻转化成热能而非被电子产品所利用。此外，微生物燃料电池的最大功率输出还随内部阻力影响参数（如底物浓度，PH和温度）变化而变化。
为了有效利用微生物燃料电池输出的电能，最常见的方法是使用超级电容器被动地收集微生物燃料电池的输出电能。这种方法不能最大化微生物燃料电池的输出电能。利用最大功率点跟踪技术（MPPT）使微生物燃料电池输出端的负载阻值等于其电池内阻时可以最大化微生物燃料电池的输出功率。现有的MPPT技术（如扰动和观察、梯度法等）是通过实时优化外部负载电阻值，使微生物燃料电池输出电能最大化。此类方法需要大量的控制电路。传统微生物燃料电池应用电路需要配置外部电池（如锂电池、铅蓄电池等）为最佳功率点跟踪电路、升压电路等电路供电。由于外部电池寿命有限，限制了微生物燃料电池的应用。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路，其特征在于：包括微生物燃料电池、自供电电路、最佳功率点跟踪电路及升压电路；所述微生物燃料电池一输出与所述升压电路一输入连接，另一输出与所述最佳功率点跟踪电路第一输入连接；所述升压电路输出分别与负载、最佳功率点跟踪电路第二输入连接；最佳功率点跟踪电路输出与所述升压电路另一输入连接；自供电电路输出与所述最佳功率点跟踪电路第三输入连接。
在本发明一实施例中，所述自供电电路包括初始化模块及第一储能元件。
在本发明一实施例中，所述升压电路输出与最佳功率点跟踪电路第二输入之间设置有一二极管；所述二极管阳极接升压电路输出，所述二极管阴极接最佳功率点跟踪电路第二输入。
在本发明一实施例中，所述升压电路输出与负载之间设置有一稳压二极管；稳压二极管阴极与升压电路输出，阳极接地。
在本发明一实施例中，所述升压电路输出还与第二储能元件连接。
在本发明一实施例中，所述最佳功率点跟踪电路包括迟滞比较器、反相器及数字信号处理器；所述微生物燃料电池输出分别与迟滞比较器一输入、数字信号处理器输入连接；迟滞比较器另一输入与数字信号处理器输出连接；迟滞比较器输出与反相器输入连接；反相器输出与升压电路连接。
在本发明一实施例中，最佳功率点跟踪电路输出与所述升压电路另一输入之间设置有一MOS管。
本发明还提供一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：由初始化模块对第一储能元件电容进行充电，使其有能力带动最佳功率点跟踪电路工作，最佳功率点跟踪电路产生控制信号至升压电路；S2：最佳功率点跟踪电路中数字信号处理器采集微生物燃料电池的实时电压U和电流值I，计算出该时刻的功率值P=Ｕ*I；S3：计算，如果则；否则；其中，为上一时刻的电压，，为上一时刻的电流；为最佳功率点跟踪电路的迟滞比较器此时参考电压值，为最佳功率点跟踪电路的迟滞比较器上一时刻参考电压值，为迟滞比较器参考电压值增量；S4：控制开关管门极信号，保证微生物燃料电池输出电压始终工作到最佳功率点电压附近。
在本发明一实施例中，S4包括以下步骤：根据MOS管门极信号将升压电路分为导通状态与截止状态：在导通状态下微生物燃料电池给升压电路的电感器充能，电感器中的电流增加，电感器通过磁感线圈给第二储能元件充能，此时微生物燃料电池电压因输出电能而其电压降低；在截止状态下，升压电路因回路断开，电感器中能量既不增加也不下降，第二储能元件只有放电过程，此时微生物燃料电池电压上升。
与现有技术相比，本发明利用微生物电源供电，配合最佳功率点跟踪电路，实现微生物燃料电池应用电路的自供电功能；该电路系统经过初始化，整个电路正常工作后，仅仅靠微生物燃料电池的输出而不需要借助外部电池就能够为负载和微生物燃料电池的应用电路提供电能。
附图说明
图1为本发明所述的基于微生物燃料电池的自供电电路设计的整体框图。
图2为本发明所述的基于微生物燃料电池的自供电电路设计中自供电流程示意图。
图3 为本发明所述的基于微生物燃料电池的自供电电路设计中最佳功率点跟踪电路示意图。
图4为本发明所述的基于微生物燃料电池的自供电电路设计中数字信号处理器工作流程示意图。
图5 为本发明所述的基于微生物燃料电池的自供电电路设计中升压电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路，其包括微生物燃料电池、自供电电路、最佳功率点跟踪电路及升压电路；所述微生物燃料电池一输出与所述升压电路一输入连接，另一输出与所述最佳功率点跟踪电路第一输入连接；所述升压电路输出分别与负载、最佳功率点跟踪电路第二输入连接；最佳功率点跟踪电路输出与所述升压电路另一输入连接；自供电电路输出与所述最佳功率点跟踪电路第三输入连接。
图1为本发明所述的基于微生物燃料电池的自供电电路系统的整体框图。
在本发明一实施例中，所述自供电电路包括初始化模块及第一储能元件。
图2 基于微生物燃料电池的自供电电路设计中自供电流程示意图。因升压电路中除少数二极管外，主要工作元件皆为储能元件，损耗功率低。又因为沉积物微生物燃料电池是以河床淤泥或者污染物为有机质，原料来源广泛。不像太阳能有光照时间、强度等条件制约，基本上可以达到能量永续的条件。本发明设计的带有初始化模块的自供电电路不包含如锂电池、铅蓄电池等第三方能源储存设备。当整体电路开始工作前，初始化模块对储能元件电容进行充电。使其有能力带动最佳功率点跟踪电路工作，产生控制信号使升压电路正常工作。储能元件电容经电路存储输出电能又能对负载和最佳功率点跟踪电路供电，形成良性循环，最终达到自供电的目的。
在本发明一实施例中，所述升压电路输出与最佳功率点跟踪电路第二输入之间设置有一二极管；所述二极管阳极接升压电路输出，所述二极管阴极接最佳功率点跟踪电路第二输入。
在本发明一实施例中，所述升压电路输出与负载之间设置有一稳压二极管；稳压二极管阴极与升压电路输出，阳极接地。
在本发明一实施例中，所述升压电路输出还与第二储能元件连接。
在本发明一实施例中，所述最佳功率点跟踪电路包括迟滞比较器、反相器及数字信号处理器；所述微生物燃料电池输出分别与迟滞比较器一输入、数字信号处理器输入连接；迟滞比较器另一输入与数字信号处理器输出连接；迟滞比较器输出与反相器输入连接；反相器输出与升压电路连接。
图3为本发明所述的最佳功率点跟踪电路示意图。经过初始化后，储能元件A的电能能够带动最佳功率点跟踪电路工作。最佳功率点跟踪电路中数字信号处理器采集微生物燃料电池的实时电压和电流值，计算出该时刻的功率值，再与上一时刻功率值进行比较，按照图4所示的控制流程判断是否增大或减少迟滞比较器参考电压值UR，输出不同占空比的控制信号，控制升压电路中电感的充放电过程时间，使微生物燃料电池的输出电压始终保持在其最佳功率点电压附近实现微生物燃料电池最大化输出的目的。
在本发明一实施例中，最佳功率点跟踪电路输出与所述升压电路另一输入之间设置有一MOS管。
图5为本发明所述的基于微生物燃料电池的自供电电路设计中升压电路结构示意图。因需要让微生物燃料电池输出电压始终工作到最佳功率点电压附近，所以本发明的升压电路必须工作在连续模式下。根据MOS管门极信号可将升压电路分为导通状态与截止状态。在导通状态下微生物燃料电池给电感充能，电感器中的电流增加。电感器通过磁感线圈给作为储能元件的电容充能。此时微生物燃料电池电压因输出电能而其电压降低。在截止状态下，升压电路因回路断开，电感器中能量既不增加也不下降。储能元件电容只有放电过程。此时微生物燃料电池电压上升。
本发明还提供一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的方法，其包括以下步骤：S1：由初始化模块对第一储能元件电容进行充电，使其有能力带动最佳功率点跟踪电路工作，最佳功率点跟踪电路产生控制信号至升压电路；S2：最佳功率点跟踪电路中数字信号处理器采集微生物燃料电池的实时电压U和电流值I，计算出该时刻的功率值P=Ｕ*I；S3：计算，如果则；否则；其中，为上一时刻的电压，，为上一时刻的电流；为最佳功率点跟踪电路的迟滞比较器此时参考电压值，为最佳功率点跟踪电路的迟滞比较器上一时刻参考电压值，为迟滞比较器参考电压值增量；S4：控制升压电路工作在连续模式，保证微生物燃料电池输出电压始终工作到最佳功率点电压附近。
在本发明一实施例中，S4包括以下步骤：根据MOS管门极信号将升压电路分为导通状态与截止状态：在导通状态下微生物燃料电池给升压电路的电感器充能，电感器中的电流增加，电感器通过磁感线圈给第二储能元件充能，此时微生物燃料电池电压因输出电能而其电压降低；在截止状态下，升压电路因回路断开，电感器中能量既不增加也不下降，第二储能元件B只有放电过程，此时微生物燃料电池电压上升。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路，其特征在于：包括微生物燃料电池、自供电电路、最佳功率点跟踪电路及升压电路；所述微生物燃料电池一输出与所述升压电路一输入连接，另一输出与所述最佳功率点跟踪电路第一输入连接；所述升压电路输出分别与负载、最佳功率点跟踪电路第二输入连接；最佳功率点跟踪电路输出与所述升压电路另一输入连接；自供电电路输出与所述最佳功率点跟踪电路第三输入连接；
所述自供电电路包括初始化模块及第一储能元件；
所述升压电路输出与负载之间设置有一稳压二极管；稳压二极管阴极与升压电路输出，阳极接地；
所述最佳功率点跟踪电路包括迟滞比较器、反相器及数字信号处理器；所述微生物燃料电池输出分别与迟滞比较器一输入、数字信号处理器输入连接；迟滞比较器另一输入与数字信号处理器输出连接；迟滞比较器输出与反相器输入连接；反相器输出与升压电路连接；
最佳功率点跟踪电路输出与所述升压电路另一输入之间设置有一MOS管；
微生物燃料电池能量获取及其自供电的方法，采用上述的微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路，包括以下步骤：
S1：由初始化模块对第一储能元件电容进行充电，使其有能力带动最佳功率点跟踪电路工作，最佳功率点跟踪电路产生控制信号至升压电路；
S2：最佳功率点跟踪电路中数字信号处理器采集微生物燃料电池的实时电压U和电流值I，计算出该时刻的功率值P=Ｕ*I；
S3：计算，如果则；否则；其中，为上一时刻的电压，，为上一时刻的电流；为最佳功率点跟踪电路的迟滞比较器此时参考电压值，为最佳功率点跟踪电路的迟滞比较器上一时刻参考电压值，为迟滞比较器参考电压值增量；
S4：控制升压电路工作在连续模式，保证微生物燃料电池输出电压始终工作到最佳功率点电压附近；
S4包括以下步骤：根据MOS管门极信号将升压电路分为导通状态与截止状态：在导通状态下微生物燃料电池给升压电路的电感器充能，电感器中的电流增加，电感器通过磁感线圈给第二储能元件充能，此时微生物燃料电池电压因输出电能而其电压降低；在截止状态下，升压电路因回路断开，电感器中能量既不增加也不下降，第二储能元件只有放电过程，此时微生物燃料电池电压上升。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路，其特征在于：所述升压电路输出与最佳功率点跟踪电路第二输入之间设置有一二极管；所述二极管阳极接升压电路输出，所述二极管阴极接最佳功率点跟踪电路第二输入。
3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池能量获取及其自供电的电路，其特征在于：所述升压电路输出还与第二储能元件连接。
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