CN110492585B - 高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法 - Google Patents

高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法，通过构建包括能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块的能源系统，并采用控制芯片实现对储能操作的控制，实现了环境能量的采集存储，提高了能源系统的负载能力，同时缩小了能源系统的体积。

Description

高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法
技术领域
本发明属于能源平台装置电路设计技术领域，具体涉及高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法。
背景技术
许多工业的生产场合中往往伴随复杂恶劣的生产环境，由于生产场所设计之初未考虑到监测需求，加上场地布局随生产任务的变动和时间的推移产生较大的变化，使后期采用传统方法加装各种监测探头的信号走线与取电改装十分困难，而目前市面上一些无源无线监测方案的环境能量采集存储装置负载能力低，仅能满足无源无线测温等一些能耗要求较低的监测需求，且由于能耗限制，无线传输的距离较近，往往一个房间或一组工位就需要布置一个无线信号接收端，虽然免去了监测探头的走线与取电工作，却增加了无线信号接收端的安装难度与工作量。而通过单纯堆叠储能介质(如蓄能电容)来提高负载能力的方案又极易带来装置体积变大，制约了工业应用场景。
因此，工业监测应用正在由传统的有源有线方案向无源无线方案转变，而环境能量采集存储装置的负载能力和体积又是制约无源无线工业监测应用的重要因素。高负载能力且小型化的环境能量采集存储装置能够搭载更多种类的监测芯片或模块、更大功率的无线通信模块，显著扩展工业监测应用的监测种类，提升传输距离，增加应用场景并降低实施成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法，通过构建包括能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块的能源系统，并采用控制芯片实现对储能操作的控制，实现了环境能量的采集存储，提高了能源系统的负载能力，同时缩小了能源系统的体积。
本发明提供的一种高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统，包括：能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块；
所述能量采集模块将采集到的环境能量传输给所述能量存储模块；
所述能量存储模块采用超级电容存储所述能量采集模块采集到的环境能量，并将存储的电能传输给所述压降控制模块，再将输出电压经分压电阻分压后形成的分压电压传输给所述压降控制模块中的控制芯片；
所述压降控制模块采用所述控制芯片，根据所述分压电压与设定的所述能量存储模块输出电压阈值的关系，进行储能控制：所述控制芯片根据所述分压电压计算出所述能量存储模块的充电效率，再由此计算出所述能量存储模块达到其输出电压最大值所需的充电时间，在所述控制芯片休眠时长达到所述充电时间时，唤醒所述控制芯片，并计算当前所述分压电压与负载完成任务所需电压之间的差值，当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值时，所述控制芯片启动负载，反之，所述控制芯片则继续休眠，直到当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值，所述控制芯片启动负载。
进一步地，所述能量存储模块包括超级电容、钽电容、陶瓷滤波电容和磁珠，其连接方式为：一个以上的超级电容串联后同两个钽电容、一个陶瓷滤波电容、一根稳压二极管、两个串联分压电阻以及一个陶瓷滤波电容并联，在陶瓷滤波电容与分压电阻之间串联一个磁珠。
进一步地，所述压降控制模块包括电压监测芯片、P沟道场效应管、低压差线性稳压器、控制芯片、多个陶瓷滤波电容及多个限流电阻，所述低压差线性稳压器的输出引脚为压降控制模块的供电输出正极引脚，所述压降控制模块的供电输出负极与所述能量存储模块的输出负极相连；
其中，所述电压监测芯片的电源脚为所述压降控制模块的输入正极，与所述能量存储模块的输出正极连接，其输出脚与电源脚之间串接所述限流电阻R4，并与P沟道场效应管的源极相连；所述P沟道场效应管的栅极与控制芯片的I/O引脚相连，其漏极在串联限流电阻R3后与所述低压差线性稳压器的使能引脚相连；所述低压差线性稳压器的使能引脚与输出引脚相连，所述低压差线性稳压器的使能引脚与延时电容C9相连并接地，所述低压差线性稳压器的输出引脚与陶瓷滤波电容C8相连并接地，所述低压差线性稳压器的输入引脚与陶瓷滤波电容C6相连并接地，再与所述电压监测芯片的电源脚相连；所述控制芯片的AD引脚连接所述分压电压，其供电引脚与所述低压差线性稳压器的输出引脚相连。
进一步地，所述能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块中的芯片与分立器件均采用贴片元器件封装方式。
进一步地，所述能量采集模块根据待采集的能源类型确定，所述能源类型包括热能、机械能和微磁能量。
进一步地，所述控制芯片储能控制的过程，具体包括如下步骤：
步骤1、所述控制芯片内置所述能量存储模块输出电压的最大值VH及最小值VL；启动负载之前，采集并存储当前的所述分压电压V0；
步骤2、启动负载，负载执行完毕并进入休眠状态后，采集并存储当前的所述分压电压V1，所述控制芯片进入休眠状态；
步骤3、所述控制芯片在预设的休眠周期TB后被唤醒，采集并存储当前的所述分压电压V2，采用公式(1)计算出电压与时间的上升关系ΔV，再采用公式(2)计算出所述控制芯片所需的休眠时间T，然后所述控制芯片进入休眠状态，经过休眠时间T后所述控制芯片被唤醒；
ΔV＝(V2-V1)/TB (1)
T＝VHM/ΔV (2)
其中，VHM为VH经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压；
步骤4、采集并存储当前的所述分压电压V3；
步骤5、当(V3-(V0-V1))＞VLM时，VLM为VL经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压，令V0＝V3，返回所述步骤2；当(V3-(V0-V1))≤VLM时，所述控制芯片进入休眠状态，休眠设定的休眠周期TB后所述控制芯片被唤醒，返回所述步骤4。
进一步地，所述控制芯片为单片机。
有益效果：
本发明通过在能量存储模块中增加采用分压电阻，采用分压后的电压控制压降控制模块，实现了将储能模块与逻辑芯片相分离的设计，使储能模块正极电压可以远高于逻辑芯片的最高工作电压，在节省超级电容使用的同时，有效提高了系统的储存的能量，节约了成本、缩小了系统的体积，并且通过分立的被动元件与单片机的配合实现了装置充满再上电，储能模块电压低于单片机复位阈值再掉电的动作，大大增加了对蓄能电容存储能量的利用率，同时，也保证了系统所搭载负载两端电压稳定，防止所搭载的各个逻辑芯片因掉电而频繁复位，提高了负载工作稳定性，由此，本发明能够搭载更多种类的监测芯片，扩展了工业监测的应用范围；
本发明通过采用超级电容与钽电容搭配蓄能方案，大大提升了储存的能量和瞬时负载能力；
本发明中的芯片与分立器件均采用贴片元器件封装方式，使得系统具有更小的体积，且部署灵活、安装方便；
本发明支持多种环境能量采集方案，根据工业监测的场景不同可快速切换。
附图说明
图1为本发明提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统的能量存储模块电路原理图。
图2为本发明提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统的压降控制模块电路原理图。
图3为本发明提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储方法的单片机能耗管理程序逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法，其基本思想是：通过设计独立的能量存储模块和压降控制模块，能够实现储能模块与逻辑芯片相分离的设计，在此基础上，通过在能量存储模块增加钽电容等分立元件，实现了基于单片机控制的高负载能力的小型化环境能量采集存储功能。
本发明提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统，包括：能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块。
能量采集模块用于采集环境能量，再将采集到的环境能量传输给所述能量存储模块，即能量采集模块的正极同能量存储模块的直流源正极相连，能量采集模块的负极同能量存储模块的直流源负极即电源地相连。
能量存储模块用于存储电能，如图1所示，通常的能量存储模块设计包括多个超级电容、稳压二极管，在此基础上本发明增加了多个分压电阻，通过分压电阻的分压，将能量采集模块的输出电压降低为分压电压，作为单片机AD引脚采集的目标电压；能量存储模块的输出正极与压降控制模块的输入正极相连，能量存储模块的输出负极与压降控制模块的输入负极相连。
压降控制模块采用控制芯片，根据分压电压与设定的能量存储模块输出电压阈值的关系，进行储能控制：控制芯片根据分压电压计算出能量存储模块的充电效率，再由此计算出能量存储模块达到其输出电压最大值所需的充电时间，在控制芯片休眠时长达到该充电时间时，唤醒控制芯片，并计算当前分压电压与负载完成任务所造成的压降之间的差值，当电压差值大于设定的能量存储模块输出电压最小值时，控制芯片启动负载，反之，控制芯片则继续休眠，直到当该电压差值大于设定的能量存储模块输出电压最小值时，控制芯片启动负载。
具体来说，压降控制模块，如图2所示，包括电压监测芯片、P沟道场效应管、低压差线性稳压器、单片机、多个陶瓷滤波电容及多个限流电阻，低压差线性稳压器的输出引脚为压降控制模块的供电输出正极引脚，压降控制模块的供电输出负极与所述能量存储模块的输出负极相连。
其中，所述电压监测芯片的电源脚为所述压降控制模块的输入正极，与所述能量存储模块的输出正极连接，其输出脚与电源脚之间串接所述限流电阻R4，并与P沟道场效应管的源极相连；所述P沟道场效应管的栅极与控制芯片的I/O引脚相连，其漏极在串联限流电阻R3后与所述低压差线性稳压器的使能引脚相连；所述低压差线性稳压器的使能引脚与输出引脚相连，所述低压差线性稳压器的使能引脚与延时电容C9相连并接地，所述低压差线性稳压器的输出引脚与陶瓷滤波电容C8相连并接地，所述低压差线性稳压器的输入引脚与陶瓷滤波电容C6相连并接地，再与所述电压监测芯片的电源脚相连；所述控制芯片的AD引脚连接所述分压电压，其供电引脚与所述低压差线性稳压器的输出引脚相连。
本发明提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储方法，如图3所示，本发明提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统中的控制芯片根据采集到的分压电压，逆向计算出能量存储模块的输出正极电压，再根据该电压值与设定的能量存储模块输出电压的阈值之间的关系进行储能判断，当存储的能量高于负载完成一次监测任务所需的能量时，就进行一次监测并将无线信息发送至无线信号接收端，具体控制流程如下：
步骤1、所述控制芯片内设置所述能量存储模块输出电压的最大值VH及最小值VL；在启动负载之前，采集并存储分压电压V0；
步骤3、启动负载，负载执行完毕并进入休眠状态后，通过所述AD引脚采集所述分压电压存储为V1，所述控制芯片进入休眠状态；
步骤4、所述控制芯片在预先设定的休眠周期TB后被唤醒，采集当前的所述分压电压存储为V2，采用公式(1)计算出电压与时间的上升关系ΔV，再采用公式(2)计算出所述单片机的休眠时间T，然后所述控制芯片进入休眠状态，经过休眠时间T后所述控制芯片被唤醒；
ΔV＝(V2-V1)/TB (1)
T＝VHM/ΔV (2)
其中，VHM为VH经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压；
步骤5、采集当前的所述分压电压存储为V3；
步骤6、当(V3-(V0-V1))＞VLM时，VLM为VL经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压，令V0＝V3，返回所述步骤3；当(V3-(V0-V1))≤VLM时，所述控制芯片进入休眠状态，休眠设定的休眠周期TB后所述控制芯片被唤醒，返回所述步骤5。这里，(V0-V1)的含义为负载完成一次任务所造成的压降，当(V3-(V0-V1))＞VLM时，就说明当前的电压能够支持负载完成一次任务。
为进一步提高系统负载能力和输出电压的稳定性，本发明在能量存储模块中，增加了钽电容、陶瓷滤波电容和磁珠，具体的电路连接方式为：一个以上的超级电容串联后同两个钽电容、一个陶瓷滤波电容、一根稳压二极管、两个串联分压电阻以及一个陶瓷滤波电容并联，在陶瓷滤波电容与分压电阻之间串联一个磁珠。其中，位于串联磁珠之前的原件共地(电源地)，位于串联磁珠之后的元件共地(隔离地)，能量采集模块的正极同能量存储模块的直流源正极相连，能量采集模块的负极同能量存储模块的直流源负极即电源地相连。
本发明中的能量采集模块根据应用现场采集的能源而异，选择广泛，由于在能量存储模块的正极电压达到开始工作的设定阈值之前，压降控制模块几乎处于截止状态，几乎没有漏电流，因此能够持续输出直流电压或间断输出直流脉冲的能量采集模块均可为能量存储模块充电，适应多种工业监测的场景，大大提高了使用的灵活度。具体来说，如采集的环境能量为热能则通过温差片及其能关管理芯片向能量存储模块充电；如采集机械能则通过压电模块向能量存储模块充电；如采集通有单相大电流的导体周围的微磁能量，则使用感应线圈的感生电势通过整流桥堆向能量存储模块充电。
实施例：
本发明提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统的工作过程是：
系统工作时，能量采集模块向能量存储模块输出直流供电，能量存储模块的正极电压随即上升，钽电容C2、C3以及陶瓷滤波电容C4为超级电容蓄能过程提供滤波功能，使超级电容快速平稳充电。稳压二极管会在能量采集模块输出电压波动，并在超出能量采集模块耐压值时瞬时击穿，从而保障充电电流位于能量采集模块的允许范围之内。
由于能量存储模块的输出正极和压降控制模块的输入正极相连，电压监测芯片会持续监测能量存储模块的正极电压，在电压到达设定阈值之前电压监测芯片的输出脚(OUT)会保持低电位，此时P沟道耗尽型场效应管栅源压差为0V，沟道关闭，低压差线性稳压器的使能引脚(CE)电平为低，低压差线性稳压器不工作，压降控制模块几乎不消耗电流。当能量存储模块的正极电压达到达设定阈值时，电压监测芯片的输出脚(OUT)会释放电位，此时由于上拉电阻R4，P沟道耗尽型场效应管栅源压差为能量存储模块的隔离地电压与正极电压的差值，沟道开启，低压差线性稳压器的使能引脚(CE)在延时电容C9短时间的充电后电平达到工作电位，低压差线性稳压器开始工作，单片机以及本平台所搭载的监测芯片和无线通信模块上电，由于低压差线性稳压器的输出脚与使能引脚(CE)相连，压降控制模块开始闭环工作。
单片机上电后立即使I/O引脚输出高电平，此时能量存储模块的正极电压若高于设定阈值则电压监测芯片的输出脚(OUT)保持释放电位，低压差线性稳压器正常工作；若低于设定阈值则电压监测芯片的输出脚(OUT)会保持低电位，P沟道耗尽型场效应管存在栅源压差但方向相反，沟道关闭，低压差线性稳压器不受影响，保持正常工作。
压降控制模块开始闭环工作后立即为平台装置所搭载的监测芯片和无线通信模块供电，当监测芯片和无线通信模块工作期间需要汲取较大电流或需要较长时间连续汲取电流时，低压差线性稳压器会从能量存储模块中获取能量并保障输出电压的稳定，从而保障监测芯片和无线通信模块的正常工作。
如图1所示，本平台模块的钽电容采用高耐压值钽电容，超级电容采用串联方式获得和钽电容相近的耐压值，当能源采集模块向能源存储模块充电时，能源存储模块正极电压值上限为稳压二极管稳压值，该值低于钽电容或串联超级电容的最小耐压值。设储能模块总容值为C0能源存储模块的最大储能值为：
0.5*C0*VH 2(单位：焦耳)
低压差线性稳压器的输入电压保持在VL以上则认为电压满足正常工况，若低压差线性稳压器的效率为K，本平台装置可用能量为：
K*0.5*C0*(VH 2-VL 2)(单位：焦耳)
因此，仅需要一定数量的蓄能电容即可达到高负载能力，大大提高了能量密度，降低了单个无源无线监测单元的物料成本，且有效控制了装置的体积，使本平台装置便于安装。
当监测芯片和无线通信模块需要汲取较大电流时，钽电容快速放电，能量存储模块的正极电压下降，在监测芯片和无线通信模块工作完毕后，超级电容会以较快的速度为钽电容充电，能量存储模块的正极电压快速回升，为下一次短时大电流工况做准备。
本发明提供的系统使用的芯片与分立器件均为贴片封装，体积小，可靠性高，平台装置的尺寸可以轻松限制在50mm*35mm*10mm之内，部署灵活，便于安装。
如图3所示，将能量存储模块中稳压二极管的上限值预存入单片机中，记为VH；将低压差线性稳压器输出阈值也预存入单片机中，记为VL。单片机能耗管理程序会在每次监测和无线信息发送工作开始前，通过AD引脚采集一次分压电阻之间的电压值记为V0，之后进入监测和无线信息发送工作，在工作完成后再采集一次分压电阻之间的电压值记为V1并进入休眠状态，在休眠10秒后唤醒，并第三次采集分压电阻之间的电压值记为V2，并通过公式(V2-V1)/10计算出电压与时间的上升关系ΔV，之后进入一段长休眠，休眠时长为:
T＝(VH*R2/(R1+R2))/ΔV(单位：秒)
在长休眠唤醒后，单片机再次唤醒并采集分压电阻之间的电压值记为V3，并判断此时能源储量是否能够立即执行下一次监测与无线信息发送工作，即判断V3-(V0-V1)是否大于VLM，如果结果大于VLM则立即执行下一次监测与无线信息发送工作，同时将V3的值赋给V0以备下次判断时使用，如果结果小于VLM则休眠并每隔10秒唤醒一次采集分压电阻之间的电压值记为V3，重复判断此时能源储量是否能够立即执行下一次监测与无线信息发送工作。通过单片机能耗管理程序对执行监测和无线信息发送工作的时间进行动态调整，提高了对环境能量输入波动的抗性，即使环境能量输入在短时间内骤降，也不会使模块供电输出正极电压产生波动造成芯片复位，提升工作稳定性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.一种高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统，其特征在于，包括：能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块；
所述能量采集模块将采集到的环境能量传输给所述能量存储模块；
所述能量存储模块采用超级电容存储所述能量采集模块采集到的环境能量，并将存储的电能传输给所述压降控制模块，再将输出电压经分压电阻分压后形成的分压电压传输给所述压降控制模块中的控制芯片；
所述压降控制模块采用所述控制芯片，根据所述分压电压与设定的所述能量存储模块输出电压阈值的关系，进行储能控制：所述控制芯片根据所述分压电压计算出所述能量存储模块的充电效率，再由此计算出所述能量存储模块达到其输出电压最大值所需的充电时间，在所述控制芯片休眠时长达到所述充电时间时，唤醒所述控制芯片，并计算当前所述分压电压与负载完成任务所需电压之间的差值，当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值时，所述控制芯片启动负载，反之，所述控制芯片则继续休眠，直到当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值，所述控制芯片启动负载；
所述控制芯片储能控制的过程，具体包括如下步骤：
步骤1、所述控制芯片内置所述能量存储模块输出电压的最大值VH及最小值VL；启动负载之前，采集并存储当前的所述分压电压V0；
步骤2、启动负载，负载执行完毕并进入休眠状态后，采集并存储当前的所述分压电压V1，所述控制芯片进入休眠状态；
步骤3、所述控制芯片在预设的休眠周期TB后被唤醒，采集并存储当前的所述分压电压V2，采用公式(1)计算出电压与时间的上升关系ΔV，再采用公式(2)计算出所述控制芯片所需的休眠时间T，然后所述控制芯片进入休眠状态，经过休眠时间T后所述控制芯片被唤醒；
ΔV＝(V2-V1)/TB (1)
T＝VHM/ΔV (2)
其中，VHM为VH经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压；
步骤4、采集并存储当前的所述分压电压V3；
步骤5、当(V3-(V0-V1))＞VLM时，VLM为VL经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压，令V0＝V3，返回所述步骤2；当(V3-(V0-V1))≤VLM时，所述控制芯片进入休眠状态，休眠设定的休眠周期TB后所述控制芯片被唤醒，返回所述步骤4。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量存储模块包括超级电容、钽电容、陶瓷滤波电容和磁珠，其连接方式为：一个以上的超级电容串联后同两个钽电容、一个陶瓷滤波电容、一根稳压二极管、两个串联分压电阻以及一个陶瓷滤波电容并联，在陶瓷滤波电容与分压电阻之间串联一个磁珠。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压降控制模块包括电压监测芯片、P沟道场效应管、低压差线性稳压器、控制芯片、多个陶瓷滤波电容及多个限流电阻，所述低压差线性稳压器的输出引脚为压降控制模块的供电输出正极引脚，所述压降控制模块的供电输出负极与所述能量存储模块的输出负极相连；
其中，所述电压监测芯片的电源脚为所述压降控制模块的输入正极，与所述能量存储模块的输出正极连接，其输出脚与电源脚之间串接限流电阻R4，并与P沟道场效应管的源极相连；所述P沟道场效应管的栅极与控制芯片的I/O引脚相连，其漏极在串联限流电阻R3后与所述低压差线性稳压器的使能引脚相连；所述低压差线性稳压器的使能引脚与输出引脚相连，所述低压差线性稳压器的使能引脚与延时电容C9相连并接地，所述低压差线性稳压器的输出引脚与陶瓷滤波电容C8相连并接地，所述低压差线性稳压器的输入引脚与陶瓷滤波电容C6相连并接地，再与所述电压监测芯片的电源脚相连；所述控制芯片的AD引脚连接所述分压电压，其供电引脚与所述低压差线性稳压器的输出引脚相连。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块中的芯片与分立器件均采用贴片元器件封装方式。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量采集模块根据待采集的能源类型确定，所述能源类型包括热能、机械能和微磁能量。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制芯片为单片机。
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