CN108448748A - 一种能量管理系统 - Google Patents

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区俊辉
周永坤
吴宙真
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路崇
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Abstract

本发明公开了一种能量管理系统,包括升压模块、储能模块、开关模块以及控制模块,升压模块为储能模块充电,当充电完成后,控制开关模块开启,使得储能模块可以通过开关模块输出电能到负载,为负载供电,实现对储能模块的管理,而控制模块可以根据升压模块的输入电压控制升压模块的工作状态,在输入电压较小时,可以控制升压模块处于休眠模式,降低功耗,并且本发明的储能模块可以为控制模块供电,可以实现自供电,无需外接电源,体积较小。

Description

一种能量管理系统
技术领域
本发明涉及电学领域,特别是一种能量管理系统。
背景技术
无线能量传输系统的接收模块是整流天线,是一种将微波能量转换直流能量的转换电路,整流天线的输出会随着传输距离变化等因素影响而不稳定,从而影响后级直流负载的稳定工作,为了高效、稳定地利用电能量,接收模块需要加入能量管理方案,即在整流天线后端连接一个能量管理系统,能量管理系统主要作用是将整流天线输出的微弱直流电能进行电平转换,以满足负载所需的稳定工作电压,此外还可将电能量进行存储与管理,实现能量利用的最优化。
现有的能量管理系统主要针对太阳能、风能、振动等大功率能量采集应用场景,这些方案功耗高、效率低、体积大,不能满足小功率应用场景对能耗的苛刻要求。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种能量管理系统,功耗较低,可以实现控制模块的自供电,无需外接电源,减小体积,同时可以实现对负载供电的控制,可以满足小功率应用场景对体积以及能耗的要求。
本发明解决其问题所采用的技术方案是:一种能量管理系统,包括:
升压模块,用于将输入的电压进行升压;
储能模块,用于存储升压模块输出的电能以及输出电能到负载;
开关模块,用于将储能模块的电能输出到负载;
控制模块,用于控制升压模块工作;
所述升压模块分别和储能模块、开关模块、控制模块连接,所述储能模块和开关模块连接,所述升压模块控制开关模块的导通与关闭,所述控制模块根据升压模块的输入电压的大小控制升压模块的工作,所述储能模块与控制模块连接为控制模块供电。
进一步,所述升压模块包括使能其工作的使能端,所述控制模块包括输出工作信号到升压模块的信号端,所述使能端与信号端连接。控制模块可以控制升压模块的工作状态,降低功耗。
进一步,还包括用于将微波能量转换成直流电能的整流天线,所述升压模块还包括输入端,所述整流天线的输出端与升压模块的输入端连接。
进一步,所述控制模块包括用于检测整流天线输出的电压值的电压检测端,所述电压检测端与升压模块的输入端连接。控制模块检测升压模块的输入电压,只有输入电压达到标准时,才会向升压模块发送工作信号,使其工作,从而可以在输入电压较低时使升压模块处于休眠状态,降低功耗。
进一步,所述升压模块还包括控制开关模块开启和关闭的控制端。升压模块可以控制开关模块的开启和关闭。
进一步,所述升压模块还包括输出升压后的电压为储能模块充电的充电端,所述充电端连接到储能模块。
进一步,所述储能模块包括用于为负载供电的第一供电端,所述第一供电端连接到开关模块。当储能模块充电完成后,可以通过第一供电端为负载供电,并且只有在开关模块开启的时候,储能模块的电能才能传输到负载。
进一步,所述储能模块还包括用于为控制模块供电的第二供电端。储能模块可以为控制模块供电,无需外部电源为控制模块供电,实现自供电。
进一步,所述储能模块为超级电容器。超级电容器充电时间短,使用寿命较长,可以较长时间的工作。
本发明的有益效果是:本发明采用的用于无线能量传输的能量管理系统,包括升压模块、储能模块、开关模块和控制模块,控制模块可以控制升压模块的工作状态,保证升压模块在输入电压不足时处于休眠状态,减少功耗,而升压模块可以为储能模块充电,并且保证在储能模块充满电的情况下才开启开关模块,使储能模块可以通过开关模块为负载供电,对储能模块起到管理作用,而储能模块可以为控制模块供电,无需外接电源,实现自供电,同时可以满足小功率应用场景对体积以及能耗的要求。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种能量管理系统的结构图;
图2是升压模块与整流天线的电路连接图;
图3是储能模块的电路图;
图4是开关模块的电路图;
图5是控制模块的电路图。
具体实施方式
参照图1所示,本发明的一种能量管理系统,包括升压模块1、储能模块2、开关模块3、控制模块4以及整流天线5,首先整流天线5将将微波能量转换成直流电能,然后传输到升压模块1中,升压模块1并不会在接收到整流天线5的电能之后就立即开始工作,而是先由控制模块4检测整流天线5输出的电压值大小是否大于升压模块1的最小工作电压,若小于,则控制模块4不会向升压模块1发送工作信息,使升压模块1保持在休眠状态小,减少功耗,若控制模块4检测到整流天线5输出的电压值大于升压模块1的最小工作电压,则控制模块4向升压模块1发送开启信息,使其进入工作状态,而升压模块1的功能是将输入的电压进行升压,然后将升高的电压传输到储能模块2中,为储能模块2充电,当升压模块1将储能模块2充电至设定的电压阈值时,升压模块1不再为储能模块2充电,此时升压模块1向开关模块3发送一个开启信号,使得开关模块3开启,然后储能模块2可以将电能通过开关模块3输出到负载进行供电。
本发明通过对升压模块1的输入电压进行检测,保证升压模块1只有在输入电压大于规定的最小工作电压时,才允许升压模块1工作,可以保证升压模块1在输入电压不足时不会启动,可以达到减少功耗的目的。
参照图2-图5,本发明的升压模块1包括了超低功耗的升压器芯片,具备电池管理和休眠模式等功能,其最小工作电压为100mv,只有当输入电压大于100mv时,升压模块1才会工作,当升压模块1处于休眠模式时,其功耗可以低至5nA。
升压模块1包括使能端11、输入端12、充电端14、控制端13,控制模块4包括电压检测端42和信号端41,控制模块4的电压检测端42与升压模块1的输入端12连接,而升压模块1的输入端12是连接到整流天线5的输出的,所以控制模块4检测电压检测端42采集的整流天线5的输出电压即升压模块1的输入电压,当检测到整流天线5的输出电压大于升压模块1的最小工作电压时,控制模块4通过信号端41发送低电平到升压模块1的使能端11,从而给升压模块1一个使能信号,使升压模块1进行工作模式;若控制模块4检测到整流天线5的输出电压小于升压模块1的最小工作电压时,控制模块4通过信号端41发送高电平到升压模块1的使能端11,使升压模块1进入休眠模式,减少功耗。
升压模块1进入工作模式后,通过充电端14为储能模块2充电,当升压模块1将储能模块2充电至设定的电压阈值时,停止为储能模块2充电,并通过控制端13控制开关模块3开启,此时储能模块2的电能可以通过开关模块3传输到负载,为负载供电,本发明仅有在满足供电状态下,才会向负载开放供电,当储能模块2的能量不满足供电状态时,不会向负载供电。
具体地,升压模块1的VBAT_SEC引脚为充电端14,对应连接到储能模块2的正极端,为储能模块2充电,升压模块1的引脚为使能端11,与控制模块14的信号端41连接,升压模块1的VBAT_OK引脚为控制端13,与开关模块3连接,升压模块1的VIN_DC引脚为输入端12,与整流天线5以及控制模块4的电压检测端42连接。
具体地,升压模块1的VIN_DC引脚分别连接到电容C5和电容C6后接地,同时升压模块1的VIN_DC引脚连接到串联连接的电阻R18、R21后接地,控制模块4的电压检测端42连接到电阻R18和电阻R21的连线上,升压模块1的VIN_DC引脚还通过一个电感L1连接到升压模块1的LBOOST引脚,升压模块1的VSS引脚、VOC_SAMP引脚、NC引脚以及VBAT_PRI引脚接地,升压模块1的VSTOR引脚通过并联连接的电容C1、C2接地。
参照图3,储能模块2包括第一供电端21和第二供电端22,第一供电端21连接到开关模块3,用于为负载供电,第二供电端22连接到控制模块4,为控制模块4供电,所以本发明的控制模块4无需外接电源,可以实现自供电,同时可以减小本发明的系统的体积。
具体地,储能模块2的第一供电端21为VCC端,第二供电端22为VBAT端,储能模块2的正极端与升压模块1的充电端14连接,储能模块2的负极端接地,同时储能模块2的正极端通过串联连接的电阻R19、R20连接到储能模块2的负极端,电阻R19和电阻R20的连接线的中间引出一个端口为第二供电端22,电阻R19和储能模块2的正极端的连接出引出的端口为第一供电端21。
本发明的储能模块2为超级电容器,具有功率密度高、充电时间短,使用寿命较长和绿色环保等特点
本发明的开关模块3为一个超低泄漏电流负载开关。
开关模块3的具体电路图如图4所示,开关模块3的Vin引脚接到储能模块2的第一供电端21并同时通过电容C4接地,开关模块3的ON引脚连接到升压模块1的控制端13(即VBAT_OK),开关模块3的Vbias引脚连接到Vin引脚,开关模块3的Vout引脚将电能输出,并同时通过电容C3接地,开关模块3的GND端接地。
本发明的控制模块4为一个微功耗微处理器,其内部包括有ADC模块,还具有两种低功耗模式,第一种低功耗模式可以使控制模块4的CPU处于掉电状态,只有部分时钟保持在工作状态,同时ADC模块的采样工作可以正常进行;第二种低功耗模式是使控制模块4的CPU处于掉电状态,时钟系统全部关闭,IO状态锁定,使控制模块4的功耗降到最低。
控制模块4的具体电路图如图5所示,其中控制模块4的P4.3引脚与储能模块2的第二供电端22连接,第二供电端22的P2.7引脚为信号端41,P2.3引脚为电压检测端42,控制模块4的P4.7引脚、P3.3引脚、P3.2引脚分别连接到时钟模块的Mos_d引脚、Tcal引脚、Done引脚,时钟模块用于为控制模块4提供唤醒信号,控制模块4的avcc引脚通过电阻R12连接到储能模块2的第一供电端21,控制模块4的avss1引脚通过电阻R13接地,并且avcc引脚和avss1引脚之间通过电容C12连接,控制模块4的PJ.5引脚通过电容C13连接到AVSS端,PJ.4引脚通过电容C14连接到AVSS端,同时PJ.5引脚和PJ.4引脚通过晶振Y1连接,控制模块4的dvss1引脚连接到储能模块2的第一供电端21,dvss2引脚接地,同时dvss1引脚通过并联连接的电容C10、C11连接到dvss2引脚,控制模块4的avss2引脚和avss3引脚连接,控制模块4的引脚和test引脚连接到调试接口P4,同时引脚连接到储能模块2的第一供电端21。
控制模块4的整个工作过程为:首先进行控制模块4的初始化,然后执行一个子程序,子程序执行结束后进入到第二种低功耗模式,当未接收到唤醒信号时,控制模块4保持在第二种低功耗模式;当接收到唤醒信号,控制模块4退出第二种低功耗模式,由执行子程序到退出第二种低功耗模式为一个循环,主程序循环地执行子程序和进入第二种低功耗模式,使控制模块4在工作模式和低功耗模式之间不断地切换。
唤醒信号由一个低功耗时钟模块提供,由于实际应用场景中仅需隔一段时间执行一次子程序,所以本发明设定两个唤醒信号的时间间隔远大于控制模块4的工作模式时间,因此控制模块4大部分时间处于低功耗模式,进一步降低系统的总功耗。
上述的子程序的过程如下:首先启动ADC模块,对升压模块1的输入电压进行采样,在采样的过程中,控制模块4进入第一种低功耗模式等待采样完成,采样完成后,判断输入电压是否大于所述升压模块1的最低工作电压100mV,若输入电压大于100mV,控制模块4即向升压模块1的使能端11发送低电平信号,使其进入工作模式;若输入电压小于100mV,控制模块4即向升压模块1的使能端11发送高电平信号,使其进入休眠模式。
此外,控制模块4进行适当的时钟系统的配置可进一步降低系统的功耗。
以上所述,只是本发明的较佳实施例而已,本发明并不局限于上述实施方式,只要其以相同的手段达到本发明的技术效果,都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种能量管理系统,其特征在于:包括:
升压模块(1),用于将输入的电压进行升压;
储能模块(2),用于存储升压模块(1)输出的电能以及输出电能到负载;
开关模块(3),用于将储能模块(2)的电能输出到负载;
控制模块(4),用于控制升压模块(1)工作;
所述升压模块(1)分别和储能模块(2)、开关模块(3)、控制模块(4)连接,所述储能模块(2)和开关模块(3)连接,所述升压模块(1)控制开关模块(3)的导通与关闭,所述控制模块(4)根据升压模块(1)的输入电压的大小控制升压模块(1)的工作,所述储能模块(2)与控制模块(4)连接为控制模块(4)供电。
2.根据权利要求1所述的一种能量管理系统,其特征在于:所述升压模块(1)包括使能其工作的使能端(11),所述控制模块(4)包括输出工作信号到升压模块(1)的信号端(41),所述使能端(11)与信号端(41)连接。
3.根据权利要求1所述的一种能量管理系统,其特征在于:还包括用于将微波能量转换成直流电能的整流天线(5),所述升压模块(1)还包括输入端(12),所述整流天线(5)的输出端与升压模块(1)的输入端(12)连接。
4.根据权利要求3所述的一种能量管理系统,其特征在于:所述控制模块(4)包括用于检测整流天线(5)输出的电压值的电压检测端(42),所述电压检测端(42)与升压模块(1)的输入端(12)连接。
5.根据权利要求1所述的一种能量管理系统,其特征在于:所述升压模块(1)还包括控制开关模块(3)开启和关闭的控制端(13)。
6.根据权利要求1所述的一种能量管理系统,其特征在于:所述升压模块(1)还包括输出升压后的电压为储能模块(2)充电的充电端(14),所述充电端(14)连接到储能模块(2)。
7.根据权利要求1所述的一种能量管理系统,其特征在于:所述储能模块(2)包括用于为负载供电的第一供电端(21),所述第一供电端(21)连接到开关模块(3)。
8.根据权利要求1所述的一种能量管理系统,其特征在于:所述储能模块(2)还包括用于为控制模块(4)供电的第二供电端(22)。
9.根据权利要求1所述的一种能量管理系统,其特征在于:所述储能模块(2)为超级电容器。
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