CN101188361A - 一种可在0.3v低电压下升压的能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

一种可在0.3V低电压下升压的能量管理系统，对由太阳能光伏电池和温差电池组成的双生能系统与由锂离子电池和超级电容器组成的双储能系统为无线传感器网络节点供能的能量管理，它包括开关切换电路(1)、稳压电路(2)、温差电池升压电路(3)、超级电容器放电升压电路(4)、单片机电路(5)和比较电路(6)。太阳能光伏电池输出的能量通过稳压电路(2)后为传感器节点供电，并将多余能量存储到锂离子电池中。温差电池通过升压电路(3)后向超级电容器充电，升压电路(3)将0.3V的电压升到3V，为充分利用温差电池输出的能量提供了保证。当超级电容器两端电压达到阈值电压2.5V时单片机开始工作，当超级电容器两端的电压降到1V时单片机停止工作。

Description

一种可在0.3V低电压下升压的能量管理系统
技术领域
本发明涉及一种能量管理系统，特别涉及可在0.3V低电压下升压并为传感器节点供电的能量管理系统。
背景技术
目前，无线传感器网络的发展已得到各国的高度重视，在环境监测等领域已经显示出其优越的应用价值，但是，组成无线传感器网络的节点通常采用携带大电源或容量有限的电池来提供能量，这极大限制了其在许多领域的推广应用，尤其是在不易维护、广域、复杂环境中的应用。如果传感器节点靠自身所携带的十分有限的一次性电池要完成连续数月的工作，就只能采用节能的管理方式。当从节点在一段时间内没有接收到主节点发出的传送数据命令，从节点将关闭数据采集模块甚至计算模块，同时使无线通信模块和控制模块进入休眠状态以节省能量；另外，也有人采用部分传感器节点工作的方式来降低能耗，当需要某区域的节点工作时，仅仅唤醒此区域的节点，其余区域的节点处于休眠状态。由于传感器节点工作时，各节点获取的信息是跳跃式向主节点传送的，这就造成不同节点对能量的需求不同。比如，在靠近主节点的从节点可能需要更多的能量来转发信息，而网络边缘的节点仅仅将能量用在搜集数据和传递自身信息上，这样有些节点能耗较大，一些能耗较小，即使采用休眠方式和区域工作方式也不能有效解决整个传感器网络的能量问题。
中国专利200610114706.6中采用了太阳能光伏电池作为能源从环境中摄取能量为传感器节点供电，解决了传感器节点自带电池不能长时间工作的问题，但在能量的具体管理方式以及电路的设计上存在不足。
中国专利200610114708.5将温差电池利用导热硅胶粘贴在太阳能光伏电池的背部，利用太阳能光伏电池工作时背温与环境中温度之间的温差来发电，这进一步利用了环境中的能量。但此专利的能量管理电路部分存在电路复杂、效率较低的缺点。
中国专利200710117796.9采用了升压技术来提高温差电池的输出电压，利用A/D转换器检测超级电容器两端电压的方法来实现超级电容器的放电。此专利的升压电路的启动电压为0.9V，不能充分利用温差电池输出的能量，另外，温差电池在向超级电容器充电这段时间里单片机和A/D转换器仍然在工作，能量管理系统的功耗仍然比较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有能量管理系统电路复杂、自身能耗高的缺点，提供一种可在0.3V电压下工作的升压电路以及高效合理的能量管理系统。本发明采用太阳能光伏电池和温差电池作为生能器件，锂离子电池和超级电容器作为储能器件为传感器节点供电，可以充分的利用温差电池输出的电能，并高效管理太阳能光伏电池和温差电池组成的双生能系统，以及锂离子电池和超级电容器组成的双储能系统中的能量。
本发明能量管理系统外围是由太阳能光伏电池和温差电池组成的双生能系统，由锂离子电池和超级电容器组成的双储能系统以及传感器节点组成。能量管理系统主要由开关切换电路、稳压电路、温差电池升压电路、超级电容器放电升压电路、单片机电路及比较电路组成。太阳能光伏电池、温差电池、锂离子电池、超级电容器以及无线传感器节点分别与能量管理系统上所对应的接口相连。
开关切换电路主要由开关芯片AQW212组成，其上有两个继电器，分别用来控制单片机电路和超级电容器放电电路的接通和闭合。
太阳能光伏电池将太阳辐射能直接转化成电能，通过二极管后由稳压电路为传感器节点供电，同时将多余的能量存储到锂离子电池中。稳压电路仅仅由稳压芯片max8881组成，可以为传感器节点提供3.3V的恒定电压。
温差电池通过导热硅胶粘贴在太阳能光伏电池的背面，利用太阳能光伏电池背温与环境的温差发电，由于温差电池输出的电压较低，直接向超级电容器充电充入的电量将很小，所以在温差电池和超级电容器间连接了一个升压电路，升压电路由升压充电泵S-882Z和升压控制器S-8353组成，它可以将0.3V的电压升到3V，升压芯片的外围电感L1为100uH，启动用电容器C3为10uF，这个数值的正确与否直接影响到升压电路的启动以及升压效果。
超级电容器放电时的电压仅仅为2.5V，不能满足向传感器节点供电和向锂离子电池充电的要求，所以超级电容器在放电过程中使用了升压电路，此升压电路主要由MAX866组成，它外围配有330uH的电感，可以将0.9V的电压升高到5V。
单片机电路的核心是AT89C2051-12PU单片机，它主要控制开关切换电路上的继电器进而控制单片机电路和超级电容器放电电路，同时从外部中断源获取中断信号进入中断程序来保证超级电容器放电过程中电路的接通。超级电容器放电利用中断延时的方法，延时时间是通过多次实验获得的，延时时间结束，单片机电路断开，重新由温差电池供电。
比较电路由比较器LM358组成，其上的两个比较器分别叫做左比较器和右比较器，左比较器的反向输入端与右比较器的同向输入端都与超级电容器接口相接，它们的同向输入端和反向输入端都接2.5V基准电压，比较器通过比较超级电容器两端的电压来控制单片机电路的通断以及单片机是否进入中断。这种控制方法可以保证单片机只有在超级电容器两端电压达到阈值电压2.5V时才开始工作，极大的降低了单片机的使用率，节省了单片机的功耗。
当太阳能光伏电池和温差电池不能正常工作时(比如晚上)，锂离子电池将作为主能源为传感器节点供电，并维持比较器电路的正常运行。
附图说明
图1是可在0.3V启动的升压电路原理图；
图2是本发明能量管理系统电路图，图中：1开关切换电路2稳压电路3温差电池升压电路4超级电容器放电升压电路5单片机电路6比较电路。
具体实施方式
本发明提供的可在0.3V启动的升压电路原理图如图1所示。能量管理系统作为核心部件将太阳能光伏电池和温差电池产生的能量存储到锂离子电池和超级电容器中，并自动调配各储能器件中的能量为传感器节点供电。图1中，升压充电泵S-882Z的输入引脚4与温差电池接口相连，电压监测引脚3与压控制器U4的输出引脚1相连，升压充电泵U3的输出引脚1与升压控制器U4的电源引脚2相连，升压充电泵U3 S-8353的5引脚与启动用电容器CCPOUT相连，温差电池接口通过电感L与升压控制器U4 S-8353的5引脚相连，升压控制器U4 S-8353的5引脚与1引脚之间以及1引脚与2引脚之间分别连接有肖托基二极管SD1和SD2，输出引脚1通过滤波电容CL后接地。
本发明能量管理系统主要由开关切换电路1、稳压电路2、温差电池升压电路3、超级电容器升压电路4、单片机电路5和比较电路6组成。太阳能光伏电池输出的能量通过稳压电路2后为传感器节点供电，同时将多余的能量存储到锂离子电池中。太阳能光伏电池工作时背温和环境中的温度有一定的温差，所以在太阳能光伏电池的背面粘贴有温差电池，以进一步利用来自环境中的能量。由于温差电池输出的电压较小，直接向超级电容器充电很不现实，所以在温差电池的输出端与超级电容器之间增加了升压电路3，此升压电路3采用了升压充电泵芯片S-882Z和升压控制器芯片S-8353，S-882Z主要是提供一个足够高的输入电压，以使S-8353能够顺利启动，一旦S-8353被启动，升压工作就由S-8353来完成，S-882Z的工作就将停止，采用这种方法可将0.3V的低电压升压到3V，用它向超级电容器充电，超级电容器中将能存储更多的能量；当超级电容器两端的电压大于2.5V时，比较电路(6)的芯片U7上的右比较器和左比较器分别输出高电平和低电平，高电平闭合开关芯片U1的上继电器，接通单片机电路5，低电平则使单片机U6进入中断。单片机U6开始工作并进入中断后首先在P1.3引脚输出高电平闭合开关芯片U1的下继电器使超级电容器开始放电，由于超级电容器的阈值电压2.5V小于锂离子电池的截止电压值3.0V，所以在超级电容器放电的过程中也使用了升压电路4，此升压电路4的输入端与开关芯片U1的被控引脚6相连，升压电路4的输出端与太阳能光伏电池的输出端并联后和稳压电路2的输入端相连；由于超级电容器具有慢充快放的特点，所以，在很短的时间内可将电量放出，为传感器节点供电，并将多余的能量存储到锂离子电池中。在超级电容器放电的过程中，随着电量的减小其两端的电压将逐渐降低，当超级电容器两端的电压低于基准电压2.5V时，右比较器将输出低电平，如果不采取措施，单片机电路将断开，影响超级电容器的继续放电，所以在单片机的P1.2引脚与上继电器的1引脚之间以及右比较器的输出端与上继电器的1引脚之间分别连接一个由二极管D6、D7组成的信号幅度选择器，当单片机U6进入中断后首先在P1.2引脚输出高电平维持上继电器的闭合，从而保证单片机电路的接通，然后单片机U6执行中断延时程序；中断延时时间的长短是经过多次实验确定的，延时时间结束，超级电容器两端的电压将达到低阈值1V，此阈值是经过实验获得的，如果超级电容器两端的电压低于1V时继续放电，升压效率将明显降低。当延时时间结束，单片机U6在P1.2引脚输出低电平切断单片机电路，进而切断超级电容器放电电路，至此，能量管理系统完成一个工作循环恢复到最初状态，即太阳能光伏电池通过稳压电路2为传感器节点6供电，同时将多余的能量存储到锂离子电池中，温差电池通过升压电路3向超级电容器充电。如果太阳能光伏电池提供的能量不足以满足节点所需的能量时，锂离子电池将通过稳压电路2向传感器节点供电。
能量管理系统电路结构图如图2所示。
能量管理系统的外围器件：太阳能光伏电池、温差电池、锂离子电池、超级电容器以及传感器节点分别与能量管理系统所对应得接口相连。太阳能光伏电池接口通过二极管D1后分别与锂离子电池接口、比较电路6的电源端、稳压电路2的输入端以及开关切换芯片U1的8引脚相连。稳压电路2主要由稳压芯片U2 MAX8881组成，外围电阻R1为保护电阻，稳压电路2的输出端与传感器节点相连接。温差电池接口是升压电路3的输入端，温差电池升压电路3的核心器件是升压充电泵S-882Z和升压控制器S-8353，其外围的电感L1值为100uH，启动用电容器C3为10uF，温差电池升压电路3的输出端通过二极管D4后分别与超级电容器、开关切换电路1中开关芯片U1的5引脚以及比较电路6上的左比较器反向输入端2引脚和右比较器同向输入端5引脚相连。开关芯片U1的被控端6引脚与超级电容器放电升压电路4的输入端相连，超级电容器放电升压电路4采用的是MAX866升压芯片，其外围的电感L2值为330uH。单片机电路5中单片机U6的P1.3引脚与开关切换电路1中开关芯片U1的下继电器控制端3引脚相连，P1.2引脚通过二极管D6后与开关芯片U1的上继电器控制端1引脚相连，开关芯片U1的2、4引脚接地。
稳压电路2采用小体积、微功耗的max8881芯片；升压电路3是由高效率、可在0.3V启动的升压充电泵和升压控制器组成；单片机是由低功耗、低电压的AT89C2051-12PU单片机组成；比较器采用工作电压范围宽、价格低廉的LM358芯片；开关切换电路采用的是灵敏度高、相应速度快的AQW212芯片。
如图2所示，太阳能光伏电池接口通过二极管D1后分别与锂离子电池接口、稳压芯片U2的输入引脚1、升压芯片U5的输出端以及开关切换芯片U1的8引脚相连。开关切换芯片U1的1引脚分别通过两个反向的二极管D6、D7后与单片机U6的P1.2引脚和比较器U7的7引脚相连，3引脚与单片机U6的P1.3引脚相连，7、8引脚分别与单片机U6的20引脚和太阳能光伏电池接口相连，5、6引脚分别与超级电容器接口和升压芯片U5的输入端1引脚相连，2引脚和4引脚接地。稳压芯片U2的输入端1引脚与太阳能光伏电池接口相连，1引脚和5引脚之间接有保护电阻R1，3引脚和4引脚都与传感器节点相连。
温差电池升压电路3中，升压充电泵S-882Z的输入引脚4与温差电池接口相连，电压监测引脚3与压控制器U4的输出引脚1相连，升压充电泵U3的输出引脚1与升压控制器U4的电源引脚2相连，升压充电泵S-8353的5引脚与启动用电容器CCPOUT相连，温差电池接口通过电感L与升压控制器S-8353的5引脚相连，升压控制器S-8353的5引脚与1引脚之间以及1引脚与2引脚之间分别连接有肖托基二极管D3和D2，输出引脚1通过滤波电容CL后接地。
超级电容器放电升压电路4中，升压芯片U5的输入端1引脚与8引脚之间连接有电感L2，其值为330uH，2引脚接地以获得5V输出的升压电压，3引脚通过电容C7后接地，输出端与锂离子电池接口相连。单片机U6的电源端20引脚与1引脚之间连接有复位电容C8，4引脚和5引脚分别通过电容C9和C10后与晶振相连接，P1.2引脚和P1.3引脚分别通过上拉电阻R2和R3后与电源端20引脚相连，P3.2引脚与比较器U7的1引脚相连，2引脚和5引脚都与超级电容器接口相连，3引脚和6引脚都与2.5V的基准电压相连。

Claims (3)

1.一种可在0.3V低电压下升压的能量管理系统，其特征在于能量管理系统主要由开关切换电路(1)、稳压电路(2)、温差电池升压电路(3)、超级电容器放电升压电路(4)、单片机电路(5)和比较电路(6)组成；太阳能光伏电池输出的电能通过稳压电路(2)后向传感器节点供电，同时将多余的能量存储到锂离子电池中；温差电池输出的电能通过升压电路(3)后向超级电容器充电，当超级电容器的端电压大于阈值电压2.5V时，比较电路(6)的右比较器输出高电平，闭合开关芯片U1的上继电器，接通单片机电路(5)使单片机U6开始工作，左比较器输出低电平触发单片机U6的外部中断源P3.2引脚使单片机U6进入中断，单片机U6进入中断后在P1.3引脚输出高电平闭合开关芯片U1的下继电器，使超级电容器通过升压电路(4)与太阳能光伏电池并联后为传感器节点供电和向锂离子电池充电；随着超级电容器电量的减小其两端电压将逐渐降低，当超级电容器两端的电压低于基准电压2.5V时，右比较器将输出低电平，当单片机U6进入中断后首先在P1.2引脚输出高电平维持上继电器的闭合，从而保证单片机电路的接通，然后单片机U6执行中断延时程序；当中断延时程序结束，单片机U6在P1.2引脚输出低电平断开上继电器，切断单片机电路，进而切断超级电容器的放电电路，完成一个工作循环回到最初状态。
2.按照权利要求1所述的可在0.3V低电压下升压的能量管理系统，其特征在于太阳能光伏电池接口通过二极管D1后与锂离子电池接口相连接，同时与开关切换电路(1)中开关芯片U1的被控端8引脚以及稳压电路(2)中稳压芯片U2的输入引脚1相连；稳压电路(2)主要由稳压芯片U2 MAX8881组成，外围配有保护电阻R1和滤波电容C1，其输出引脚3和反馈引脚4并联后与传感器节点接口相连；开关切换电路1由开关芯片U1 AQW212组成，其上有两个继电器，分别为上继电器和下继电器，上继电器的输入引脚1分别与比较电路(6)上的比较器U7输出引脚7和单片机电路(5)上的单片机U6的P1.2引脚相连，上继电器的被控端8、7引脚分别与太阳能光伏电池接口和单片机电路(5)的电源端相连，下继电器的输入引脚3与单片机U6的P1.3引脚相连，下继电器的被控端6、5引脚分别与超级电容器接口以及超级电容器放电升压电路(4)上的升压芯片U5的输入端相连，上继电器和下继电器的2、4引脚分别接地；温差电池升压电路(3)主要由升压充电泵U3 S-882Z和升压控制器U4 S-8353组成，升压充电泵U3的输入引脚4与温差电池接口相连，电压监测引脚3与升压控制器U4的输出引脚1相连，升压充电泵U3的输出引脚1与升压控制器U4的电源引脚2相连，升压充电泵U3的5引脚与启动用电容器C3相连，温差电池接口通过电感L1与升压控制器U4的5引脚相连，升压控制器U4的5引脚与1引脚之间以及1引脚与2引脚之间分别连接有肖托基二极管D3和D2，升压控制器U4的1引脚与超级电容器接口之间接有二极管D4；超级电容器放电升压电路(4)主要由升压芯片U5 MAX866组成，MAX866的输入端1引脚与开关芯片U1的6引脚相连，1引脚和8引脚之间连接电感L2，8引脚和6引脚之间连接二极管D5，6引脚与锂离子电池接口相连；单片机电路(5)主要由单片机U6组成，其P1.2、P1.3引脚配有上拉电阻R3和R2；比较电路(6)由比较器U7 LM358组成，其上有两个比较器，分别为左比较器和右比较器，左比较器的反向输入引脚2和右比较器的同向输入引脚5与超级电容器接口相连接，左比较器的同向输入引脚3和右比较器的反向输入引脚6与2.5V基准电压相连，比较器U7的电源引脚8与锂离子电池接口相连。
3.按照权利要求1或2所述的可在0.3V低电压下升压的能量管理系统，其特征在于温差电池升压电路(3)中，升压充电泵U3 S-882Z提供输入电压，启动升压控制器U4 S-8353，一旦升压控制器U4 S-8353被启动，升压工作便由升压充电泵U3 S-8353来完成，升压控制器U4S-882Z停止工作。
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