CN108336806A - 一种综合供电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种综合供电装置及方法，包括发电机、太阳能电池板、电池、超级电容、供电管理电路；供电管理电路包括整流电路、隔离电路、开关控制电路，发电机和太阳能电池板产生的电能以及电池电能都由供电管理电路进行控制，发电机和太阳能电池板产生的电能都先送到超级电容中储存，超级电容额定电压高于电池满电时电压，发电机空载输出电压和太阳能电池板开路电压均高于电池满电时电压，供电管理电路中的整流电路对发电机输出的交流电进行整流；供电管理电路中的隔离电路对发电机、太阳能电池板、电池进行两两隔离使得这3个电源中任一个产生的电能不会被其它两个电源吸收或消耗，同时这3个电源中任一个都可以单独为负载电路供电；开关控制电路对超级电容的输出进行控制，只有当超级电容的电压高于某个设定的导通电压时，超级电容才能通过开关控制电路对负载电路供电。

Description

一种综合供电装置及方法
技术领域
本发明涉及电源电路技术领域，特别是涉及一种综合供电装置及方法。
背景技术
目前，已有的电子锁，其非外接电源供电方式有电池、电池+发电机、电池+太阳能电池板几种方式;电池方式供电方式中电池寿命较短且一旦电池没电就必须外接电源否则无法开锁;电池+发电机方式在电子锁不使用情况下发电机无法补充电因此对延长电池工作时间的效果有限;电池+太阳能电池板方式存在太阳能电池板供电慢而无法快速充电,一旦电子锁电源电压不够而急需使用的情况下，仍需要外接电源。
申请号为CN 2017000347369.3的专利《应用于智能锁的自切换式太阳能充电装置》中采用了充电电池和太阳能电池板给智能锁供电，没有涉及发电机，且所描述的充电管理模块包含多种芯片，这些芯片是有源器件本身需要消耗一定的电能且需要在一定电压下才能工作，如果太阳能电池板充电起始时电源本身电压不足，这些芯片很可能不能正常工作；专利号为01247670.6的专利《太阳能智能锁》中同样没有涉及发电机，且说明书附图中可以看到太阳能电池和充电电池直接并联，在无光照情况下太阳能电池不但不能供电还会消耗充电电池的电能；申请号为CN20201600106149.1的专利《一种基于太阳能电池的智能锁电源装置》同样不涉及发电机。
申请号为CN201500098358.6的专利《一种电子锁及把手发电装置》中只包含发电机未涉及电池或太阳能电池板等其它电源；申请号为CN201600085193.2的专利《一种具有发电装置的智能车锁》同样只涉及发电机发电。
发明内容
为了克服现有的电子锁供电方法单一，电源管理电路复杂的不足，本发明提供了一种综合供电装置及方法，该种综合供电装置及方法综合了多种供电方法的优点，能满足电子锁在不同情况下的供电需求。
为了实现上述目的，本发明的一种综合供电装置及方法采用如下技术方案：
一种综合供电装置及方法，包括发电机、太阳能电池板、电池、超级电容、供电管理电路；供电管理电路包括整流电路、隔离电路、开关控制电路，发电机和太阳能电池板产生的电能以及电池电能都由供电管理电路进行控制，发电机和太阳能电池板产生的电能都先送到超级电容中储存，超级电容额定电压高于电池满电时电压，发电机空载输出电压和太阳能电池板开路电压均高于电池满电时电压，供电管理电路中的整流电路对发电机输出的交流电进行整流；供电管理电路中的隔离电路对发电机、太阳能电池板、电池进行两两隔离使得这3个电源中任一个产生的电能不会被其它两个电源吸收或消耗，同时这3个电源中任一个都可以单独为负载电路供电；开关控制电路对超级电容的输出进行控制，只有当超级电容的电压高于某个设定的导通电压时，超级电容才能通过开关控制电路对负载电路供电。
更佳地，开关控制电路有一个截止（关断）电压阈值，截止阈值不低于后续负载电路的最低工作电压，当输入电压降低到此阈值时开关控制电路截止不再向负载电路供电。
更佳地，电池电能送到超级电容中储存，电池和发电机以及太阳能电池板共用一个超级电容。
更佳地，电池电能经隔离电路送到开关控制电路的输出端。
更佳地，将一个稳压二极管与整流电路并联，防止发电机输出电压过高。
更佳地，选用小反向电流的二极管作为不同电源间的隔离电路。
更佳地，发电机可以是1个，也可以安装在不同位置的2个或3个。
更佳地，太阳能电池板有1块，也可以是安装在不同位置的2块或3块。
更佳地，供电管理电路由分立元器件构成，没有IC芯片，没有有源器件。
本发明的有益效果具体如下：
1、本发明综合了多种供电方法的优点：太阳能电池板在有光照条件下持续向超级电容充电;当使用产品时,可以通过执手或踏板带动发电机发电，补充了太阳能电池板的发电并在紧急情况下可以快速供电；
2、本发明采用超级电容存储发电机和太阳能电池板的电能，超级电容具有寿命长无记忆效应的优点；在发电机和太阳能电池板输出功率达到一定值时，选择合适的超级电容参数，可以舍弃电池，或者优先使用超级电容电能，节省电池用电，从而大大降低成本，并且因为无需换电池而改善用户体验；
3、本发明采用无源器件构建供电管理电路，最大程度地降低了供电管理电路对电能的消耗，且没有IC芯片那样的最小工作电压限制，非常适用于在弱光环境下对太阳能电池板供电的控制，非常适用用对微型发电机供电的控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的拓扑结构图。
图2是本发明第一实施例具体电路图。
图３是本发明所述的开关控制电路输入电压和输出电压关系图。
图4是本发明第二实施例具体电路图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
实例一
请参见图1至图3所示，图1至图3显示的是一种综合供电装置及方法的一个具体实施例，包括电池1，太阳能电池板2，发电机3，整流电路4，隔离电路5，超级电容6，开关控制电路７;整流电路4由二极管D4-D10构成，其中整流二极管D4-D9构成3相整流桥，D10是稳压二极管；隔离电路5由二极管D1-D3构成；开关控制电路7由电阻R1-R4和P沟道MOS管Q1和N沟道MOS管Q2构成构成，MOS管导通时其源极（S极）和漏极（D极）之间处于低阻抗状态可近似认为为0，MOS管断开时其源极（S极）和漏极（D极）之间处于高阻抗状态可近似认为为无穷大。
已知负载电路的工作电压下限VL-为3.3V，上限VL+为10V；因此超级电容C1的额定工作电压可以取为10V，稳压二极管D10的稳压值取为不大于VL+的10V，电池G1选用3节5号电池其标准电压值为4.5V，太阳能电池板G2的开路电压选取为9V，发电机G3的空载输出电压（整流后）峰值选取为10V；开关控制电路7的导通电压VT+设置为4V，关断电压VT-设置为3.4V。
二极管D1-D3的单向导通特性，使得电池G1、太阳能电池G2和发电机G3这3个器件任意一个都不会消耗其它两个的电能，同时这3个器件中输出电压高者优先向超级电容C1供电。
当有光照充足时，由于太阳能电池G2的开路电压9V高于电池电压4.5V，因此太阳能电池G2将优先通过隔离二极管D2开关控制电路7向负载供电，如此时太阳能电池G2的供电电流大于负载需要的电流，太阳能电池G2向负载供电同时向超级电容C1充电，超级电容C1的电压升高；由于太阳能电池板G2的开路电压为9V低于超级电容C1的额定工作电压10V，因此超级电容C1最多能被充到9V不会超出其额定电压；若考虑隔离二极管D2的压降，太阳能电池板G2能向超级电容C1提供的最大充电电压小于9V。
当光照不足或无光照时，负载消耗的电流大于太阳能电池G2提供的电流，若此时超级电容C1的端电压大于电池G1的端电压，则差额部分电流由超级电容C1提供因此超级电容C1两端的电压下降；当超级电容C1的端电压下降到等于由电池G1的端电压时，超级电容C1和电池G1一起向负载供电。
当发电机G3以额定转速转动时，由于其空载输出电压峰值10V高于电池电压4.5V，且发电机G3工作时工作电流一般都远大于负载电流，因此发电机G3将优先向超级电容C1充电而无需消耗电池电能；若此时有光照则太阳能电池G2也会向超级电容C1提供充电电流；由于发电机G3由人力带动，其转动速度和输出电压受人为影响很大，因此可以将稳压二极管D10与D4-D9构成的3相整流桥并联从而限制了3相整流桥输出的电压不高于10V，再考虑D3的压降损失，发电机G3对超级电容C1提供的最大充电电压小于超级电容C1的额定工作电压10V。
不同的二极管有不同的反向电流，如果整流二极管D4-D9的反向电流较大，则需要在整流二极管D4-D9和超级电容C1之间串联具有小反向电流参数的隔离二极管D3，否则超级电容C1会通过D4-D9对地释放电流；如果选用的整流二极管D4-D9的反向电流足够小，则可以取消隔离二极管D3。
开关控制电路7的功能在于防止超级电容C1从低电压充电到负载电路工作电压下限VL-时可能出现的负载电路启动不正常问题，用于确定给负载电路提供的工作电压在一定范围内。当电池G1输出电压低于负载电路工作电压下限VL-或者没有安装电池时，即只有太阳能电池G2或发电机G3或两者组合供电时，如果没有开关控制电路7，此时超级电容C1从低电压充电到负载电路工作电压下限VL-（3.3V）时，负载电路就开始启动工作；一般负载电路中的容性负载会造成负载电路开始工作时瞬间电源（浪涌电流）远大于太阳能电池G2和发电机G3的充电电流，因此会造成超级电容C1瞬间下降到低于VL-，引起负载电路停止工作；等超级电容C1的端电压上升到VL-，又会出现负载电路启动->瞬态电流大于充电电流->超级电容C1两端电压低于VL-值->负载电路停止工作的过程。在超级电容C1和负载电路之间串联开关控制电路7后，如图3所示，Vi是开关控制电路7的输入电压，Vo是开关控制电路7的输出电压；Vi从0V上升到开关控制电路7导通电压VT+（4V）过程中，开关控制电路7截止从而Vo为0V；Vi达到VT+后开关控制电路7导通，由于开关控制电路7的压降很小因此可以近似认为此时Vo=Vi=VT+=4V；由于此时VT+或Vo较VL-（3.3V）高出0.7，因此即使因为浪涌电流造成Vo有一定下降（如0.5V）也不会使Vo小于VL-，从而负载电路能正常启动。超级电容C1的截止电压VT-取值不小于且略高于负载工作电压下限VL-，本实施例中取VT-= 3.4V；当超级电容C1的端电压从高电压下降时，在开关控制电路7截止电压VT-（3.4V）到导通电压VT+（4V）这段电压范围内开关控制电路7保持导通，负载电路正常工作，从而最大程度延长了负载电路的工作时间；当超级电容C1的端电压下降到截止电压VT-（3.4V）时，开关控制电路7截止，负载电路停止工作；后续超级电容C1端电压只有再上升到开关控制电路7导通电压VT+（4V），开关控制电路7才会导通，从而保证了负载电路每次都能正常启动。
下面具体分析本实施例中开关控制电路7内部工作过程：
Q1的导通时其源极（S极）和栅极（G极）的电压差记为VQ1，Q2的导通时其栅极（G极）和源极（S极）的电压差记为VQ2；负载电路启动瞬间造成的Vi掉落值记为dVi；当Vi= VT+时Vo=Vi，当Vi= VT-时Vo=0V。导通电压VT+的确定需要考虑负载最低工作电压VL-以及dVi因素,应有(VT+）>(VL-)+dVi，截止电压VT-值应不低于最低工作电压VL-，否则电源母线从高电压下降低于VT-后电压再上升到VL-时即VT+= VL-时负载电路就会启动。为了实现Vi从低电压上升过程中在输入端电压Vi= VT+时Vo=Vi，即Vi= VT+时Q1的源极（S极）和漏极（D极）导通，可设置R1和R2关系为R1/ VQ1=(R1+R2)/ VT+; 为了实现Vi从高电压下降过程中在输入端电压Vi= VT-时Vo=0V，即Vi= VT+时Q1的源极（S极）和漏极（D极）关断，可设置R1和R2关系为R4/ VQ2=(R3+R4)/ VT-。
已知负载工作电压下限值VL-为3.3V，启动瞬间Vi掉落值dVi =0.5V，因此可取(VT+=4V)>(3.3+0.5=3.8V)即当Vi从低电压上升到4V时电路导通，即Q1导通;取(VT-=3.4V)>3.3V，这样在尽可能延长负载电路工作时间同时保证后续输入电压Vi回升时负载电路能正常启动。Q1选用MOS管FDN336，其导通时源极（S极）和栅极（G极）的电压差VQ1=0.9V，Q2选用MOS管FDN335，其导通时其栅极（G极）和源极（S极）的电压差记为VQ2=0.9V；根据以上参数，可取R1=R4=9k,R2=31k，R3=25k。当Vi从低电压上升时，根据R1和R2的分压关系，VQ1也随之上升，当到Vi上升到4V时可计算得出VQ1= R1*Vi /(R1+R2)=0.9V，Q1接通；Q1接通后Vo=Vi=4V, 根据R3和R4的分压关系，可计算得出VQ2= R4*Vo /(R3+R4)=1.06V>0.9V,从而Q2接通，进而使得Q1的栅极电压接近0V，从而近似有VQ1=Vi-0V=4V；可以看出R3、R4、Q2构成的电路是正反馈电路，同时在开关控制电路关断状态下只有Q1先导通Q2才能导通，因此可以通过调整R3和R4的参数控制Q1导通时的Vi值；由于负载启动工作时电压工作时Vo=4V,启动瞬的电压掉落dVi=0.5V，因此负载启动后Vo=3.5V> VL-，因此负载电路能保持正常工作。Q1导通状态下当Vo从高电压下降时，根据R3和R4的分压关系，VQ2也随之下降；当Vo=4V时VQ2=1.06V因此Q2保持导通，同时VQ1=4V因此Q1保持导通；当Vo下降到小于3.4V时VQ1=3.4V因此Q1保持导通但VQ2=0.9V因此Q2关断，引发VQ1= R1*Vi /(R1+R2)=0.765V<0.9V因此Q1关断，即整个开关控制电路关断；可以看出Vi从高电压下降时开关控制电路的关断电压可以由R3和R4的参数控制。
实际的MOS管的导通电压往往不是一个确定的值，而是处在一定范围内，并且MOS管的栅级（G级）和源级（S级）之间往往有一定漏电流导致R1两端和R2两端的电压与其电阻比或R3两端和R4两端的电压比与其电阻比有一定偏差，但工作过程和原理与本实例的上述分析是一致的。
实例二
请参见图1、图3和图4所示，实例二是实例一的变型，基本上与图1至图3所示的具体实施例相同，相同的部分采用相同的标记或代号；与实例一相比，实例二增加了太阳能电池G4和相应的隔离二极管D11，增加了发电机G5和相应的整流二极管D13-D18、稳压二极管D19和隔离二极管D12；与实例一相比，实例二中电池G1的供电经隔离二极管D1后没有传送到开关控制电路7的输入端而是传送到开关控制电路7的输出端。
当开关控制电路7截止时，超级电容C1只能由太阳能电池G2或太阳能电池G4或发电机G3或发电机G5充电，与实例一不同的是电池不能为超级电容C1充电。一旦开关控制电路7导通，开关控制电路7的输入电压Vi和输出电压Vo基本相同，此时电池G1的供电输送到开关控制电路7的输入端和输送到开关控制电路7的输出端是近似等效的。

Claims (10)

1.一种综合供电装置，其特征是，包括发电机、太阳能电池板、电池、超级电容、供电管理电路；供电管理电路包括整流电路、隔离电路、开关控制电路，发电机和太阳能电池板产生的电能以及电池电能都由供电管理电路进行控制，发电机和太阳能电池板产生的电能都先送到超级电容中储存，超级电容额定电压高于电池满电时电压，发电机空载输出电压和太阳能电池板开路电压均高于电池满电时电压，供电管理电路中的整流电路对发电机输出的交流电进行整流；供电管理电路中的隔离电路对发电机、太阳能电池板、电池进行两两隔离使得这3个电源中任一个产生的电能不会被其它两个电源吸收或消耗，同时这3个电源中任一个都可以单独为负载电路（功能电路）供电；开关控制电路对超级电容的输出进行控制，只有当超级电容的电压高于某个设定的导通电压值时，超级电容才能通过开关控制电路对负载电路供电。
2.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，开关控制电路有一个截止（关断）电压阈值，截止电压阈值不低于后续负载电路的最低工作电压，当输入电压降低到此阈值时开关控制电路截止、不再向负载电路供电。
3.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，电池电能送到超级电容中储存，电池和发电机以及太阳能电池板共用一个超级电容。
4.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，电池电能经隔离电路送到开关控制电路的输出端。
5.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，将一个稳压二极管与整流电路并联，防止发电机输出电压过高。
6.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，选用小反向电流的二极管作为不同电源间的隔离电路。
7.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，发电机可以是1个，也可以安装在不同位置的2个或3个。
8.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，太阳能电池板有1块，也可以是安装在不同位置的2块或3块。
9.根据权利要求1所述的一种综合供电装置，其特征是，供电管理电路由分立元器件构成，没有IC芯片，没有有源器件。
10.一种采用如权利要求1-9任一项所述综合供电装置进行的一种综合供电方法，其特征是，采用发电机、太阳能电池板、电池任一个或者任意组合进行供电。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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