Создание алгоритма эффективной зарядки ионистора от солнечной панели узла беспроводной сенсорной сети

Современные беспроводные сенсорные сети (БСС) часто в своем составе содержат узлы, источниками питания в которых являются химические источники электроэнергии различных типов: щелочные, ртутные, серебряные, литиевые и другие типы батарей и аккумуляторов [2; 5].

Применение химических источников питания в качестве источников электрической энергии узлов БСС сопровождается рядом недостатков и налагает такие ограничения при проектировании, как сильная зависимость источников питания от значений температуры окружающей среды, неконтролируемый процесс окисления отрицательного электрода, малый срок функционирования, значительные удельные массогабаритные показатели химических элементов при соответствующих малых значениях плотности емкости источников питания на единицу объема [6; 8; 9].

Целью настоящей работы является исследование возможности создания алгоритма зарядки ионистора от реальной солнечной панели с учетом получения мгновенных данных инсоляции солнечной панели с обеспечением контроля соответствующих параметров тока зарядки при заданном напряжении. При построении алгоритма и структурной схемы зарядки необходимо учесть такие факторы, как наличие источника электроэнергии, максимально достижимые эффективные параметры зарядки при данном облучении сол

40 в ыпуск 1/2020

нечным светом панели, а также их контроль и периодический расчет эффективных параметров заряда, связанный с изменяющимися условиями работы источника электрической энергии (наличие облачности, тумана, изменение положения солнца с течением времени и др.). Также в схеме должны быть учтены наиболее выгодные параметры потребления энергии (наименьший уровень напряжения, при котором обеспечивается корректная работа составляющих узла БСС вычислительных и приемопередающих участков схемы).

Ионисторы, или суперконденсаторы, обладают высокой емкостью, значение которой более чем в 100 раз превышает максимальную величину емкости других типов конденсаторов. Достоинством ионисторов является практически неограниченное количество циклов перезарядок благодаря отсутствию внутренних процессов деградации [9; 10]. Количество циклов заряда-разряда у отдельных ионисторов достигает порядка полумиллиона, прежде чем их емкость уменьшится на 20% от начального значения. При разработке узла БСС, питающегося от ионистора, емкость которого уменьшилась от первоначальной на 50%, существует возможность увеличить время корректной работы узла сенсорной сети с заданной вероятностью отказа до двадцати лет [1; 3; 4]. Также ионисторы обладают высокой скоростью заряда, малой относительной рассеиваемой мощностью. К их недостаткам следует отнести малое рабочее напряжение и большое нелинейное значение последовательного эквивалентного сопротивления, вследствие чего математическое моделирование процесса заряда ионисторов сопровождается затруднениями [7; 10].

Для зарядки ионисторов была разработана функциональная схема (рис.).

Функциональная схема зарядки ионистора от солнечной панели

Олейников Д.Н. и др. Создание алгоритма эффективной зарядки ионистора... 41

Алгоритм зарядки ионистора включает три режима работы узла БСС:

• •    режим зарядки ионистора непосредственно от солнечной панели при значении напряжения на ионисторе менее требуемого для запуска микроконтроллера и питания вычислительной части напрямую от обкладок ионистора;

• •    режим зарядки ионистора через повышающий DC-DC преобразователь и питания микроконтроллера напрямую от обкладок ионистора;

• •    режим зарядки ионистора через повышающий DC-DC преобразователь с одновременным обеспечением питания микроконтроллера через понижающий DC-DC преобразователь.

При условии полного отсутствия запасенной в ионисторе энергии (начальные условия работы узла БСС) при возникновении ненулевого потенциала на положительном электроде солнечной панели, обусловленного облучением панели солнечным светом, затворы транзисторов P-типа, работающих в ключевом режиме, подтянуты к земле; ток через открытый канал стока-истока транзистора протекает в направлении от солнечной панели в ионистор и, в свою очередь, от ионистора к питающему входу микроконтроллера (VCC). При достижении порогового значения напряжения питания микроконтроллера происходит инициализация тактирования, портов ввода-вывода МК, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и других необходимых периферийных устройств, входящих в состав микроконтроллера.

Далее посредством цепи измерения вольт-амперной характеристики, содержащей прецизионный резистор, значение падения напряжения на котором используется для вычисления тока в датчике тока, а также включающей полевой транзистор, затвор которого управляется цифроаналоговым преобразователем МК, с помощью известных методов вычисления отслеживания точки максимальной мощности солнечной панели производится вычисление значений тока и напряжения, при которых в данных условиях облучения солнечная панель может выдать максимальную мощность. После вычисления точки максимальной мощности управляющим сигналом порта вывода МК посредством транзистора P-типа размыкается цепь питания ионистора от солнечной панели и одновременно с этим происходит коммутация цепи питания повышающего преобразователя. Функция данного преобразователя – при вычисленных оптимальных параметрах проводить зарядку ионистора до номинального его напряжения, причем для отбора максимальной мощности от солнечной панели ток зарядки ограничивается широтно-импульсной модуляцией напряжения затвора транзистора, управляющего цифроаналоговым преобразователем микроконтроллера.

При достижении значения напряжения на обкладках ионистора выше значения нижнего порога питания микроконтроллера становится нецелесообразным питать МК при относительно высоком напряжении. Для решения данной проблемы для питания микроконтроллера при минимальном напряжении в схеме применяется понижающий DC-DC преобразователь, включающийся полевым транзистором N-типа, одновременно с отключением МК от ионистора.

Перспективным решением и логическим продолжением рассмотренной концепции узла БСС являются разработка принципиальной электрической схемы, проведение расчета параметров радиоэлектронных компонентов (выбор номинального значения иони-стора, соответствующей солнечной панели, а также соответствующей схемотехнической

42 в ыпуск 1/2020

составляющей, обеспечивающей корректную работу каждого из участков схемы), создание проекта печатной платы, трассирование, ее производство и монтаж компонентов.

Для обоснованного выбора ионистора и солнечной панели необходимо создание адекватной математической модели процесса заряда ионистора от солнечной панели с учетом данных инсоляции по конкретным регионам, где предполагается размещение узлов БСС с возможностью подзарядки.

Приведенный в статье алгоритм зарядки позволит при любых условиях работы солнечной панели с наивысшей эффективностью аккумулировать и потреблять энергию в электрическом виде, необходимую для нормальной работы узла БСС. В дальнейшем планируется создать математическую модель процесса заряда ионистора от солнечной панели с учетом нелинейности параметров его внутреннего сопротивления, вольт-амперной характеристики, а также с учетом анализа усредненных данных инсоляции солнечного света по регионам России.