CN101752899B - 复合微能源电源输出管理控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合微能源电源输出管理控制系统，主要包括负载供能组和自主控制电路供能组，另外，为实现能量备用，满足不间断供电的要求，还设计了备用切换储能组，本发明成功地解决了单一MEMS微型发电器件发出的电量微小，难以直接为功率较大的负载供能的难题，充分满足复合微能源系统间歇式为负载提供大电流输出的要求；本发明采用了创新的负载供能、自主控制电路供能和备用切换储能三组架构，其设计合理，供能全面，联接方式多样，灵活性高，可根据实际需要应用于多种负载场合，有效地降低了转换成本。

Description

复合微能源电源输出管理控制系统

技术领域

本发明涉及一种供电装置，特别涉及一种复合微能源电源输出管理控制系统。

背景技术

电子产品小型化、微型化、集成化、低功耗化是当今世界技术发展的大势所趋。随着MEMS技术的不断发展，人们已能制造出许多MEMS器件和产品，但是如何给MEMS器件供能成了目前亟待解决的问题。由于传统的电池尺寸大难以集成到MEMS产品中，不能满足系统长期工作的需要，更不能满足迅速发展的象无线传感网络、遥控系统和嵌入式结构电路等集成电路和MEMS传感器需要单独供电电源的要求，亟待研究和开发出具有体积小、长寿命、能反复使用的新型微能源系统。

迄今为止，微能源的研究和开发的主要思路依然主要集中在两个方面。一个方面是以现有的常规能源为基础，采用MEMS技术开发与制造微能源器件，譬如众所周知的微型燃料电池、微型锂电池、微型太阳电池、微型热电池等等。这些微能源器件中，不少的能量解决方案只适合用于短寿命工作周期。微型太阳电池适合于长寿命工作周期，但在无光的情况下就很难提供能量。另一个方面是从环境振动中获取能量，研究将环境振动转换为电能的微型发电装置或发电机，突出的工作主要集中在基于静电式、电磁式或压电式机电耦合转换原理的微能源发电器件或装置的研究开发方面。环境振动能量的持续性可以使这类器件适合于长寿命工作周期，但由于每个器件只能产生非常小的电力，一般在微瓦到毫瓦级之间，虽然对微功耗系统已经足够，但却不能满足许多负载工作的要求。因此，采用多模式、多器件协同进行能量转换，研究基于MEMS技术的复合微能源系统，应该是微能源发展的重要方向之一，也应该是微能源技术应用可供选择的电源方案之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种复合微能源电源输出管理控制系统，通过设计一种可连接多个微型发电装置的电源输出自主控制电路，可满足复合微能源系统间歇式为负载提供大电流输出的要求。

本发明的目的是提供一种复合微能源电源输出管理控制系统，所述复合微能源电源输出管理控制系统包括负载供能组和自主控制电路供能组；

所述负载供能组包括用于能量采集的微型发电源组I、多路电量耦合器I、储能器I、电子开关I，所述微型发电源I的能量输出端与多路电量耦合器I的能量输入端相联接，所述多路电量耦合器I的能量输出端与储能器I的能量输入端相联接，所述储能器I的能量输出端与电子开关I的能量输入端相联接，所述电子开关I上设置有负载供电输出端口；

所述自主控制电路供能组包括微型发电源组II、多路电量耦合器II和微控制器，所述微型发电源组II的能量输出端与多路电量耦合器II的能量输入端相联接，所述多路电量耦合器II的能量输出端与微控制器的能量输入端相联接，所述电子开关I的控制输入端与微控制器的控制输出端相联接，所述储能器I的电量信号检测输出端与微控制器的电量信号检测输入端相联接，所述电子开关I上还设置有负载供电输出检测端，所述负载供电输出检测端与微控制器的负载供电检测输入端相联接。

进一步，所述复合微能源电源输出管理控制系统还包括备用切换储能组，所述备用切换储能组包括微型发电源组III、多路电量耦合器III、储能器II、电子开关II和电子开关III，所述所述微型发电源III的能量输出端与多路电量耦合器III的能量输入端相联接，所述多路电量耦合器III的能量输出端与储能器II的能量输入端相联接，所述储能器II的能量输出端分别与电子开关II和电子开关III的能量输入端相联接，其中，所述电子开关II的能量输出端与微控制器的能量输入端相联接，所述电子开关III的能量输出端与储能器I的能量输入端相联接，所述电子开关II和电子开关III的控制输入端均与微控制器的控制输出端相联接，所述储能器II的电量信号检测输出端与微控制器的电量信号检测输入端相联接；

进一步，所述自主控制电路供能组还包括滤波电路和稳压电路，所述滤波电路和稳压电路依次联接在微型发电源组II的能量输出端与微控制器的能量输入端之间；

进一步，所述微型发电源组I、微型发电源组II和微型发电源组III采用微型发电机电源或微型电池类电源；

所述微型发电源组采用微型发电机电源时，与之相联接的多路电量耦合器采用整流桥式结构形成多路的耦合通道，用于与储能器的联接；

所述微型发电源组采用微型电池类电源时，与之相联接的多路电量耦合器采用单向导通结构形成多路的耦合通道，用于与储能器的联接。

进一步，所述微控制器采用AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器ATmega168V；

进一步，所述储能器I和储能器II采用超级电容器。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用该电路通过多路电量耦合器和超级电容器分组储能，采用基于低功耗微控制器作为核心控制器，组成电源输出自主控制系统，通过内部多路ADC和嵌入的自主控制软件监测充电电压和输出电压，控制电子开关通断，实现电源输出自主管理控制功能，本发明成功地解决了单一MEMS微型发电器件发出的电量微小，难以直接为功率较大的负载供能的难题，充分满足复合微能源系统间歇式为负载提供大电流输出的要求；

2.本发明采用了创新的负载供能、自主控制电路供能和备用切换储能三组架构，其设计合理，供能全面，联接方式多样，灵活性高，可根据实际需要应用于多种负载场合，有效地降低了转换成本；

3.本发明的设计将多种能量转换原理的微能源器件通过微电源自主管理控制系统协同起来工作，优势互补，进行能量有效积累和输出控制，微能源器件可以选择微型振动式发电机、微型太阳电池、微型热电池等，其选择面宽，应用面广，具有较大的应用前景。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的电路连接原理图；

图2为多路电量耦合器电路结构图；

图3为微控制器的电路连接示意图；

图4为应用实例的充电测试结构图；

图5为应用实例发射时超级电容器上的电压变化示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的复合微能源电源输出管理控制系统，包括负载供能组1、自主控制电路供能组2和备用切换储能组3；

负载供能组1包括用于能量采集的微型发电源组I11、多路电量耦合器I12、储能器I13、电子开关I14，微型发电源I11的能量输出端与多路电量耦合器I12的能量输入端相联接，多路电量耦合器I12的能量输出端与储能器I13的能量输入端相联接，储能器I13的能量输出端与电子开关I14的能量输入端相联接，电子开关I14上设置有用于与负载联接的负载供电输出端；

自主控制电路供能组2包括微型发电源组II21、多路电量耦合器II22和微控制器23，微型发电源组II21的能量输出端与多路电量耦合器II22的能量输入端相联接，多路电量耦合器II22的能量输出端与微控制器23的能量输入端相联接；在微型发电源组II21的能量输出端与微控制器23的能量输入端之间依次连接有滤波电路和稳压电路，用于对微型发电源组II21输出的电流实现滤波和稳压，满足微处理器23的供电要求。

备用切换储能组3包括微型发电源组III31、多路电量耦合器III32、储能器II33、电子开关II34和电子开关III35，微型发电源III31的能量输出端与多路电量耦合器III32的能量输入端相联接，多路电量耦合器III32的能量输出端与储能器II33的能量输入端相联接，储能器II33的能量输出端分别与电子开关II34和电子开关III35的能量输入端相联接，其中，电子开关II34的能量输出端与微控制器23的能量输入端相联接，电子开关III35的能量输出端与储能器I13的能量输入端相联接；

为便于对电子开关的集中控制，电子开关I11、电子开关II和电子开关III的控制输入端均与微控制器23的控制输出端相联接；

为实现对储能器的电压检测，储能器I和储能器II的电量信号检测输出端均与微控制器23的电量信号检测输入端相联接；

为实现在供电时对输出电压的检测，电子开关I上还设置有负载供电输出检测端，负载供电输出检测端与微控制器的负载供电检测输入端相联接。

本发明中，所述微型发电源组I、微型发电源组II和微型发电源组III可以采用微型发电机电源或微型电池类电源；当微型发电源组采用微型发电机电源时，与之相联接的多路电量耦合器采用整流桥式结构形成多路的耦合通道，用于与储能器的联接；当微型发电源组采用微型电池类电源时，与之相联接的多路电量耦合器采用单向导通结构形成多路的耦合通道，用于与储能器的联接。

如图2所示的一种多路电量耦合器电路结构图，该图表示了一种多路电量耦合专用集成电路芯片的构造原理，其输入通道分两大类，一类输入接MEMS微型发电机，主要通过交流变直流进行耦合，本实施例是通过桥式整流结构来完成，图中的通道有8路IN1～IN8，；另一类接像微型太阳电池、热电池等电池类发电源，采用单向导通耦合，图中设计了2路IN9和IN10，通道数量可根据需要变化，如结构振子为阵列式的MEMS振动式发电机，其通道数量就比较多。电路中的R1～R10是一个几十欧姆的电阻，主要的作用是防止多路发电源一起耦合对储能器充电时相互箝位影响。二极管采用锗工艺制程，导通压降仅为0.2V，发电源受到导通压降的影响很小。该芯片可做成通用芯片，缩小体积。

微控制器23的选择和设计是本系统的重要一环，如图3所示，本发明采用了基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器ATmega168V作为核心控制器，组成电源输出自主控制系统，ATmega168V是最新一代高性能、低功耗微处理器，片内许多资源或单元电路的电源都可以单独开启或关断，能够最大程度降低功耗。芯片最低工作电压1.8V，内部自带RC振荡器，工作频率最低可设置到128kHz，在这种情况下芯片的一般功耗约为40μW。如果关掉其他不用的内部资源，功耗还要低，而且在掉电模式功耗不到2μW。由于复合微能源系统电源管理的控制和计算功能比较简单，程序运行速度不要求很快，电压检测精度也不要求很高，因而AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器ATmega168V是一种很好的选择。微处理器工作在极低功耗模式，通过内部多路10位A/D转换器(用ADC0、ADC1、ADC2)和嵌入的自主控制软件监测电压，能很好实现电源输出自主管理控制功能。电路设计中将第二组发电源通过第2个多路电量耦合器的OUTPUT2脚接入输入电压，经C1、R1和DZ进行滤波稳压得到2.7V直流电压为微处理器控制电路供能。R2和C2组成复位电路，微处理器一上电就开始工作。

本实施例中，储能器I13和储能器II33采用超级电容器。超级电容器具有容量大、功率密度高、充电效率高、寿命长、放置时间长和免维护等优点，是作为复合微能源系统储能器的最佳选择之一。在系统中，用于为负载供能的储能器和备用储能器都选用超级电容器，它们容量的选择需根据具体应用负载和应用环境能量利用率来确定。由于超级电容器如果容量大，则会充电速率低，进入工作状态慢；如果其容量小，则瞬时输出较大功率时电压下降太快，引起系统工作掉电，需要进行优化设计计算。而备用超级电容器的容量要大，一般储备的能量要在断续时间段能维持系统工作的需要。

复合微能源电源输出自主管理控制程序主要根据负载工作模式、负载功耗大小、环境能量状况以及发电源能量转换效率等多方面情况综合起来进行设计，不同的应用对象和工作环境就有不同的程序结构与管理控制方法。以微能源系统为在建筑物健康监测、环境监测、公共安全及军事等领域中应用的无线传感器网络的发射模块供电为例。上电后，微处理器首先进行初始化工作，关电不用的片内资源、设置低功耗模式、设置A/D工作模式、控制关闭电子开关等。然后定时检测负载供能组上的主储能器和备用切换储能组上的备用储能器的充电电压，并进行比较分析，一旦负载供能组上的主储能器充电电压达到预定值，控制接通输出回路开关，无线发射模块开始工作。在发射模块工作期间，程序定时采样输出电压和储能器上的电压，可以分析功率输出情况，发现异常及时关闭输出回路开关，也可接通备用切换储能组上的储能器进行能量补充等。数据发射不需要那么频繁时可以进入睡眠状态，降低电路能量消耗。在接有微型太阳电池，需要白天晚上工作的情况，程序将控制开关实现白天晚上工作。

应用实例

应用对象：为机器故障振动监测无线传感器网络发射模块供电。该模块正常工作电压在2.7V～3.6V之间，初始导通工作电流20mA左右，持续时间70～180ms。启动后，每隔1分钟发射接收一次数据，发射电流15mA左右，持续时间20～30mS，静态工作电流5μA左右。

实验条件：采用本发明的系统架构，在每组接入1个压电式微型振动发电机和1个微型太阳电池组(8片串联，总面积尺寸24×12mm)；负载供能组的超级电容器为0.47F，备用切换储能组的超级电容器为1.88F；发电机共振频率在50～56Hz，加0.5g以上加速度振动；太阳电池放窗台上，下午多云天。

实验结果：振动开机充电储能40分钟前的充电测试结果如图4所示。40分钟后，发射模块启动发射，微电源可以维持模块在3.1V电压下1分钟发射接收一次数据并长时间稳定工作。发射时负载供能组的超级电容器上的电压变化如图5所示。

从图4中的测试结果可以看到，自主控制电路供能组一开始充电不到5秒钟便达到3.1V，这说明自主控制电路的能耗很低，经测试不到100μW。备用切换储能组的超级电容器容量比较大，因而充电速率比较慢，但照这个速度，用不了3小时就可充到3V且储备能量较大。如果针对一个白天时间段，进一步加大储能器容量则可以储备更多能量。经对负载供能组发电源输出的功率进行测试，平均输出功率为750～1850μW，瞬时输出功率可以达到850mW。当然，如果接入的微型发电机单元更多的话，输出功率会进一步加大。

本发明采用多模式、多器件协同进行能量转换，研究基于MEMS技术的复合微能源系统理念，针对将多个产生电能的装置一体化集成为一个复合微能源系统的应用问题，设计了一种可连接多个微型发电装置的复合微能源电源输出管理控制系统，从硬件和软件方面，实现了复合微能源系统电源输出自主控制功能。经实验证明：在接入微型压电式振动发电机和微型太阳电池条件下，这种复合微能源系统的平均输出功率为750～1850μW，瞬时输出功率可以达到850mW，而自身的功耗只在100μW以下，能满足连续振动和光照环境中微功耗电子器件、传感器或间歇式大功耗遥测电路的要求，具有广泛的应用前景和较高的实用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种复合微能源电源输出管理控制系统，其特征在于：所述复合微能源电源输出系统包括负载供能组和自主控制电路供能组；

所述负载供能组包括用于能量采集的微型发电源组I、多路电量耦合器I、储能器I、电子开关I，所述微型发电源组I的能量输出端与多路电量耦合器I的能量输入端相联接，所述多路电量耦合器I的能量输出端与储能器I的能量输入端相联接，所述储能器I的能量输出端与电子开关I的能量输入端相联接，所述电子开关I上设置有用于与负载联接的负载供电输出端；

所述自主控制电路供能组包括微型发电源组II、多路电量耦合器II和微控制器，所述微型发电源组II的能量输出端与多路电量耦合器II的能量输入端相联接，所述多路电量耦合器II的能量输出端与微控制器的能量输入端相联接；

所述电子开关I的控制输入端与微控制器的控制输出端相联接，所述储能器I的电量信号检测输出端与微控制器的电量信号检测输入端相联接，所述电子开关I上还设置有负载供电输出检测端，所述负载供电输出检测端与微控制器的负载供电检测输入端相联接；

所述复合微能源电源输出管理控制系统还包括备用切换储能组，所述备用切换储能组包括微型发电源组III、多路电量耦合器III、储能器II、电子开关II和电子开关III，所述微型发电源组III的能量输出端与多路电量耦合器III的能量输入端相联接，所述多路电量耦合器III的能量输出端与储能器II的能量输入端相联接，所述储能器II的能量输出端分别与电子开关II和电子开关III的能量输入端相联接，其中，所述电子开关II的能量输出端与微控制器的能量输入端相联接，所述电子开关III的能量输出端与储能器I的能量输入端相联接，所述电子开关II和电子开关III的控制输入端均与微控制器的控制输出端相联接，所述储能器II的电量信号检测输出端与微控制器的电量信号检测输入端相联接。

2.根据权利要求1所述的复合微能源电源输出管理控制系统，其特征在于： 所述自主控制电路供能组还包括滤波电路和稳压电路，所述滤波电路和稳压电路依次联接在微型发电源组II的能量输出端与微控制器的能量输入端之间。

3.根据权利要求2所述的复合微能源电源输出管理控制系统，其特征在于：所述微型发电源组I、微型发电源组II和微型发电源组III采用微型发电机电源或微型电池类电源；

所述微型发电源组采用微型发电机电源时，与之相联接的多路电量耦合器采用整流桥式结构形成多路的耦合通道，用于与储能器的联接；

所述微型发电源组采用微型电池类电源时，与之相联接的多路电量耦合器采用单向导通结构形成多路的耦合通道，用于与储能器的联接。

4.根据权利要求1所述的复合微能源电源输出管理控制系统，其特征在于：所述微控制器采用AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器ATmega168V。

5.根据权利要求1所述的复合微能源电源输出管理控制系统，其特征在于：所述储能器I和储能器II采用超级电容器。 

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