本發(fā)明涉及微生物燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種微生物燃料電池能量獲取及其自供電的電路及方法。

背景技術(shù)：

微生物燃料電池是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型燃料電池技術(shù)。由于其可以在降解污染物的同時(shí)可將生物質(zhì)中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,可獲得更高的能量轉(zhuǎn)化效率,是未來(lái)緩解能源和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑,近幾年來(lái)引起了科研工作者的深入研究。就單單對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的“空氣-陰極”微生物燃料電池來(lái)說(shuō)，其最大功率密度在短短的幾年內(nèi)從過(guò)去僅僅1mwm^-2飛躍般發(fā)展到6.9wm^-2。傳統(tǒng)的測(cè)定燃料電池功率密度方法是利用一系列不同值的外接電阻得到其對(duì)應(yīng)電壓值，或者使用恒電位儀進(jìn)行電化學(xué)掃描。當(dāng)外部電阻等于內(nèi)部電阻時(shí)，就得到其最大功率密度。這種測(cè)量結(jié)果代表了微生物燃料電池的輸出潛力，但不等于電池實(shí)際有功功率，因?yàn)殡姵厮a(chǎn)生的電能被外接電阻轉(zhuǎn)化成熱能而非被電子產(chǎn)品所利用。此外，微生物燃料電池的最大功率輸出還隨內(nèi)部阻力影響參數(shù)（如底物濃度，ph和溫度）變化而變化。

為了有效利用微生物燃料電池輸出的電能，最常見(jiàn)的方法是使用超級(jí)電容器被動(dòng)地收集微生物燃料電池的輸出電能。這種方法不能最大化微生物燃料電池的輸出電能。利用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（mppt）使微生物燃料電池輸出端的負(fù)載阻值等于其電池內(nèi)阻時(shí)可以最大化微生物燃料電池的輸出功率?，F(xiàn)有的mppt技術(shù)（如擾動(dòng)和觀察、梯度法等）是通過(guò)實(shí)時(shí)優(yōu)化外部負(fù)載電阻值，使微生物燃料電池輸出電能最大化。此類方法需要大量的控制電路。傳統(tǒng)微生物燃料電池應(yīng)用電路需要配置外部電池（如鋰電池、鉛蓄電池等）為最佳功率點(diǎn)跟蹤電路、升壓電路等電路供電。由于外部電池壽命有限，限制了微生物燃料電池的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種微生物燃料電池能量獲取及其自供電的電路及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種微生物燃料電池能量獲取及其自供電的電路，其特征在于：包括微生物燃料電池、自供電電路、最佳功率點(diǎn)跟蹤電路及升壓電路；所述微生物燃料電池一輸出與所述升壓電路一輸入連接，另一輸出與所述最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第一輸入連接；所述升壓電路輸出分別與負(fù)載、最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第二輸入連接；最佳功率點(diǎn)跟蹤電路輸出與所述升壓電路另一輸入連接；自供電電路輸出與所述最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第三輸入連接。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述自供電電路包括初始化模塊及第一儲(chǔ)能元件。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述升壓電路輸出與最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第二輸入之間設(shè)置有一二極管；所述二極管陽(yáng)極接升壓電路輸出，所述二極管陰極接最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第二輸入。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述升壓電路輸出與負(fù)載之間設(shè)置有一穩(wěn)壓二極管；穩(wěn)壓二極管陰極與升壓電路輸出，陽(yáng)極接地。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述升壓電路輸出還與第二儲(chǔ)能元件連接。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述最佳功率點(diǎn)跟蹤電路包括遲滯比較器、反相器及數(shù)字信號(hào)處理器；所述微生物燃料電池輸出分別與遲滯比較器一輸入、數(shù)字信號(hào)處理器輸入連接；遲滯比較器另一輸入與數(shù)字信號(hào)處理器輸出連接；遲滯比較器輸出與反相器輸入連接；反相器輸出與升壓電路連接。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，最佳功率點(diǎn)跟蹤電路輸出與所述升壓電路另一輸入之間設(shè)置有一mos管。

本發(fā)明還提供一種微生物燃料電池能量獲取及其自供電的方法，其特征在于，包括以下步驟：s1：由初始化模塊對(duì)第一儲(chǔ)能元件電容進(jìn)行充電，使其有能力帶動(dòng)最佳功率點(diǎn)跟蹤電路工作，最佳功率點(diǎn)跟蹤電路產(chǎn)生控制信號(hào)至升壓電路；s2：最佳功率點(diǎn)跟蹤電路中數(shù)字信號(hào)處理器采集微生物燃料電池的實(shí)時(shí)電壓u和電流值i，計(jì)算出該時(shí)刻的功率值p=ｕ*i；s3：計(jì)算，如果則；否則；其中，為上一時(shí)刻的電壓，，為上一時(shí)刻的電流；為最佳功率點(diǎn)跟蹤電路的遲滯比較器此時(shí)參考電壓值，為最佳功率點(diǎn)跟蹤電路的遲滯比較器上一時(shí)刻參考電壓值，為遲滯比較器參考電壓值增量；s4：控制開(kāi)關(guān)管門極信號(hào)，保證微生物燃料電池輸出電壓始終工作到最佳功率點(diǎn)電壓附近。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，s4包括以下步驟：根據(jù)mos管門極信號(hào)將升壓電路分為導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)：在導(dǎo)通狀態(tài)下微生物燃料電池給升壓電路的電感器充能，電感器中的電流增加，電感器通過(guò)磁感線圈給第二儲(chǔ)能元件充能，此時(shí)微生物燃料電池電壓因輸出電能而其電壓降低；在截止?fàn)顟B(tài)下，升壓電路因回路斷開(kāi)，電感器中能量既不增加也不下降，第二儲(chǔ)能元件只有放電過(guò)程，此時(shí)微生物燃料電池電壓上升。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用微生物電源供電，配合最佳功率點(diǎn)跟蹤電路，實(shí)現(xiàn)微生物燃料電池應(yīng)用電路的自供電功能；該電路系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化，整個(gè)電路正常工作后，僅僅靠微生物燃料電池的輸出而不需要借助外部電池就能夠?yàn)樨?fù)載和微生物燃料電池的應(yīng)用電路提供電能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的基于微生物燃料電池的自供電電路設(shè)計(jì)的整體框圖。

圖2為本發(fā)明所述的基于微生物燃料電池的自供電電路設(shè)計(jì)中自供電流程示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的基于微生物燃料電池的自供電電路設(shè)計(jì)中最佳功率點(diǎn)跟蹤電路示意圖。

圖4為本發(fā)明所述的基于微生物燃料電池的自供電電路設(shè)計(jì)中數(shù)字信號(hào)處理器工作流程示意圖。

圖5為本發(fā)明所述的基于微生物燃料電池的自供電電路設(shè)計(jì)中升壓電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種微生物燃料電池能量獲取及其自供電的電路，其包括微生物燃料電池、自供電電路、最佳功率點(diǎn)跟蹤電路及升壓電路；所述微生物燃料電池一輸出與所述升壓電路一輸入連接，另一輸出與所述最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第一輸入連接；所述升壓電路輸出分別與負(fù)載、最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第二輸入連接；最佳功率點(diǎn)跟蹤電路輸出與所述升壓電路另一輸入連接；自供電電路輸出與所述最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第三輸入連接。

圖1為本發(fā)明所述的基于微生物燃料電池的自供電電路系統(tǒng)的整體框圖。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述自供電電路包括初始化模塊及第一儲(chǔ)能元件。

圖2基于微生物燃料電池的自供電電路設(shè)計(jì)中自供電流程示意圖。因升壓電路中除少數(shù)二極管外，主要工作元件皆為儲(chǔ)能元件，損耗功率低。又因?yàn)槌练e物微生物燃料電池是以河床淤泥或者污染物為有機(jī)質(zhì)，原料來(lái)源廣泛。不像太陽(yáng)能有光照時(shí)間、強(qiáng)度等條件制約，基本上可以達(dá)到能量永續(xù)的條件。本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶有初始化模塊的自供電電路不包含如鋰電池、鉛蓄電池等第三方能源儲(chǔ)存設(shè)備。當(dāng)整體電路開(kāi)始工作前，初始化模塊對(duì)儲(chǔ)能元件電容進(jìn)行充電。使其有能力帶動(dòng)最佳功率點(diǎn)跟蹤電路工作，產(chǎn)生控制信號(hào)使升壓電路正常工作。儲(chǔ)能元件電容經(jīng)電路存儲(chǔ)輸出電能又能對(duì)負(fù)載和最佳功率點(diǎn)跟蹤電路供電，形成良性循環(huán)，最終達(dá)到自供電的目的。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述升壓電路輸出與最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第二輸入之間設(shè)置有一二極管；所述二極管陽(yáng)極接升壓電路輸出，所述二極管陰極接最佳功率點(diǎn)跟蹤電路第二輸入。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述升壓電路輸出與負(fù)載之間設(shè)置有一穩(wěn)壓二極管；穩(wěn)壓二極管陰極與升壓電路輸出，陽(yáng)極接地。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述升壓電路輸出還與第二儲(chǔ)能元件連接。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述最佳功率點(diǎn)跟蹤電路包括遲滯比較器、反相器及數(shù)字信號(hào)處理器；所述微生物燃料電池輸出分別與遲滯比較器一輸入、數(shù)字信號(hào)處理器輸入連接；遲滯比較器另一輸入與數(shù)字信號(hào)處理器輸出連接；遲滯比較器輸出與反相器輸入連接；反相器輸出與升壓電路連接。

圖3為本發(fā)明所述的最佳功率點(diǎn)跟蹤電路示意圖。經(jīng)過(guò)初始化后，儲(chǔ)能元件a的電能能夠帶動(dòng)最佳功率點(diǎn)跟蹤電路工作。最佳功率點(diǎn)跟蹤電路中數(shù)字信號(hào)處理器采集微生物燃料電池的實(shí)時(shí)電壓和電流值，計(jì)算出該時(shí)刻的功率值，再與上一時(shí)刻功率值進(jìn)行比較，按照?qǐng)D4所示的控制流程判斷是否增大或減少遲滯比較器參考電壓值ur，輸出不同占空比的控制信號(hào)，控制升壓電路中電感的充放電過(guò)程時(shí)間，使微生物燃料電池的輸出電壓始終保持在其最佳功率點(diǎn)電壓附近實(shí)現(xiàn)微生物燃料電池最大化輸出的目的。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，最佳功率點(diǎn)跟蹤電路輸出與所述升壓電路另一輸入之間設(shè)置有一mos管。

圖5為本發(fā)明所述的基于微生物燃料電池的自供電電路設(shè)計(jì)中升壓電路結(jié)構(gòu)示意圖。因需要讓微生物燃料電池輸出電壓始終工作到最佳功率點(diǎn)電壓附近，所以本發(fā)明的升壓電路必須工作在連續(xù)模式下。根據(jù)mos管門極信號(hào)可將升壓電路分為導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)下微生物燃料電池給電感充能，電感器中的電流增加。電感器通過(guò)磁感線圈給作為儲(chǔ)能元件的電容充能。此時(shí)微生物燃料電池電壓因輸出電能而其電壓降低。在截止?fàn)顟B(tài)下，升壓電路因回路斷開(kāi)，電感器中能量既不增加也不下降。儲(chǔ)能元件電容只有放電過(guò)程。此時(shí)微生物燃料電池電壓上升。

本發(fā)明還提供一種微生物燃料電池能量獲取及其自供電的方法，其包括以下步驟：s1：由初始化模塊對(duì)第一儲(chǔ)能元件電容進(jìn)行充電，使其有能力帶動(dòng)最佳功率點(diǎn)跟蹤電路工作，最佳功率點(diǎn)跟蹤電路產(chǎn)生控制信號(hào)至升壓電路；s2：最佳功率點(diǎn)跟蹤電路中數(shù)字信號(hào)處理器采集微生物燃料電池的實(shí)時(shí)電壓u和電流值i，計(jì)算出該時(shí)刻的功率值p=ｕ*i；s3：計(jì)算，如果則；否則；其中，為上一時(shí)刻的電壓，，為上一時(shí)刻的電流；為最佳功率點(diǎn)跟蹤電路的遲滯比較器此時(shí)參考電壓值，為最佳功率點(diǎn)跟蹤電路的遲滯比較器上一時(shí)刻參考電壓值，為遲滯比較器參考電壓值增量；s4：控制升壓電路工作在連續(xù)模式，保證微生物燃料電池輸出電壓始終工作到最佳功率點(diǎn)電壓附近。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，s4包括以下步驟：根據(jù)mos管門極信號(hào)將升壓電路分為導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)：在導(dǎo)通狀態(tài)下微生物燃料電池給升壓電路的電感器充能，電感器中的電流增加，電感器通過(guò)磁感線圈給第二儲(chǔ)能元件充能，此時(shí)微生物燃料電池電壓因輸出電能而其電壓降低；在截止?fàn)顟B(tài)下，升壓電路因回路斷開(kāi)，電感器中能量既不增加也不下降，第二儲(chǔ)能元件b只有放電過(guò)程，此時(shí)微生物燃料電池電壓上升。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。