CN105186606B - 一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法，太阳能电源包括可手动调整水平方位角与倾角的太阳能电池板支撑构件和高能效电源模块。所述支撑构件包括承载电池板的托框和支撑托框的托架，托架可绕固定于支座的垂直轴转动，托框可绕插入托架的水平轴摆动。所述电源模块包括可充电锂电池、超级电容、电池充电管理器、调整稳压器、低微控制器功耗与电子开关。该电源能根据托架放置方位调整电池板的水平方位角与倾角，使电池板处于最佳受光角度；通过测量太阳能电池的输出和超级电容与锂电池的电压，由微控制器通过电子开关进行动态电源管理，可实现高效率的太阳能采集、存储和利用，满足功率为瓦级及以下无线设备的供电与续航要求。

Description

一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法

技术领域

本发明属于无线终端、设备供电与利用太阳能的电源工程领域，涉及一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法，主要面向应用于户外或野外的、由电池供电的微小功率定点设备和无线传感器节点等装置的供电与电能补给需求。

背景技术

计算机、传感器和无线通信等信息技术的快速发展，使得无线传感器及其网络的应用潜力越来越大，需求越来越多；但另一方面，对无线设备功能与性能的增强要求也使得其对电能供给能力的要求也越来越高。受供电电池容量密度和制造成本、体积尺寸的限制，电池的续航能力有限，因此需要补给电能。对于工作在户外、野外的设备装置而言，太阳能是一种清洁、便利、低成本的绿色能源，非常适于用作无线设备的电源或电能补给。然而，太阳能的供应受到时、空因素限制，容易因气候影响而使的其供能的稳定性差。因此，对于低成本、小尺寸的用电装置设备，以太阳能为电源或者作为辅助电源时，为尽量克服太阳能电源的缺陷，保证供电的可靠性、稳定性，必须要求从太阳能的采集、存储、电源自身节能等方面在满足有关成本、尺寸及其他物理条件的情况下，特别注重电池板的固定位姿、太阳能采集电路中的功率调理、存储分配、储能器件供电管理等方面，以实现电源系统的高效率或高能效。

现有太阳能发电技术在微小功率级别的电源构建方面的应用问题考虑和方法技术研究都有欠缺。对于面向无线传感器以及独立式指示照明(如独立的道路交通信号指示灯、野外的环境数据采集器)等受成本、体积尺寸限制的微小功率用电设备，其太阳能电池板的输出功率、储能器件的容量都受到很大限制，而对其工作性能的要求使得其电源功率要求虽然相对较小，但对其续航能力高。在这种成本、资源以及体积或尺寸严格受限的条件下，提高电源的工作效率是非常关键的。

对于独立工作且功率微小的太阳能电源而言，其存在着不同于那些大功率、联网型的光伏发电系统的问题。微小功率，使其自身的电能消耗问题相对突出，因此必须在满足电源规格的前提下做到尽可能降低自身功耗、提升电源系统的节能效率；独立工作方式，使其必须在系统储能能力有限的条件下考虑，如何适应太阳能输入时无、时有以及时强、时弱等情况，以实现对光伏能量的高效率采集与存储。因此，必须针对无线传感器等功率微小、工作负载不稳定的这类电池供电设备或装置的低功耗和电源要求与特点，基于现有的微计算机和电子器件等基础技术，研究给出有效的技术解决方案。

因此，有必要设计能效高的独立式微功率太阳能电源及其实现方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法，该独立式微功率太阳能电源及其实现方法易于实施，具有集成度高、自动化程度高、系统自身功耗低等特点。

发明的技术解决方案如下：

一种独立式微功率太阳能电源，包括微控制器、太阳能电池、超级电容、锂电池、充电管理器、调整稳压器以及5个电子开关；

5个电子开关分别为第1、2、3、4和5开关；5个电子开关均受控于微控制器；

第1开关为单路开关，太阳能电池的正极经第1开关接采样电阻Rs的第一端，太阳能电池负极接地；采样电阻Rs的第二端接第2开关的公共输入端，第2开关具有3个开关通道，第2开关的第一开关通道经超级电容接地；第二开关通道接充电管理器的输入端，第三开关通道接调整稳压器的输入端；

充电管理器的输出端接锂电池正极，锂电池正极通过2个串接二极管D1、D2(在实例电路中需两管串接降压0.9V)接太阳能电源的输出端Vout；

第3开关的公共端接第2开关的第一通道，第3开关具有2个有效的开关通道，第3开关的第一通道接调整稳压器的输入端；第3开关的第二通道(即图3中的第3开关的3引脚)接太阳能电源的输出端Vout；太阳能电源的输出端Vout即为调整稳压器的输出端；

第4开关的公共输入端接充电管理器的输出端(也即锂电池正极端)，第4开关具有2个有效的开关通道，第4开关的第一通道(即图3的第4开关的2引脚)接调整稳压器的输入端；第4开关的第二通道(即图3中的第4开关的3引脚)接太阳能电源的输出端Vout；

第5开关具有4个开关通道，第5开关的公共端为输出端，依次经串联的电阻R1和电阻R2接地，电阻R1和R2组成分压电路；电阻R1和R2的连接点接微控制器内的A/D转换器输入端。分压电路的作用是将输入的电压按电阻比值(R1/(R1+R2))衰减，使其不超过微控制器内的A/D转换器的允许输入范围。

第5开关具有4个开关通道，第5开关的第一通道接采样电阻Rs的第一端；第5开关的第二开关通道接Rs的第二端；第5开关的第三通道接第2开关的第一通道；第5开关的第四通道接锂电池正极端，也即充电管理器的输出端。

调整稳压器不但具有稳压输出的功能，还具有调压功能，所谓的调压即基于输入电压进行升压或降压。

微控制器选用MSP430F1222，电子开关采用集成器件ADG821；充电管理器为集成器件CN3063；调整稳压器选用TPS63031、锂电池选用3.7V的可充电锂电池、超级电容由两个2.7V、310F电容器串接而成；太阳能电池选用5.5V、4W太阳能电池板。

所述的太阳能电源还包括太阳能电池组件；所述的太阳能电池组件包括支座(7)、托架(1)、托架转轴(3)、螺母(4)、托框(2)和太阳能电池板(9)；托架为L形支架，包括水平的底板和竖直的2根立柱；

托架转轴呈竖直方向安装以连接托架的底板与支座，螺母旋紧在托架转轴的上端；松动螺母时能使得托架能相对于支座旋转；

托框呈一倾斜角度设置在托架上；太阳能电池板放置于托框中并固定。

安装有太阳能电池板的托框上端通过轴销(8)与托架的2根立柱的上端铰接；

太阳能电池组件还包括用于调整太阳能板倾斜角度的倾角调整机构；

倾角调整机构包括六角头T形螺杆(11)、光孔支撑块(13)和内螺孔支撑块(12)；光孔支撑块和内螺孔支撑块均固定的托架的底板上；六角头T形螺杆呈水平方向穿过光孔支撑块和内螺孔支撑块，且六角头T形螺杆作前后运动时，其前端顶住托框背面以使得太阳能电池板绕轴销抬升或降低，从而改变倾角。

六角头T形螺杆上还设有限位止挡螺母(14)，限位止挡螺母位于光孔支撑块和内螺孔支撑块之间，止挡螺母上有销钉，可调整和固定其在螺杆上的位置。

托架上还设有托架立柱加强斜边(15)，托架立柱加强斜边的一端固定在托架的立柱顶端，托架的立柱加强斜边的另一端固定在托架底板的外端，两根立柱的顶端之间设有一条横梁(17)将两立柱固联。

微控制器按以下方式通过切换电子开关对太阳能输入和存储路径进行控制(微控制器以最利于对太阳能电池产生的电能的转移为目标进行以下控制)：

1)接通第1开关和第2开关的第二通道，当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求时，将通过充电管理器给锂电池充电；

当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而锂电池充满(达到允许最大电压值)时，将第2开关切换到第一通道，给超级电容充电；

当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而超级电容和锂电池都满度时，或者太阳能输入已不满足对锂电池和超级电容的充电要求(低于当前需要的电压)但符合调整稳压器的输入要求时，第2开关切换到第三通道，使太阳能电池输出接入调整稳压器输入端；

2)若太阳能输入不满足前三项的工作条件，则第2开关切换到第二通道，等待符合条件时使充电管理自动工作。

将太阳能板输出电能进行输出切换的规则与顺序是：

(1)当超级电容的输出电压位于电源的额定输出电压范围时，将第3开关切换到第二通道,由超级电容直接为负载供电直至其电压低于工作电压目标范围(目标工作电压±1％)，此时调整稳压器休眠；

(2)当超级电容的电压处于调整稳压器输入电压工作范围时，以超级电容的输出作为调整稳压器的输入，即将第3开关切换到第一通道，此时，第4开关接其第一通道(悬空)，也即断开第4开关；

(3)当超级电容的电压低于调整稳压器的输入范围时，断开第3开关，将第4开关切换到第一或第二通道(即图3中的引脚2和3)，改由锂电池供电；

(4)当锂电池电压处于电源系统的工作电压的目标范围时，第4开关第二通道接通，即不使用调整稳压器，将锂电池电压直接输出；

(5)当超级电容和锂电池都储满电量且太阳能电池输出符合调整稳压器的输入电压范围时，将第2开关切换到第三通道，使太阳能电池的输出作为调整稳压器的输入而断开其他输入；

(6)当太阳能板的输出电压不符合调整稳压器的输入条件时，第2开关接回第二通道，转回第(1)步。

一种太阳能电源的实现方法，采用前述的太阳能电源输出电能。

控制步骤为：

(1)由微控制器控制选通第4开关的第二有效开关通道接通，将锂电池连接到稳压器，也即将系统上电时刻的二极管支路直接供电改换为锂电池经调整稳压后向外和系统本身供电；

(2)接通第5开关的第三、第四通道，分别测量超级电容的电压C(U)和锂电池电压E(U)；

(3)若C(U)不在3.3±0.033V范围，但处于调整稳压器TPS63031的允许输入范围,则第3开关切换到第一通道(即选通ADG821-3的1通道)、断开第2开关的第三通道(即断开ADG821-2的2通道)与第4开关(即ADG821-4的1、2通道都断开)，即由超级电容经稳压器向外和系统本身供电；若C(U)处于3.3±0.033V范围，则第3开关切换到其第二通道(即选通ADG821-3的2通道、断开ADG821-3的1通道和ADG821-2的2通道)、关断第4开关(即ADG821-4的1、2通道)，由超级电容直接向外和系统本身供电(此时调整稳压器TPS63031会自动休眠)；若C(U)低于调整稳压器(即TPS63031)的允许输入范围，则关断第3开关、接通第4开关的第一或第二通道，即改为锂电池供电，此时若E(U)在3.3±0.033V范围，则第4开关接通其第二通道(即选通ADG821-4的2通道)，由锂电池直接向外和系统本身供电(此时调整稳压器自动休眠)，此时若E(U)不在3.3±0.033V范围，则第4开关接通其第二通道(即ADG821-4的1通道选通、其2通道断开)，由锂电池通过调整稳压器向外供电；

(4)接通第1开关(即ADG821-1的1通道)和第5开关的1、2通道(即ADG821-5和ADG821-6的1通道)，同时测量电压U1和U2，得到太阳能电池的当前输出电压和电流，电流值为[U1-U2]/Rs；

(5)若太阳能电池的输出满足充电管理器的工作范围，当E(U)低于3.7V时，则第2开关切换第二通道(即选通ADG821-2的1通道)并断开第1开关的第二通道(即ADG821-2的2通道)给锂电池充电；当E(U)不低于3.7V而C(U)低于5.4V时，断开第2开关的第二通道(ADG821-2的1通道)并切换到其第一通道(ADG821-1的2通道)，给超级电容充电；若C(U)达到5.4V，且太阳能电池的输出满足调整稳压器的工作范围，则断开第3开关的第一通道(ADG821-3的1通道)，第2开关切换到第三通道(即选通ADG821-2的2通道、断开ADG821-3的1、2通道)，由太阳能电池直接接入调整稳压器向外和系统本身供电。

(6)若太阳能电池的输出既不满足充电管理器的工作范围也不满足调整稳压器的工作范围，则断开第1开关；

(7)延时30～60ms后返回第2步。

特别说明，第3开关的第一通道和第二通道分别对应图3中的第3开关的引脚1和3，第4开关的第一通道和第二通道分别对应图3中的第4开关的引脚2和3。

螺母与托架之间还设有垫圈(5)，垫圈为弹簧垫圈。

所述的支座为具有四条直立支撑脚(或者内径大于托架转轴最大台阶直径的圆钢管)且其顶面焊接有矩形钢板的钢制框架，以矩形钢板中线为对称轴，有四个均匀布置的安装孔，用于固定托架转轴；

所述托框为采用截面为直角的角钢围成的矩形框，在角钢围成的底面有纵、横向并对称布置的钢条分别连接到框架两侧边，太阳能电池板可嵌在托框中并固定，受光面朝上；在矩形托框的一条短边的两外侧装有垂直托框长边外侧面设有同轴线的轴销，通过此轴销，托框可呈一定倾斜角度悬挂在托架上端；

所述的托架是以水平放置作为底板的矩形钢板为直角边、以在底板一端的两侧直立的两条钢柱为另一条直角边、以连接钢柱上端与底板另一端的两条平行钢条为斜边的直角三角形结构件；通过垂直于支座顶面的托架转轴和弹簧垫圈、托架固定螺母与托架底座联接，使得托架在松动托架固定螺母时能绕托架转轴相对底座水平旋转；

所述的托架转轴是一个三台阶的轴，其位于转轴一端的台阶直径最大、长度最短，转轴另一端直径最小但台阶最长且顶端有螺纹，其螺纹长度是托架固定螺母的螺纹长度的3倍；居中台阶的轴径也居中，与托架固定螺母的外径相当，其台阶长度是最短台阶的3倍；在转轴最大台阶的端面上开有四个均匀分布的通孔，与支座顶面上的四个安装孔配套，用于固定托架转轴。

托架上有用于调整太阳能电池板倾斜角度的倾角调整螺杆机构，此螺杆机构水平设置在托架底座的长度方向的中心线上，在底座中心线上焊接有两个相距四分一轴长的直立支撑块，与托框接触的是内螺孔支撑块、靠近转轴一侧的是光孔支撑块；六角头T形螺杆的螺纹端从光孔支撑块一侧进入，在旋转进入内螺孔支撑块之前，先套上一个侧面有销钉的限位止挡螺母，以限制螺杆的水平移动量，该螺母可用销钉固定在螺杆上，其固定位置根据螺杆水平行程需要确定；托框上端两边设有同轴的两个轴销，此轴销分别插入托架两侧立柱上端的同轴轴孔中，使托框上端与托架联接并可转动；托框下端无固定联接，但背靠在倾角调整螺杆的螺纹端，可与螺杆联动，转动螺杆，使其在底座上左右移动，可使太阳能电池板的倾角随托框下端的抬升(或降低)而增大(或减小)。

太阳能电池通过电子开关相连到超级电容和充电管理器输入端，通过具有自检功能的充电管理器为锂电池充电；锂电池和超级电容还通过多路电子开关为微控制器供电，并由微控制器控制电子开关将超级电容或锂电池中的一个输出给具有升压和降压功能的调整稳压器，经过稳压调整后向外部供电。

微控制器内含A/D转换器，所有电子开关均受控于微控制器；系统上电后，微控制器通过对第5开关的控制依次选通其3、4和1、2通道，周期性测量当前的太阳能电池的输出电压和电流、超级电容器的电压、锂电池的电压，从而根据当前太阳能电池的实时供电能力、超级电容器和锂电池的当前电量储存情况与存储能力，以最利于对太阳能电池产生的电能的转移为原则(即太阳能电池输出端所接负载应选择其输入端压差是当前最小的)，由微控制器控制第1～第4电子开关切换到相应输出端，调整太阳能电池电能输入到储能器或调整稳压器的路径，实现对太阳能高效采集、存储和直接利用；调整稳压器的输入视情况不同可分别接入超级电容、锂电池或太阳能电池的输出，三者择一。微控制器还控制调整稳压器的主要工作在节能模式，在大小不同的负载下保持高转转效率，降低自身消耗。在两个储能器之间的任一个的输出电压达到负载工作电压范围内时，微控制器会断开调整稳压器的输入，而直接将超级电容或锂电池接电源输出端，以进一步节省自身消耗。

微控制器采用MSP430系列器件，电子开关采用ADG821集成器件；对用于露天环境监测的无线传感器网络节点或独立的照明指示灯等无线设备或装置供电的瓦级以下低工作电压(3.3V)的太阳能电源，其太阳能充电与管理器可选用集成器件CN3063、电源电压调整器选用TPS63031、锂电池选用3.7V的可充电锂电池、超级电容由两个2.7V、310F电容器串接而成；太阳能电池选用5.5V、4W电池板。

调整太阳能电池板朝向的方法是，先根据为太阳能电池板托架选定的方位安装支座，再用螺栓将托架转轴固定在支座面，然后将托架套在托架转轴上，加上弹簧垫圈、套上螺母；以当前季节(主要考虑冬、夏两季)正午的太阳光线为参考，转动托架，使托框上的太阳电池板面正对太阳方向，然后拧紧托架螺母；转动倾角调整螺杆，改变太阳能电池板的倾角(即太阳能电池板表面与铅垂线的夹角，根据托架安装位置在地球上所处的纬度不同适当调整倾角大小，相对北半球而言，夏季的倾角相对大、冬季的倾角相对小，倾角需要兼顾两季)，使电池板表面能获得尽量多的光量的同时，其表面保持倾斜，以使得灰尘或其他遮挡物不容易积、留在表面。

有益效果：

本发明的独立式微功率太阳能电源及其实现方法，独立式微功率太阳能电源包括可手动调整水平方位角与倾角的太阳能电池板支撑构件和高能效电源模块。所述支撑构件包括承载电池板的托框和支撑托框的托架，托架可绕固定于支座的垂直轴转动，托框可绕插入托架的水平轴摆动。所述电源模块包括可充电锂电池、超级电容、电池充电管理器、调整稳压器、低微控制器功耗与电子开关。该电源能根据托架放置方位调整电池板的水平方位角与倾角，使电池板处于最佳受光角度；通过测量太阳能电池的输出和超级电容与锂电池的电压，由微控制器通过电子开关进行动态电源管理，可实现高效率的太阳能采集、存储和利用，满足功率为瓦级及以下无线设备的供电与续航要求。

本电源系统不仅能满足对无线传感器等工作于户外或野外的无线设备装置的高效率太阳能供电和电能补给要求，也适用于其他工作于户外的独立式太阳能照明和信号指示设备装置，对提高这些电池供电设备的续航能力具有良好的应用价值。

本发明的具体优势体现在以下几个方面：

(1)提高了系统的整体效率，解决微小功率太阳能电源系统中常被忽视的自身消耗问题，因成本和自身资源有限而使系统整体能效受限且不高的问题，针对实际环境中太阳能辐射存在时空局限性、以及强度变化无常的特点，设计实现了随时高效采集、有效存储、充分利用的电路管理原则，从而能有效提高电源系统的整体效率。

(2)给出的太阳能电池板朝向手动调整机构的结构和操作都简单、可靠，且制作成本低，；由于机械系统的运动通常消耗的功率远大于照明、通信等系统运行的功率，因此采用手动调节方式，使电池板获得高密度太阳能辐射的同时，避免了自动调节的系统中的大功耗环节。

(3)电路设计中均选用低功耗器件，并考虑到了电源模块中主要器件的工作与能效特点，在电源的输出供电方面，进行了基于动态电源管理的节能管理设计，使电源系统自身功耗尽可能降低；在电源的光伏能量(太阳能)输入方面，为提高相同太阳能辐射强度下的能量转换效率，采取了符合最有利于太阳能转换出的电能高效转移和存储的电路管理设计，选用超低功耗的微控制器与集成电子开关，以最小的测控能耗代价，可实现高效率的能量采集、存储、输出动态管理。

本发明能手动调整太阳能电池板的朝向与倾角以获得最佳受光角度，通过微控制器实测不同储能元件的当前电压幅值与太阳能电池的输出能力，并据此控制电子开关的切换，能实现高效率的电能存储与输出。

附图说明

图1为独立式微功率太阳能电源的结构示意图(主视图)；

图2为独立式微功率太阳能电源的结构示意图(俯视图)；

图3为电源系统结构框图；

图4为电路原理图。

标号说明：1-托架，2-托框，3-托架转轴，4-螺母，5-垫圈，6-倾角调整机构，7-支座，8-轴销，9-太阳能电池板，10-托架转轴安装螺栓，11-六角头T形螺杆，12-内螺孔支撑块，13-光孔支撑块，14-限位止挡螺母，15-托架立柱加强斜边，16-轴孔,17-横梁。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1-4，一种独立式微功率太阳能电源，包括微控制器、太阳能电池、超级电容、锂电池、充电管理器、调整稳压器以及5个电子开关；

5个电子开关分别为第1、2、3、4和5开关；5个电子开关均受控于微控制器；

第1开关为单路开关，太阳能电池的正极经第1开关接采样电阻Rs的第一端，太阳能电池负极接地；采样电阻Rs的第二端接第2开关的公共输入端，第2开关具有3个开关通道，第2开关的第一开关通道经超级电容接地；第二开关通道接充电管理器的输入端，第三开关通道接调整稳压器的输入端；

充电管理器的输出端接锂电池正极，锂电池正极通过2个串接二极管D1、D2(在实例电路中需两管串接降压0.9V)接太阳能电源的输出端Vout；

第3开关的公共端接第2开关的第一通道，第3开关具有2个有效的开关通道，第3开关的第一通道接调整稳压器的输入端；第3开关的第二通道(即图3中的第3开关的3引脚)接太阳能电源的输出端Vout；太阳能电源的输出端Vout即为调整稳压器的输出端；

第4开关的公共输入端接充电管理器的输出端(也即锂电池正极端)，第4开关具有2个有效的开关通道，第4开关的第一通道(即图3的第4开关的2引脚)接调整稳压器的输入端；第4开关的第二通道(即图3中的第4开关的3引脚)接太阳能电源的输出端Vout；

第5开关具有4个开关通道，第5开关的公共端为输出端，依次经串联的电阻R1和电阻R2接地，电阻R1和R2组成分压电路；电阻R1和R2的连接点接微控制器内的A/D转换器输入端。分压电路的作用是将输入的电压按电阻比值(R1/(R1+R2))衰减，使其不超过微控制器内的A/D转换器的允许输入范围。

第5开关具有4个开关通道，第5开关的第一通道接采样电阻Rs的第一端；第5开关的第二开关通道接Rs的第二端；第5开关的第三通道接第2开关的第一通道；第5开关的第四通道接锂电池正极端，也即充电管理器的输出端。

调整稳压器不但具有稳压输出的功能，还具有调压功能，所谓的调压即基于输入电压进行升压或降压。

微控制器选用MSP430F1222，电子开关采用集成器件ADG821；充电管理器为集成器件CN3063；调整稳压器选用TPS63031、锂电池选用3.7V的可充电锂电池、超级电容由两个2.7V、310F电容器串接而成；太阳能电池选用5.5V、4W太阳能电池板。

所述的太阳能电源还包括太阳能电池组件；所述的太阳能电池组件包括支座(7)、托架(1)、托架转轴(3)、螺母(4)、托框(2)和太阳能电池板(9)；托架为L形支架，包括水平的底板和竖直的2根立柱；

托架转轴呈竖直方向安装以连接托架的底板与支座，螺母旋紧在托架转轴的上端；松动螺母时能使得托架能相对于支座旋转；

托框呈一倾斜角度设置在托架上；太阳能电池板放置于托框中并固定。

安装有太阳能电池板的托框上端通过轴销(8)与托架的2根立柱的上端铰接；

太阳能电池组件还包括用于调整太阳能板倾斜角度的倾角调整机构；

倾角调整机构包括六角头T形螺杆(11)、光孔支撑块(13)和内螺孔支撑块(12)；光孔支撑块和内螺孔支撑块均固定的托架的底板上；六角头T形螺杆呈水平方向穿过光孔支撑块和内螺孔支撑块，且六角头T形螺杆作前后运动时，其前端顶住托框背面以使得太阳能电池板绕轴销抬升或降低，从而改变倾角。

六角头T形螺杆上还设有限位止挡螺母(14)，限位止挡螺母位于光孔支撑块和内螺孔支撑块之间，止挡螺母上有销钉，可调整和固定其在螺杆上的位置。

托架上还设有托架立柱加强斜边(15)，托架立柱加强斜边的一端固定在托架的立柱顶端，托架的立柱加强斜边的另一端固定在托架底板的外端，两根立柱的顶端之间设有一条横梁(17)将两立柱固联。

微控制器按以下方式通过切换电子开关对太阳能输入和存储路径进行控制(微控制器以最利于对太阳能电池产生的电能的转移为目标进行以下控制)：

1)接通第1开关和第2开关的第二通道，当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求时，将通过充电管理器给锂电池充电；

当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而锂电池充满(达到允许最大电压值)时，将第2开关切换到第一通道，给超级电容充电；

当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而超级电容和锂电池都满度时，或者太阳能输入已不满足对锂电池和超级电容的充电要求(低于当前需要的电压)但符合调整稳压器的输入要求时，第2开关切换到第三通道，使太阳能电池输出接入调整稳压器输入端；

2)若太阳能输入不满足前三项的工作条件，则第2开关切换到第二通道，等待符合条件时使充电管理自动工作。

将太阳能板输出电能进行输出切换的规则与顺序是：

(1)当超级电容的输出电压位于电源的额定输出电压范围时，将第3开关切换到第二通道,由超级电容直接为负载供电直至其电压低于工作电压目标范围(目标工作电压±1％)，此时调整稳压器休眠；

(2)当超级电容的电压处于调整稳压器输入电压工作范围时，以超级电容的输出作为调整稳压器的输入，即将第3开关切换到第一通道，此时，第4开关接其第一通道(悬空)，也即断开第4开关；

(3)当超级电容的电压低于调整稳压器的输入范围时，断开第3开关，将第4开关切换到第一或第二通道(即图3中的引脚2和3)，改由锂电池供电；

(4)当锂电池电压处于电源系统的工作电压的目标范围时，第4开关第二通道接通，即不使用调整稳压器，将锂电池电压直接输出；

(5)当超级电容和锂电池都储满电量且太阳能电池输出符合调整稳压器的输入电压范围时，将第2开关切换到第三通道，使太阳能电池的输出作为调整稳压器的输入而断开其他输入；

(6)当太阳能板的输出电压不符合调整稳压器的输入条件时，第2开关接回第二通道，转回第(1)步。

一种太阳能电源的实现方法，采用前述的太阳能电源输出电能。

控制步骤为：

(1)由微控制器控制选通第4开关的第二有效开关通道接通，将锂电池连接到稳压器，也即将系统上电时刻的二极管支路直接供电改换为锂电池经调整稳压后向外和系统本身供电；

(2)接通第5开关的第三、第四通道，分别测量超级电容的电压C(U)和锂电池电压E(U)；

(3)若C(U)不在3.3±0.033V范围，但处于调整稳压器TPS63031的允许输入范围,则第3开关切换到第一通道(即选通ADG821-3的1通道)、断开第2开关的第三通道(即断开ADG821-2的2通道)与第4开关(即ADG821-4的1、2通道都断开)，即由超级电容经稳压器向外和系统本身供电；若C(U)处于3.3±0.033V范围，则第3开关切换到其第二通道(即选通ADG821-3的2通道、断开ADG821-3的1通道和ADG821-2的2通道)、关断第4开关(即ADG821-4的1、2通道)，由超级电容直接向外和系统本身供电(此时调整稳压器TPS63031会自动休眠)；若C(U)低于调整稳压器(即TPS63031)的允许输入范围，则关断第3开关、接通第4开关的第一或第二通道，即改为锂电池供电，此时若E(U)在3.3±0.033V范围，则第4开关接通其第二通道(即选通ADG821-4的2通道)，由锂电池直接向外和系统本身供电(此时调整稳压器自动休眠)，此时若E(U)不在3.3±0.033V范围，则第4开关接通其第二通道(即ADG821-4的1通道选通、其2通道断开)，由锂电池通过调整稳压器向外供电；

(4)接通第1开关(即ADG821-1的1通道)和第5开关的1、2通道(即ADG821-5和ADG821-6的1通道)，同时测量电压U1和U2，得到太阳能电池的当前输出电压和电流，电流值为[U1-U2]/Rs；

(5)若太阳能电池的输出满足充电管理器的工作范围，当E(U)低于3.7V时，则第2开关切换第二通道(即选通ADG821-2的1通道)并断开第1开关的第二通道(即ADG821-2的2通道)给锂电池充电；当E(U)不低于3.7V而C(U)低于5.4V时，断开第2开关的第二通道(ADG821-2的1通道)并切换到其第一通道(ADG821-1的2通道)，给超级电容充电；若C(U)达到5.4V，且太阳能电池的输出满足调整稳压器的工作范围，则断开第3开关的第一通道(ADG821-3的1通道)，第2开关切换到第三通道(即选通ADG821-2的2通道、断开ADG821-3的1、2通道)，由太阳能电池直接接入调整稳压器向外和系统本身供电。

(6)若太阳能电池的输出既不满足充电管理器的工作范围也不满足调整稳压器的工作范围，则断开第1开关；

(7)延时30～60ms后返回第2步。

特别说明，第3开关的第一通道和第二通道分别对应图3中的第3开关的引脚1和3，第4开关的第一通道和第二通道分别对应图3中的第4开关的引脚2和3。

无线传感器网络节点的工作电压通常较低，且工作电流因工作任务不同或改变而存在较大变化，为了尽可能延长工作生命周期，要求其电源系统在满足性能质量要求的前提下，其自身功耗尽可能低，在有环境能量不急的条件下，需要具有高效的能量采集、存储能力。

一种面向无线传感器这类用电设备的微型太阳能电源系统构成如图3所示。本系统中的主要功能模块和影响与性能的器件分别为：(1)由输入电容Cs+第2开关+充电管理器+储能元件(锂电池和超级电容)组成的太阳能电池输出电能转移存储模块，其中的关键器件是超级电容和锂电池及其充电管理器；(2)由储能元件+第3、第4开关+调整稳压器组成的供电输出模块，其中调整稳压器是影响电能输出质量与效率的关键器件；(3)由采样电阻Rs、第5开关、R1和R2组成的分压电路和内含A/D转换的微控制器组成的电压、电流、储能元件储能状态测量和电子开关选通控制模块，其中电子开关和微控制器是关键器件。第1开关仅用于将太阳能电池与本系统连接或断开。本系统中将太阳能转换输出的电能转移到储能元件存储的路径有两条：由第2开关和充电管理器、可充电锂电池组成的电池储能通道I，由第2开关和超级电容组成的电容储能通道II。向负载供电的输电路径有三条：由锂电池、第4开关和调整稳压器组成的输电通道I；由超级电容、第3开关和调整稳压器组成的输电通道II；由太阳能电池、输入电容Cin、第2开关和调整稳压器组成的输电通道III；另外还有一条由锂电池经二极管D1、D2直接输出的输电通道，该通道仅在系统初始上电时起作用，以用于系统上电时开关状态尚未确定的情况为微控制器及各开关短暂供电。各开关的选通控制与管理规则是：在同一时刻，只有一条通路输出电能，也只有一条通路将太阳能电池的输出电能转移存储到储能器件或经调整稳压器调理后直接输出。

基于图3所示结构原理实现的工作电压为3.3V的电源系统电路原理图如图4所示，其中，锂电池为3.7V、2400mAh可充电锂电池，储能电容用两个2.7V、310F超级电容串联构成一组(也可视储能需要设立两组)，锂电池充电管理器选用适于太阳能供电的充电与管理集成器件CN3063(输入电压范围：4.35～6V)，二极管选用导通电压为0.7V的硅管(使系统上电时的供电电压仅3.0V，待系统进入正常工作状态后工作电压切换为3.3V)，调整稳压器选用具有升/降压功能和节能模式、适用于大、小工作电流的TPS63031(稳压输出值：3.3V，输入范围：500mA下2.4～5.5V)，微控制器选用MSP430F1222，电子开关由功耗极低的ADG821组合构成。所有电子开关均由微控制器控制，电子开关的具体组合如下。在图4中，图3所示的第1开关由ADG821-1的1通道(S1)实现；第2开关的1通道由ADG821-1的2通道(S2)实现、2通道由ADG821-1的2通道(S2)和ADG821-2的2通道(S2)串接实现、3通道由ADG821-2的1通道(S1)实现；第3开关的1通道由ADG821-3的2通道(S2)实现、3通道由ADG821-3的1通道(S1)实现,2通道为悬空(即断开)，因此将ADG821-3的两个通道(S1和S2)都断开即可；第4开关的2通道由ADG821-4的1通道(S1)实现、3通道由ADG821-4的2通道(S2)实现,1通道为悬空，因此将ADG821-4的两个通道(S1和S2)都断开即可；第5开关的1、2通道分别由ADG821-5的1通道(S1)和ADG821-6的1通道(S1)实现，用同一根信号线控制，以同时测量太阳能电池的输出电压(U1)和电流(由[U1-U2]/Rs得到)，3通道用于测量超级电容的电压，由ADG821-5的2通道(S2)实现，4通道用于测量锂电池的电压，由ADG821-6的2通道(S2)实现。所有开关通道的控制规则是同一时刻每个开关只有一路接通，且形成单一的太阳能电源输入通路和单一的电能输出通路。

太阳能电池板的安装构件主要包括底座支架(7)、托架转轴(3)、托架(1)、托框(2)、托架固定螺母(4)、弹簧垫圈(5)、太阳能板托框(2)和调整托框倾角的螺杆调整机构(6)，这些构建均为钢制构件。

底座支架为具有四条直立支撑脚、顶面焊接有矩形钢板的钢制框架，(或者是内径大于托架转轴最大台阶直径的圆钢管，圆钢管直立且与托架转轴同轴，圆钢管顶面焊接了用于固联顶面矩形钢板的圆环)，在矩形钢板上面，以中线为对称轴均匀布置有四个安装孔，用于固定托架转轴；经过适当绝缘和接地处理后，装有电源系统的机盒可放置在矩形钢板下面。

托框为采用截面为直角的角钢围成的矩形框，在角钢围成的底面有纵、横向并对称布置的钢条分别连接到框架两侧边，太阳能电池板可嵌在托框中并固定，受光面朝上；在矩形托框的一条短边的两外侧装有垂直托框长边外侧面设有同轴线的轴销，通过此轴销，托框可呈一定倾斜角度悬挂在托架上端；

托架是侧面为L形的结构件，它以底板为水平放置的直角边、以在底板一端的两侧直立的两条钢板为直立的直角边；通过垂直于底座支架顶面的托架转轴和弹簧垫圈、托架固定螺母与托架底座联接，使得托架在松动托架固定螺母时能绕托架转轴相对底座水平旋转；

托架转轴是一个三台阶的轴，其位于转轴一端的台阶直径最大、长度最短，转轴另一端直径最小但台阶最长且顶端有螺纹，其螺纹长度是托架固定螺母的螺纹长度的3倍；居中台阶的轴径也居中，与托架固定螺母的外径相当，其台阶长度是最短台阶的3倍；在转轴最大台阶的端面上开有四个均匀分布的通孔，与底座支架(即前述的支座)顶面上的四个安装孔配套，用于固定托架转轴。

托架上有用于调整太阳能电池板倾斜角度的倾角调整螺杆机构，此螺杆机构水平设置在托架底座的长度方向的中心线上，在底座中心线上焊接有两个相距四分一轴长的直立支撑块，与托框接触的是内螺孔支撑块(12)、靠近转轴一侧的是光孔支撑块(13)；六角头T形螺杆(11)的螺纹端从光孔支撑块一侧进入，在旋转进入内螺孔支撑块之前，先套上一个侧面有销钉的限位止挡螺母(14)，以限制螺杆的水平移动量，该螺母可用销钉固定在螺杆上，其固定位置根据螺杆水平行程需要确定；托框上端两边设有同轴的两个轴销(8)，此轴销分别插入托架两侧立柱上端的同轴轴孔中，使托框上端与托架联接并可转动；托框下端无固定联接，但背靠在倾角调整螺杆的螺纹端，可与螺杆联动，转动螺杆，使其在底座上左右移动，可使太阳能电池板的倾角随托框下端的抬升(或降低)而增大(或减小)。

Claims (10)

1.一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，包括微控制器、太阳能电池、超级电容、锂电池、充电管理器、调整稳压器以及5个电子开关；

5个电子开关分别为第1、2、3、4和5开关；5个电子开关均受控于微控制器；

第1开关为单路开关，太阳能电池的正极经第1开关接采样电阻Rs的第一端，太阳能电池负极接地；采样电阻Rs的第二端接第2开关的公共输入端，第2开关具有3个开关通道，第2开关的第一开关通道经超级电容接地；第二开关通道接充电管理器的输入端，第三开关通道接调整稳压器的输入端；

充电管理器的输出端接锂电池正极，锂电池正极通过2个串接二极管D1、D2接太阳能电源的输出端Vout；

第3开关的公共端接第2开关的第一通道，第3开关具有2个有效的开关通道，第3开关的第一通道接调整稳压器的输入端；第3开关的第二通道接太阳能电源的输出端Vout；太阳能电源的输出端Vout即为调整稳压器的输出端；

第4开关的公共输入端接充电管理器的输出端，第4开关具有2个有效的开关通道，第4开关的第一通道接调整稳压器的输入端；第4开关的第二通道接太阳能电源的输出端Vout；

第5开关具有4个开关通道，第5开关的公共端为输出端，依次经串联的电阻R1和电阻R2接地，电阻R1和R2组成分压电路；电阻R1和R2的连接点接微控制器内的A/D转换器输入端；

第5开关具有4个开关通道，第5开关的第一通道接采样电阻Rs的第一端；第5开关的第二开关通道接Rs的第二端；第5开关的第三通道接第2开关的第一通道；第5开关的第四通道接锂电池正极端，也即充电管理器的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，微控制器选用MSP430F1222，电子开关采用集成器件ADG821；充电管理器为集成器件CN3063；调整稳压器选用TPS63031、锂电池选用3.7V的可充电锂电池、超级电容由两个2.7V、310F电容器串接而成；太阳能电池选用5.5V、4W太阳能电池板。

3.根据权利要求1所述的一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，还包括太阳能电池组件；所述的太阳能电池组件包括支座(7)、托架(1)、托架转轴(3)、螺母(4)、托框(2)和太阳能电池板(9)；托架为L形支架，包括水平的底板和竖直的2根立柱；

托架转轴呈竖直方向安装以连接托架的底板与支座，螺母旋紧在托架转轴的上端；松动螺母时能使得托架能相对于支座旋转；

托框呈一倾斜角度设置在托架上；太阳能电池板放置于托框中并固定。

4.根据权利要求3所述的一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，安装有太阳能电池板的托框上端通过轴销(8)与托架的2根立柱的上端铰接；

太阳能电池组件还包括用于调整太阳能板倾斜角度的倾角调整机构；

倾角调整机构包括六角头T形螺杆(11)、光孔支撑块(13)和内螺孔支撑块(12)；光孔支撑块和内螺孔支撑块均固定的托架的底板上；六角头T形螺杆呈水平方向穿过光孔支撑块和内螺孔支撑块，且六角头T形螺杆作前后运动时，其前端顶住托框背面以使得太阳能电池板绕轴销抬升或降低，从而改变倾角。

5.根据权利要求4所述的一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，六角头T形螺杆上还设有限位止挡螺母(14)，限位止挡螺母位于光孔支撑块和内螺孔支撑块之间，止挡螺母上有销钉。

6.根据权利要求3所述的一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，托架上还设有托架立柱加强斜边(15)，托架立柱加强斜边的一端固定在托架的立柱顶端，托架的立柱加强斜边的另一端固定在托架底板的外端，两根立柱的顶端之间设有一条横梁(17)将两立柱固联。

7.根据权利要求1所述的一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，微控制器按以下方式通过切换电子开关对太阳能输入和存储路径进行控制：

1)接通第1开关和第2开关的第二通道，当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求时，将通过充电管理器给锂电池充电；

当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而锂电池充满时，将第2开关切换到第一通道，给超级电容充电；

当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而超级电容和锂电池都满度时，或者太阳能输入已不满足对锂电池和超级电容的充电要求但符合调整稳压器的输入要求时，第2开关切换到第三通道，使太阳能电池输出接入调整稳压器输入端；

2)若太阳能输入不满足前三项的工作条件，则第2开关切换到第二通道，等待符合条件时使充电管理自动工作。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种独立式微功率太阳能电源，其特征在于，将太阳能板输出电能进行输出切换的规则与顺序是：

(1)当超级电容的输出电压位于电源的额定输出电压范围时，将第3开关切换到第二通道,由超级电容直接为负载供电直至其电压低于工作电压目标范围，此时调整稳压器休眠；

(2)当超级电容的电压处于调整稳压器输入电压工作范围时，以超级电容的输出作为调整稳压器的输入，即将第3开关切换到第一通道；

(3)当超级电容的电压低于调整稳压器的输入范围时，断开第3开关，将第4开关切换到第一或第二通道，改由锂电池供电；

(4)当锂电池电压处于电源系统的工作电压的目标范围时，第4开关第二通道接通，即不使用调整稳压器，将锂电池电压直接输出；

(5)当超级电容和锂电池都储满电量且太阳能电池输出符合调整稳压器的输入电压范围时，将第2开关切换到第三通道，使太阳能电池的输出作为调整稳压器的输入而断开其他输入；

(6)当太阳能板的输出电压不符合调整稳压器的输入条件时，第2开关接回第二通道，转回第(1)步。

9.一种独立式微功率太阳能电源的实现方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的一种独立式微功率太阳能电源输出电能。

10.一种独立式微功率太阳能电源的实现方法，其特征在于，采用权利要求8所述的太阳能电源输出电能，控制步骤为：

(1)由微控制器控制选通第4开关的第二有效开关通道接通，将锂电池连接到稳压器，也即将系统上电时刻的二极管支路直接供电改换为锂电池经调整稳压后向外和系统本身供电；

(2)接通第5开关的第三、第四通道，分别测量超级电容的电压C(U)和锂电池电压E(U)；

(3)若C(U)不在3.3±0.033V范围，但处于调整稳压器TPS63031的允许输入范围,则第3开关切换到第一通道、断开第2开关的第三通道与第4开关，即由超级电容经稳压器向外和系统本身供电；若C(U)处于3.3±0.033V范围，则第3开关切换到其第二通道、关断第4开关，由超级电容直接向外和系统本身供电；若C(U)低于调整稳压器的允许输入范围，则关断第3开关、接通第4开关的第一或第二通道，即改为锂电池供电，此时若E(U)在3.3±0.033V范围，则第4开关接通其第二通道，由锂电池直接向外和系统本身供电，此时若E(U)不在3.3±0.033V范围，则第4开关接通其第二通道，由锂电池通过调整稳压器向外供电；

(4)接通第1开关和第5开关的1、2通道，同时测量采样电阻Rs的第一端电压U1和采样电阻Rs的第二端电压U2，得到太阳能电池的当前输出电压和电流，电流值为[U1-U2]/Rs；

(5)若太阳能电池的输出满足充电管理器的工作范围，当E(U)低于3.7V时，则第2开关切换第二通道并断开第1开关的第二通道给锂电池充电；当E(U)不低于3.7V而C(U)低于5.4V时，断开第2开关的第二通道并切换到其第一通道，给超级电容充电；若C(U)达到5.4V，且太阳能电池的输出满足调整稳压器的工作范围，则断开第3开关的第一通道，第2开关切换到第三通道，由太阳能电池直接接入调整稳压器向外和系统本身供电；

(6)若太阳能电池的输出既不满足充电管理器的工作范围也不满足调整稳压器的工作范围，则断开第1开关；

(7)延时30～60ms后返回第2步。