CN105515147A - 一种复合供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合供电系统，包括能量收集单元、充电电池单元和电压调整单元，其中，能量收集单元，与外部能量源相连，用于收集和临时存储外部能量源传递过来的电能，还用于当收集到的电能大于或等于预设的阈值时输出临时存储的电能；充电电池单元20，用于当所述能量收集单元10收集到的电能小于预设的阈值时进行电能的输出；电压调整单元30，分别与所述能量收集单元10和所述充电电池单元20连接，用于将所述能量收集单元10或所述充电电池单元20输出的电能转换成稳定输出的直流电，本发明结构简单、成本低廉，便于在物联网产品或智能穿戴产品上推广和使用。

Description

一种复合供电系统

技术领域

本发明涉及供电领域，特别提供了一种复合供电系统。

背景技术

伴随着物联网技术和智能穿戴技术蓬勃发展，相应产品层出不穷，功能异常丰富，电池作为提供动力的心脏自然也受到了越来越多的关注和重视，而可充电电池由于其可循环使用，倍受广大用户青睐。但是目前市场上很大一部分产品仅依靠充电电池来为产品提供动力，这种单一供电模式存在着以下的不足：一是频繁的充放电严重缩短了充电电池的使用寿命；二是随着负载的增大电池容量也相应增大，这直接造成产品的体积增大。

因此，如何增长充电电池的使用寿命和减小充电电池的体积，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种复合供电系统，以解决充电电池使用寿命短和体积膨大的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种复合供电系统，其特征在于，包括：

能量收集单元10，与外部能量源相连，用于收集和临时存储所述外部能量源传递过来的电能，还用于当收集到的电能大于或等于预设的阈值时输出临时存储的电能；

充电电池单元20，用于当所述能量收集单元10收集到的电能小于预设的阈值时进行电能的输出；

电压调整单元30，分别与所述能量收集单元10和所述充电电池单元20连接，用于将所述能量收集单元10或所述充电电池单元20输出的电能转换成稳定输出的直流电。

进一步地，所述能量收集单元10包括：

整流子单元11，用于将收集到的所述外部能量源传递过来的电能中的交流电转换为直流电，所述外部能量源传递过来的电能为自然界中的微小能量转化而成；

储能子单元12，与所述整流子单元11相连，用于临时储存所述整流子单元11转换后的直流电。

进一步地，所述能量收集单元10还包括电源切换子单元13和能量输出子单元14，所述电源切换子单元13包括第一开关管Q1，所述第一开关管Q1与所述储能子单元12、所述能量输出子单元14和所述充电电池单元20相连，当所述储能子单元12收集到的电能大于/等于预设的阈值时，导通所述第一开关管Q1，开启所述能量输出子单元14工作，同时关断所述充电电池单元20，由所述能量输出子单元14输出收集的电能；当所述储能子单元12收集到的电能小于预设的阈值时，截止所述第一开关管Q1，关断所述能量输出子单元14，同时开启所述充电电池单元20，由所述充电电池单元20输出电能。

进一步地，所述能量输出子单元14包括第二开关管Q2和第三开关管Q3，所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3均为P沟道金属-氧化物半导体场效应管，所述第二开关管Q2的栅极与所述第三开关管Q3的栅极相连，所述第二开关管Q2的源极与所述第三开关管Q3的源极相连，所述第二开关管Q2的漏极与所述储能子单元12相连，所述第三开关管Q3的漏极与电压输出端相连。

进一步地，所述能量收集单元10还包括：

分压子单元15，与所述储能子单元12和所述电源切换子单元13相连，用于对所述储能子单元12储存的直流电进行分压，以控制所述第一开关管Q1的导通和截止。

进一步地，所述分压子单元15包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一开关管Q1为N沟道金属-氧化物半导体场效应管，所述第一电阻R1的一端与所述第一开关管Q1的栅极相连，所述第一电阻R1的另一端与所述第一开关管Q1的源极相连，所述第二电阻R2的一端与所述第一开关管Q1的栅极相连，所述第二电阻R2的另一端与所述储能子单元12相连，当所述第一电阻R1两端的电压超过或等于所述第一开关管Q1的开启电压时，所述第一开关管Q1导通；当所述第一电阻R1两端的电压低于所述第一开关管Q1的开启电压时，所述第一开关管Q1关断。

进一步地，所述能量收集单元10还包括：

正反馈子单元16，与所述电源切换子单元13和电压输出端相连，用于抬升所述第一开关管Q1的栅极电压，以延迟所述第一开关管Q1的关闭时间。

进一步地，所述充电电池单元20为无线充电电池。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的复合供电系统，可实现能量收集单元和充电电池单元二者切换为负载进行供电，其中，能量收集单元收集外部的微能量以对负载供电，不但节约了能源，而且减小了充电电池的工作时间，有利于延长充电电池的使用寿命；并且一定程度减少了电池的容量需求，进而减小了充电电池在产品上的所占空间。本发明结构简单、成本低廉，便于在物联网产品或智能穿戴产品上推广和使用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明复合供电系统一实施例的功能模块框图；

图2是本发明复合供电系统一实施例的电路图；以及

图3是本发明复合供电系统一实施例中充电电池单元功能模块框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1和图2，本发明的优选实施例提供了一种复合供电系统，包括能量收集单元10和充电电池单元20，能量收集单元10，与外部能量源相连，用于收集和临时存储外部能量源传递过来的电能，还用于当收集到的电能大于或等于预设的阈值时输出临时存储的电能；充电电池单元20，用于当能量收集单元10收集到的电能小于预设的阈值时进行电能的输出；以及电压调整单元30，分别与能量收集单元10和充电电池单元20连接，用于将能量收集单元10或充电电池单元20输出的电能转换成稳定输出的直流电，电压调整单元30具有3-19V的宽输入电压范围。其中，外部能量源为自然界中的微小能量，例如自然界中诸如光能、机械能、热能和电磁能等，能量收集单元10负责收集转化的电能并把收集的电能临时存储在储能器件中。在本实施例中，从外部能量源接收到的电能被优先使用，只有当收集到的电能不足时，即当收集到的电能小于预设的阈值时，充电电池才自动投入，输出电池电压。

本实施例提供的复合供电系统，采用能量收集单元收集外部的微能量以对负载供电，不但节约了能源，而且减小了充电电池的工作时间，有利于延长充电电池的使用寿命；并且一定程度减少了充电电池单元的容量需求，进而减小了充电电池单元在产品上的所占空间。本实施例结构简单、成本低廉，便于在物联网产品或智能穿戴产品上推广和使用。

进一步地，如图1和图2所示，本实施例提供的复合供电系统，能量收集单元10包括整流子单元11、储能子单元12、电源切换子单元13、能量输出子单元14、分压子单元15和正反馈子单元16，其中，整流子单元11，用于将收集到的外部能量源传递过来的电能中的交流电转换为直流电；储能子单元12，与整流子单元11相连，用于储存整流子单元11转换后的直流电。整流子单元11包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，四个二极管构成整流桥；储能子单元12可以是一只或多只并联的陶瓷电容，也可以是一只或多只串联的超级电容。在本实施例中，储能子单元12包括第一电容C1，第一电容C1的两端分别与整流子单元11的输出端相连。四个二极管组成整流桥负责把外部的交流电转换为直流电并存储在第一电容C1中。电源切换子单元13包括第一开关管Q1，第一开关管Q1与储能子单元12、能量输出子单元14和充电电池单元20相连，当储能子单元12收集到的电压大于预设的第一充电电池输出阈值电压时导通第一开关管Q1，开启能量输出子单元14工作，同时关断充电电池单元20，由能量输出子单元14输出收集的电能；当储能子单元12收集到的电压小于预设的第二阈值收集电压时截止第一开关管Q1，关断能量输出子单元14，同时开启充电电池单元20，由充电电池单元20输出电池电压。进一步地，分压子单元15，与储能子单元12和电源切换子单元13相连，用于对储能子单元12储存的直流电进行分压，以控制第一开关管Q1的导通和截止。具体地，分压子单元15包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一开关管Q1为N沟道金属-氧化物半导体场效应管，第一电阻R1的一端与第一开关管Q1的栅极相连，第一电阻R1的另一端通过第一开关管Q1的源极相连，第二电阻R2的一端与第一开关管Q1的栅极相连，第二电阻R2的另一端与储能子单元12相连，当第一电阻R1两端的电压超过或等于第一开关管Q1的开启电压时，第一开关管Q1导通，充电电池单元20关断，能量输出子单元14工作输出收集到的电能；当第一电阻R1两端的电压低于第一开关管Q1的开启电压时，第一开关管Q1关断，能量输出子单元14关断，开启充电电池单元20。正反馈子单元16，与电源切换子单元13和电压输出端VO相连，用于抬升第一开关管Q1的栅极电压，以延迟第一开关管Q1的关闭时间。在本实施中优选方案中，正反馈单元16包括第三电阻R3，第三电阻R3的一端与第一开关管Q1的栅极相连，第三电阻R3的另一端与电压输出端VO相连。能量输出子单元14包括第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四电阻R4、第五电阻R5和第五二极管D5，第二开关管Q2和第三开关管Q3均为P沟道金属-氧化物半导体场效应管，第五二极管D5为肖特基二极管，第二开关管Q2的栅极与第三开关管Q3的栅极相连，第二开关管Q2的源极与第三开关管Q3的源极相连，第二开关管Q2的漏极与储能子单元12相连，第三开关管Q3的漏极与电压输出端VO相连，第五电阻R5的一端与第二开关管Q2的源极相连，第五电阻R5的另一端分两路，一路与第二开关管Q2的栅极相连，另一路通过第四电阻R4、第五二极管D5与第一开关管Q1的漏极相连。第二开关管Q2和第三开关管Q3一起组成输出开关，其背靠背连接的目的是防止电压输出端VO的电流倒灌。

进一步地，如图1和图2所示，本实施例提供的复合供电系统，充电电池单元20包括第六电阻R6、第七电阻R7、第六二极管D6、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6，第六二极管为肖特基二极管，第四开关管Q1为N沟道金属-氧化物半导体场效应管，第五开关管Q5和第六开关管Q6为P沟道金属-氧化物半导体场效应管，第六电阻R6的一端与电池电压端VBAT相连，第六电阻R6的另一端分两路，一路通过第六二极管D6与第一开关管Q1的漏极相连，另一路与第四开关管Q4的栅极相连；第四开关管Q4的漏极与第五开关管Q5的栅极相连，第四开关管Q4的源极接地；第五开关管Q5的漏极与电池电压端VBAT相连，第五开关管Q5的栅极与第六开关管Q6的栅极相连，第五开关管Q5的源极与第六开关管Q6的源极相连，第七电阻R7位于第五开关管Q5的栅极和源极之间，第六开关管Q6的漏极与电压输出端VO相连。

本实施例提供的复合供电系统，能量收集单元和充电电池单元依靠第一开关管Q1的导通与否来实现能量收集和充电电池复合供电的无缝切换，同时也实现了能量收集单元的优先供电功能。

进一步，如图2所示，本实施例提供的复合供电系统电路，能量收集和双路电源切换的工作原理如下所示：

能量收集起始阶段，能量收集开关中的第二开关管Q2和第三开关管Q3处于断开状态，随着能量的积累，第一电容C1两端的电压VEH逐渐升高，第一电阻R1和第二电阻R2串联对VEH进行分压，当VEH值达到第一充电电池输出阈值电压VH时，第一电阻R1两端的电压超过第一开关管Q1的开启电压，第一开关管Q1导通,使得VEH通过第二开关管Q2的体二极管、第五电阻R5、第四电阻R4、第五二极管D5和第一开关管Q1放电，进而第二开关管Q2、第三开关管Q3因栅源两极的电压为负值而导通，收集到的能量释放出来，此时，输出电压VO=VEH，输出的电压VO又通过第三电阻R3以正反馈的形式输出到第一开关管Q1的栅极，所以即使释放能量后VEH会下降，第一开关管Q1的栅极输出电压也不会跟随下降，由于V0过来的正反馈抬升了第一开关管Q1的栅极电压，延迟了第一开关管Q1的关闭时间，从而为能量释放创造了条件，也就是说实现了能量“先收集后利用”的基本功能。随着收集能量的释放，当VEH的电压下降到第二阈值收集电压VL时，第一开关管Q1的栅极电压再也无法维持其导通，第一开关管Q1关闭，能量收集单元10进入下一个收集周期。

另一方面，从上面分析可知，只要第一开关管Q1导通，能量收集单元10就释放能量，反之就收集能量。第一开关管Q1导通时，电池电压端VBAT通过第六电阻R6、第六二极管D6和第一开关管Q1放电，从而拉低第四开关管Q4的栅极电压，造成第四开关管Q4关断，电池电压端VBAT通过第五开关管Q5的体二极管和第七电阻R7加在第五开关管Q5和第六开关管Q6的栅极上，第五开关管Q5和第六开关管Q6关闭，电池电压端VBAT无法向负载释放。而当第一开关管Q1关闭时，电池电压端VBAT通过第六电阻R6加到第四开关管Q4的栅极上，第四开关管Q4导通，同样电池电压端VBAT通过第五开关管Q5的体二极管、第七电阻R7、第四开关管Q4放电，这样第五开关管Q5和第六开关管Q6因栅源电压为负值而导通，此时，输出电压VO=VBAT，外部负载由充电电池供电。可见只要能量收集VEH达到第一充电电池输出阈值电压VH时，由能量收集单元10供电；当VEH下降到第二阈值收集电压VL时，切换到充电电池供电。从而完成了能量收集和充电电池复合供电的无缝切换，也实现了能量收集优先供电的功能。

优选地，如图3所示，充电电池单元20包括无线充电接收单元201、充电器单元202和电池单元203，无线充电接收单元201用于接收外部无线供电设备发射过来的电能，充电器单元202与无线充电接收单元201和电池单元203相连，用于利用无线充电接收单元201接收到的电能为电池单元203充电，其中，电池单元203中的电池优选为聚合物锂电池。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合供电系统，其特征在于，包括：

能量收集单元（10），与外部能量源相连，用于收集和临时存储所述外部能量源传递过来的电能，还用于当收集到的电能大于或等于预设的阈值时输出临时存储的电能；

充电电池单元（20），用于当所述能量收集单元（10）收集到的电能小于预设的阈值时进行电能的输出；

电压调整单元（30），分别与所述能量收集单元（10）和所述充电电池单元（20）连接，用于将所述能量收集单元（10）或所述充电电池单元（20）输出的电能转换成稳定输出的直流电。

2.根据权利要求1所述的复合供电系统，其特征在于，所述能量收集单元（10）包括：

整流子单元（11），用于将收集到的所述外部能量源传递过来的电能中的交流电转换为直流电，所述外部能量源传递过来的电能为自然界中的微小能量转化而成；

储能子单元（12），与所述整流子单元（11）相连，用于临时储存所述整流子单元（11）转换后的直流电。

3.根据权利要求2所述的复合供电系统，其特征在于，

所述能量收集单元（10）还包括电源切换子单元（13）和能量输出子单元（14），所述电源切换子单元（13）包括第一开关管（Q1），所述第一开关管（Q1）与所述储能子单元（12）、所述能量输出子单元（14）和所述充电电池单元（20）相连，当所述储能子单元（12）收集到的电能大于/等于预设的阈值时，导通所述第一开关管（Q1），开启所述能量输出子单元（14）工作，同时关断所述充电电池单元（20），由所述能量输出子单元（14）输出收集的电能；当所述储能子单元（12）收集到的电能小于预设的阈值时，截止所述第一开关管（Q1），关断所述能量输出子单元（14），同时开启所述充电电池单元（20），由所述充电电池单元（20）输出电能。

4.根据权利要求3所述的复合供电系统，其特征在于，

所述能量输出子单元（14）包括第二开关管（Q2）和第三开关管（Q3），所述第二开关管（Q2）和所述第三开关管（Q3）均为P沟道金属-氧化物半导体场效应管，所述第二开关管（Q2）的栅极与所述第三开关管（Q3）的栅极相连，所述第二开关管（Q2）的源极与所述第三开关管（Q3）的源极相连，所述第二开关管（Q2）的漏极与所述储能子单元（12）相连，所述第三开关管（Q3）的漏极与电压输出端相连。

5.根据权利要求3所述的复合供电系统，其特征在于，所述能量收集单元（10）还包括：

分压子单元（15），与所述储能子单元（12）和所述电源切换子单元（13）相连，用于对所述储能子单元（12）储存的直流电进行分压，以控制所述第一开关管（Q1）的导通和截止。

6.根据权利要求5所述的复合供电系统，其特征在于，

所述分压子单元（15）包括第一电阻（R1）和第二电阻（R2），所述第一开关管（Q1）为N沟道金属-氧化物半导体场效应管，所述第一电阻（R1）的一端与所述第一开关管（Q1）的栅极相连，所述第一电阻（R1）的另一端与所述第一开关管（Q1）的源极相连，所述第二电阻（R2）的一端与所述第一开关管（Q1）的栅极相连，所述第二电阻（R2）的另一端与所述储能子单元（12）相连，当所述第一电阻（R1）两端的电压超过或等于所述第一开关管（Q1）的开启电压时，所述第一开关管（Q1）导通；当所述第一电阻（R1）两端的电压低于所述第一开关管（Q1）的开启电压时，所述第一开关管（Q1）关断。

7.根据权利要求2至6任一项所述的复合供电系统，其特征在于，所述能量收集单元（10）还包括：

正反馈子单元（16），与所述电源切换子单元（13）和电压输出端相连，用于抬升所述第一开关管（Q1）的栅极电压，以延迟所述第一开关管（Q1）的关闭时间。

8.根据权利要求1所述的复合供电系统，其特征在于，所述充电电池单元（20）为无线充电电池。