CN111641230A - 基于自然能量采集的全天候供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自然能量采集的全天候供电系统，包括能量采集模块、能量收集模块、调压模块、开关矩阵、电源管理模块、主储能模块、副储能模块和输出模块，能量采集模块包括至少一个微能量采集单元，每个微能量采集单元经整流转换后均连接能量收集模块，所述微能量采集单元连接调压模块进行调压，所述调压模块的输出侧连接至开关矩阵，开关矩阵的输出侧择一连接主储能模块、副储能模块或输出模块，输出模块为输出开关，电源管理模块用于各个模块的管理和状态监测。该系统具有利用自然能源发电、实现微电能采集、使用寿命大大延长、全生命周期免维护、能量最大化收集的优点。

Description

基于自然能量采集的全天候供电系统

技术领域

本发明涉及一种自然能源采集领域，具体的说，涉及了一种基于自然能量采集的全天候供电系统。

背景技术

随着物联网的发展，传感器的应用场景越来越广泛，在一个应用场景中，可以置入数十种传感器，且形状、位置各不相同，为了解决传感器的用电问题，现有技术中多采用电池供电。

电池供电存在电池寿命有限的问题，一般两三年需要更换一次电池，但是随着传感器数量的爆发，更换电池的工作成为限制传感器使用的一大问题。

随着微能量采集技术的发展，也有使用微能量为设备供电的方案，但是存在供电不稳定、仍需借助电池且电池寿命短暂等一系列问题。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种利用自然能源发电、实现微电能采集、适应场景广泛、使用寿命大大延长、能量最大化收集的一种基于自然能量采集的全天候供电系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于自然能量采集的全天候供电系统，包括能量采集模块、能量收集模块、调压模块、开关矩阵、电源管理模块、主储能模块、副储能模块和输出模块，所述能量采集模块包括并列设置的至少一个微能量采集单元，每个所述微能量采集单元经整流转换后均连接一个能量收集模块进行能量积累，每个所述能量收集模块连接一个调压模块进行调压，各个所述调压模块的输出侧连接至开关矩阵，开关矩阵的输出侧可选的连接主储能模块、副储能模块或输出模块，所述输出模块包括在储能电池、超级电容和开关矩阵间切换输出的输出开关；所述电源管理模块连接能量收集模块和调压模块，以便根据能量收集模块的储能量控制调压模块的启闭；所述电源管理模块还根据主储能模块、副储能模块和能量收集模块的状态，控制开关矩阵择一连接所述主储能模块、副储能模块和输出模块。

基上所述，所述微能量采集单元为太阳能发电单元、振动发电单元、温差发电单元中的一种或几种，所述能量收集模块为电容器。

基上所述，所述主储能模块为超级电容，所述副储能模块为电池，当所述电源管理模块检测到电容器的电压值较高且稳定时，在保证负载运行稳定的前提下，预先为副储能模块充电，其次为主储能模块充电，再次通过输出模块为负载直接供电；当所述电源管理模块检测到电容器的电压不稳定而导致无法直接通过输出模块为负载供电时，首先使用主储能模块的电能，其次使用副储能模块的电能。

基上所述，所述副储能模块的电能使用至近一半时，优先为副储能模块充电。

基上所述，所述电源管理模块连接各个电容器以获取电容的电压值，所述电源管理模块连接各个调压模块以根据获得的电容的电压值判断是否启动调压模块。

基上所述，所述电源管理模块设置超低能耗模式和正常模式，根据采集到的能量收集模块中电容的电压信号，进行超低能耗模式和正常模式间的切换。

基上所述，所述电源管理模块还包括一供电电源，所述供电电源连接至所述调压模块的输出侧。

一种基于自然能量采集的全天候供电系统进行供电的方法，包括以下步骤：

步骤1）能量采集模块采集环境中的微能量，并通过整流转换模块输出至电容器进行滤波、积累；

步骤2）电源管理模块根据电容器的电压值，触发唤醒电源管理模块的正常模式，然后，电源管理模块控制调压模块启动，将电容器输出的电流的电压调整至需要的电压值；

步骤3）电源管理模块根据主储能模块、副储能模块的电量以及电容器的电压稳定程度，控制开关矩阵的输出侧为主储能模块充电或为副储能模块充电或直接输出至输出模块；

步骤4）电源管理模块根据主储能模块、副储能模块的状态，控制输出模块中输出开关连接主储能模块、副储能模块或开关矩阵。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明通过多种微能量采集模块的加入，可以适应更广泛的场景中，如太阳能发电单元可用于日光充足的场合，振动发电模块可用于风能、振动、水能等场合，温差发电模块可用于半导体温差换能器的使用场合，将这些电能利用起来，为电池或超级电容充电，然后供输出侧的用电元器件供电，取代电池供电，实现电能的自给自足，无需定时的更换电池。

进一步的，为了降低整个系统的能耗，将电源管理模块设计为低功耗运行，只有在采集侧采集的电能充足时，触发进入正常模式，进行电能转换和存储，规避了调压模块长期运行对于能量收集模块的电能损耗，减少系统本身的供电能耗。

进一步的，为了延长系统寿命，储能设备采用一个蓄电池和一个超级电容的组合，借助超级电容寿命长、充放电循环接近于无限次的优势，作为主储能设备，尽可能的延长系统的寿命，借助电池容量大、寿命长但是从放点循环次数少的特点，作为主储能设备的备用电源使用，规避超级电容容量小的问题，尽可能的减少电池充放电次数，最大化储能，仅在特殊时刻使用电池，大大延长系统寿命，两者搭配，提升了系统的寿命和电能的使用效率，使系统的寿命接近于传感器的寿命，可以使该系统维持到传感器的寿命结束。

附图说明

图1是本发明中基于自然能量采集的全天候供电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，一种基于自然能量采集的全天候供电系统，包括能量采集模块、能量收集模块、调压模块、开关矩阵、电源管理模块、主储能模块、副储能模块和输出模块。

本实施例中，所述能量采集模块包括并列设置的太阳能发电单元、振动发电单元、温差发电单元三种采集单元，对应的设置三个整流器进行整流输出，配置三个电容器进行能量积累。其中，整流器将交流能量转换为直流的脉动信号。

以震动能量采集举例，电容器可采用百uF级的电容对整流后的脉动信号进行滤波，同时能量进收集，随着能量的积累，电容的电压增加，最大可达到60V。

当能量收集到一定程度，电压值达标，如40V时，电源管理模块控制调压模块启动进行调压，将40V的电压转换为5V直流电压，5V电压为本实施例中电源管理模块的工作电压，也是电能存储单元的存储电压。

其优点在于：为调压模块的启动提供触发条件，即电源管理模块根据电容器的电压值来触发调压模块的启闭，解决调压模块长期处于启动状态下，自身能耗持续消耗电容器能量的问题，使得电容器在能量收集不足的情况下不至于浪费到调压模块自身的能耗上。

能量采集模块的工作状态和场景如下：

本发明使用的多能量源采集，不同能量源特点不同，需要不同的能量采集策略。

在白天，日照时间长的前提下，太阳能发电单元作为主力发电单元，振动发电单元可采用风致涡激振动模块，在大风环境下或高速公路上，作为主要的能量采集单元采集环境中的风能，温差发电单元多用于潮汐环境或高温环境等特殊中，借助内外温差的能量来发电。

以上采集单元的搭配使用和数量不做限制，根据环境进行搭配组合，可以使用多组一样的采集单元，也可以采用多种组合的采集单元，尽可能的实现全天候的能量采集为主。

各个所述调压模块的输出侧连接至开关矩阵，开关矩阵的输出侧择一连接主储能模块、副储能模块或输出模块，其选择的原理是：电源管理模块检测各能量收集单元的电量情况，决定哪个调压模块可以启动工作；根据电压输出情况决定是否通过开关矩阵为储能模块充电；电源管理单元优先选择从储能模块充电，当从储能模块的电量充满后再给主储能模块充电；电源管理单元根据能量采集和储能模块的情况，决定主储能模块、从储能模块、旁路供电哪一路给用电系统供电；电源管理单元向用电单元给出电量指示信号。

具体的供电策略为：

主储能模块：强调长寿命、低自放电、多充放电循环，但容量相对较小，正常使用时为主用。随充随用，耐反复充放电，使用寿命很长，一般选用超级电容，寿命长（10年+）、容量小（等量换算约想当于10mAh），但是充电放电循环接近于无限次。

从储能模块：强调大容量、低自放电、长寿命，但是充放电循环次数较少，正常使用时为备用，如镍氢电池（可充电池类），寿命长（10年+）、容量大（2000mAh+）、自放电率低（年自放电2%），但是充放电循环次数少（500次左右）。

镍氢电池作为从储能模块，主要做后备使用，可以减少他的充电循环次数，通过对其充电放电深度进行管理，可以延长电池使用寿命，因为电池的过充和过放都会造成电池发热放出氢气，使用寿命折损，通过管理可以免过充和过放。

超级电容为主存储单元，是发挥他的无限充放电次数优点，当自然能源供给正常是使用超级电容来为系统供电，可以满足大多数情况下的需求。当出现多能源不足或用电量骤增等情况时，才使用从存储单元供电。

通过电源管理模块的管理，主从存储单元配合工作，可以延长存储单元的使用寿命，达到长期免维护的目标。

为了降低电源管理模块这一耗电元器件的能耗，所述电源管理模块设置超低能耗模式和正常模式，根据采集到的能量收集模块中电容的电压信号，进行超低能耗模式和正常模式间的切换，如以震动能量采集为例，电压值升高到40V，电源管理模块进入正常模式，启动电压转换等一系列操作，当电压值下降，电源管理模块进入超低能耗模式，仅维持系统的基本运转。所述电源管理模块还包括一供电电源，所述供电电源连接至所述调压模块的输出侧，为其供电维持运行，或连接外部的电源总线，由外部电源供电。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：包括能量采集模块、能量收集模块、调压模块、开关矩阵、电源管理模块、主储能模块、副储能模块和输出模块，所述能量采集模块包括并列设置的至少一个微能量采集单元，每个所述微能量采集单元经整流转换后均连接一个能量收集模块进行能量积累，所述能量收集模块连接调压模块进行调压，所述调压模块的输出侧连接至开关矩阵，开关矩阵的输出侧可选的连接主储能模块、副储能模块或输出模块，所述输出模块包括在储能电池、超级电容和开关矩阵间切换输出的输出开关；所述电源管理模块连接能量收集模块和调压模块，以便根据能量收集模块的储能量控制调压模块的启闭；所述电源管理模块还根据主储能模块、副储能模块和能量收集模块的状态，控制开关矩阵择一连接所述主储能模块、副储能模块和输出模块。

2.根据权利要求1所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：所述微能量采集单元为太阳能发电单元、振动发电单元、温差发电单元中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：所述能量收集模块为电容器。

4.根据权利要求3所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：所述主储能模块为超级电容，所述副储能模块为电池，当所述电源管理模块检测到电容器的电压值较高且稳定时，在保证负载运行稳定的前提下，预先为副储能模块充电，其次为主储能模块充电，再次通过输出模块为负载直接供电；当所述电源管理模块检测到电容器的电压不稳定而导致无法直接通过输出模块为负载供电时，首先使用主储能模块的电能，其次使用副储能模块的电能。

5.根据权利要求4所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：所述副储能模块的电能使用至近一半时，优先为副储能模块充电。

6.根据权利要求5所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：每个能量收集模块分别连接一个调压模块进行调压，所述电源管理模块连接各个电容器以获取电容的电压值，所述电源管理模块连接各个调压模块以根据获得的电容的电压值判断是否启动调压模块。

7.根据权利要求5所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：各个能量收集模块由同一个调压模块调压，所述电源管理模块连接各个电容器以获取电容的电压值，所述电源管理模块连接所述调压模块以根据获得的电容的电压值判断是否启动调压模块。

8.根据权利要求6所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：所述电源管理模块设置超低能耗模式和正常模式，根据采集到的能量收集模块中电容的电压信号，进行超低能耗模式和正常模式间的切换。

9.根据权利要求8所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：所述电源管理模块还包括一供电电源，所述供电电源连接至所述调压模块的输出侧。

10.根据权利要求1-9任一项所述的基于自然能量采集的全天候供电系统，其特征在于：通过以下步骤进行控制：

步骤1）能量采集模块采集环境中的微能量，并通过整流转换模块输出至电容器进行滤波、积累；

步骤2）电源管理模块根据电容器的电压值，触发唤醒电源管理模块的正常模式，然后，电源管理模块控制调压模块启动，将电容器输出的电流的电压调整至需要的电压值；

步骤3）电源管理模块根据主储能模块、副储能模块的电量以及电容器的电压稳定程度，控制开关矩阵的输出侧为主储能模块充电或为副储能模块充电或直接输出至输出模块；

步骤4）电源管理模块根据主储能模块、副储能模块的状态，控制输出模块中输出开关连接主储能模块、副储能模块或开关矩阵。

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