CN111771316A - 用于电池供电装置的补充电力供应装置 - Google Patents

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Abstract

一种电池供电的装置，诸如电动窗上用品，可以为电气负载诸如马达提供电力。所述装置还可包括控制电路与通信电路。除所述电池之外，所述装置可被配置为接收来自补充电源诸如太阳能电池或无线RF电力供应装置的电力，通过所述补充电源向所述控制与通信电路供电。所述装置可包括电压监视器和开关，以智能地控制是所述电池还是所述补充电源正在向所述控制与通信电路供电。

Description

用于电池供电装置的补充电力供应装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年1月5日提交的美国临时专利申请序列号62/614,060的权益，该临时专利申请的公开内容据此以引用方式并入本文。
背景技术
控制装置可包括控制与通信电路，诸如无线通信电路，用于接收来自外部装置或网络的控制指令以控制该控制装置。控制装置还可包括一个或多个电池，用于向控制装置的电气电路例如控制与通信电路供电。电池还可以用于向与控制装置相关联的其他电气电路例如马达、发光二极管指示器等供电。控制装置的电池寿命可主要取决于控制装置的其他电气电路的使用频率。对于控制装置的不经常使用(例如，每天一次或两次)的电气电路，由于通信电路可能需要定期检查新的控制指令，因此控制与通信电路的电力消耗可占电池能量使用的很大一部分。例如，电动窗上用品每天只可以将遮蔽织物升高和/或降低一次或两次，但是当通信电路检查新的控制指令并且在接收控制指令时唤醒控制电路时，控制与通信电路可在一整天内周期性地消耗电力。在一些情况下，即使使用能量损耗降低技术，诸如控制与通信电路的低电力睡眠模式，控制与通信电路可在电池的整个寿命期间使用高达50％或更多的电池容量。
为了延长电池寿命，电池供电控制装置可依靠光伏电池使用太阳能给可再充电电池充电。然而，可再充电电池通常具有有限的循环寿命。另外，太阳能充电方法不是可再充电电池的最佳选择，这进一步限制了循环寿命。因此，需要一种用于电池供电的无线装置的另选的补充电力供应装置。
图1为示例性现有马达供应驱动电路100的简化框图，该马达供应驱动电路可位于空间诸如房间中。马达供应驱动电路100可包含马达106，该马达可用于基于来自控制与通信电路108的控制指令来控制电动窗上用品(未示出)的覆盖材料(例如，织物)的位置。控制与通信电路108可例如经由网络接收来自外部控制装置(未示出)的无线控制指令。马达106可汲取由可再充电电池104供应的供应电压VCC1，以基于所接收的控制指令来控制电动窗上用品的织物的位置。例如，可再充电电池104可向马达106供应12伏(V)。
控制与通信电路108可通过电力供应装置(例如，降压转换器电路110)接收来自可再充电电池104的电力。降压转换器电路110可生成供应电压VCC2。降压转换器电路110可将电池电压VCC1降低至适合于向控制电路供电的量值。例如，降压转换器电路110可将接收自可再充电电池的电池电压VCC1从12V降低至3V，以向控制电路108供电。
可再充电电池104可通过有线连接诸如连接至例如AC壁式插座的电力供应装置，或者另选地通过太阳能电池102，在外部进行充电。太阳能电池102可从空间外部的光(例如，从日光)中收集光能，和/或太阳能电池102可从空间内部的光(例如，从人造光)中收集光能。
虽然由太阳能电池收集的光能可用于通过给可再充电电池104充电来延长电池寿命，但是这种配置可具有若干缺点。首先，可再充电电池可能不是最佳地适合于由光伏电池充电。作为涓流充电电流产生的太阳能电池能量生成的性质可缩短可再充电电池的可使用寿命。其次，可再充电电池比传统的一次性电池更昂贵。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种用于电池供电负载控制装置的补充电力供应装置，并且涉及一种从延长电池寿命的补充电力供应装置向负载控制装置供应电力的方法。补充电力供应装置可基于可再生但不可靠的能源，诸如电磁、声、机械、热或其他类型的能源。例如，补充电力供应装置可以仅向控制电路和通信电路提供电力，而电池向较大的瞬态负载提供电力。虽然本文的实施方案具体描述了电动窗上用品，但本领域的技术人员将认识到，本文所述的补充电力供应装置通常可以应用于任何电池供电负载控制装置，以便延长电池寿命。
附图说明
图1示出了具有可再充电电池和太阳能电池的示例性现有马达供应驱动器的框图。
图2示出了具有电池和补充电源的示例性装置的框图。
图3为由太阳能电池供电的能量存储装置随时间推移的示例性电压曲线。
图4为电压监视器和开关的示例性示意图。
图5为根据实施方案的具有电池和补充电源的装置的示例性框图。
图6A、图6B和图6C为示例性方法，这些示例性方法可由一个或多个监视器电路执行以控制输入和输出开关以及启用和禁用电力转换器电路。
图7A为相对于图6A、图6C所示方法的第一能量存储装置和第二能量存储装置上的电压随时间推移的示例性曲线图。
图7B为相对于图6A、图6B所示方法的第一能量存储装置和第二能量存储装置上的电压随时间推移的示例性曲线图。
图8为基于图5的框图的示例性示意图。
图9示出了具有用于电动窗上用品的无线电力供应源的示例性用户环境。
图10示出了基于射频(RF)信号的示例性补充电力供应装置。
图11示出了根据替代的实施方案的具有电池和补充电源的示例性装置的框图。
图12为根据图11中所述的实施方案的能量存储装置和电池随时间推移的示例性电压曲线。
具体实施方式
如本文所述，负载控制装置可接收来自第一或一次性电源诸如电池的电力，并且输送从该一次性电源得到的电力以向一个或多个电气负载供电。负载控制装置可进一步被配置为接收来自第二或补充电源的电力。负载控制装置可被配置为使得补充电源为任选的电源。例如，补充电源可在外部连接至负载控制装置。另选地，负载控制装置可被配置为使得补充电源与负载控制装置集成在一起。
图2为示例性装置200的框图。装置200可至少包括第一电气负载206和第二电气负载225。第二电气负载225可包括控制电路208和/或通信电路226，但是将认识到它可包括更少的和/或附加的和/或其他的电路部件。作为一个示例，第二电气负载可在低于第一电气负载的电力电压的一个或多个电力电压下操作。在这方面，第二电气负载在本文中可被称为低压电路。作为一个示例，装置200可以为负载控制装置，并且具体地，可以被配置为马达供应驱动电路。在该配置中，电气负载206可包括一个或多个马达和对应的马达供应驱动电路。马达206可联接到电动窗上用品的辊管或驱动轴(未示出)，用于控制电动窗上用品的覆盖材料(例如，织物)的位置。例如，马达可以为直流(DC)马达，该DC马达可在12伏(V)的DC马达电压下操作。典型的DC马达电压可在9V至24V的范围内，但是其他电压也是可能的。为了描述的目的，装置200在本文中将被描述为马达供应驱动电路，该马达供应驱动电路包括被配置为控制电动窗上用品的马达作为电气负载206。尽管如此，电气负载206可以是不同于马达的负载，例如电气负载206可包括一个或多个电气负载，并且装置200可以是除马达供应驱动电路之外的装置。例如，电气负载206可以是传感器电路，诸如占用传感器、环境光传感器、加速度计等。尽管马达206和电气负载225被示出为装置200的一部分，但是应当理解，马达206和/或电气负载225不需要是装置200的一部分，而是可以在装置200的外部。
控制电路208可以控制提供给电气负载206(即，马达)的电力的量。装置200的马达(电气负载206)可以响应于从控制电路208接收的一个或多个控制信号来控制或调节电动窗上用品的覆盖材料的位置。控制电路208可包括一个或多个处理器(例如，一个或多个微处理器)、一个或多个微控制器、一个或多个可编程逻辑器件(PLD)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个专用集成电路(ASIC)或任何合适的处理装置或者其组合中的一个或多个。装置200的第二电气负载225还可包括一个或多个存储器模块(“存储器”)(未示出)，包括易失性和/或非易失性存储器模块，其可包括不可移动存储器模块和/或可移动存储器模块。存储器可以通信地耦合到控制电路208。不可移动存储器可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘或任何其他类型的不可移动存储器存储装置。可移动存储器可包括订户身份模块(SIM)卡、存储器棒、存储器卡或任何其他类型的可移动存储器。存储器可存储包括可以由控制电路208执行的指令的一个或多个基于软件的控制应用。控制电路208在执行此类指令时可执行信号编码、数据处理、电力控制、输入/输出处理和/或使控制电路208能够如本文所述执行的任何其他功能性。
控制电路208可接收来自通信电路226的消息。通信电路226可以是有线和/或无线通信电路。例如，通信电路226可包括射频(RF)收发器，其耦合到天线以发射和/或接收RF信号。通信电路226可经由Wi-Fi通信链路、Wi-MAX通信链路、
Figure BDA0002650188020000061
通信链路、
Figure BDA0002650188020000062
链路、近场通信(NFC)链路、蜂窝通信链路、电视空白空间(TVWS)通信链路、专有协议(例如，
Figure BDA0002650188020000063
协议)或者它们的任何组合进行通信。通信电路226可经由本文所述的这些协议中的任何协议接收来自外部控制装置(例如，远程控制装置)的消息。
通信电路226可以可操作地连接至控制电路208。控制电路208可基于所接收的消息来生成用于控制马达206的控制信号。例如，通信电路226可接收来自外部控制装置的消息。消息可由通信电路226通过有线或无线通信链路接收。例如，远程控制装置可向通信电路226无线发送命令消息以升高电动窗上用品的织物，并且控制电路208可基于所接收的命令来控制马达206来升高或降低织物。作为另一示例，控制电路可执行指令(例如，时钟计划表)并且独立于经由通信电路226接收的消息来控制马达206以升高或降低织物。
尽管已经根据通信电路226描述了通信，但是本领域的技术人员将容易理解，通信电路可以另选地和/或另外地与控制电路集成以实现相同的效果。
例如，第一电气负载/马达206和由通信电路226和控制电路208组成的第二电气负载225可以由提供电池电压V电池的电池204供电。电池204可以为一次性电池。另选地，电池204可以为可再充电电池。例如，电池204可以是单个电池，或者它可以是包括串联连接的多个电池的电池组。电池组的一个或多个电池可以被配置为提供足够的电压来向马达供电。例如，当电池204为电池组时，它可包括八个串联耦合的D型电池以向马达提供12伏。装置200可包括电池壳体，一个或多个电池可以插入或连接至该电池壳体。
电池204可以通过可控开关214向第二电气负载225的控制电路208和通信电路226供电。当可控开关214处于第一位置或第一状态时，电池204可以向第二电气负载225提供电力。如图所示，可将电力转换器电路216诸如降压转换器电路串联放置在控制电路208与通信电路226和可控开关214之间。另选地，电力转换器电路216，即降压转换器电路，可被串联放置在电池204和开关214之间，以降低用于向控制电路208和通信电路226提供电力的电池电压V电池(例如，在图2中的位置A处)。例如，来自电池204的电池电压V电池可以是12伏以使马达206运行，并且电力转换器电路216可以将电池电压V电池降低至较低的DC供应电压VCC，诸如3伏，以向控制电路208和通信电路226供电。电力转换器电路216可以是开关电力供应装置或其他合适的电路，用于以高转换效率将电压下调。例如，由Texas Instruments制造的芯片TSP62120是可使用的效率为96％的示例性降压转换器芯片。线性调节器可以另选地用来降低电压；然而，电压转换期间的低电力效率可缩短电池寿命。
另选地，马达供应驱动电路200可以不包括电力转换器电路216，使得电池电压V电池可经由开关214直接耦合到控制电路208和通信电路226。在该配置中，马达供应驱动电路200可包括升压电路(未示出)，通过该升压电路可以向马达206供应电压。升压电路可以串联耦合在电池204和马达206之间(例如，在图2中的位置B处)。例如，电池204可将电池电压V电池以低量值提供给控制电路208和通信电路226，并且升压电路可从电池电压V电池生成升压电压，其中该升压电压具有适合于使马达206运行的量值，例如12V。电池电压V电池的低量值可在1伏-5伏的范围内。例如，控制电路208和通信电路226可由3.3V的低电压供电。将认识到其他配置也是可能的。
另外，尽管未示出，但是应当理解，装置200可包括一个或多个附加的电池，即备用电池，其可用于在一次性电源故障的情况下(即，电池电压V电池不足以向一个或多个电气负载206、225供电)运行日期/时间时钟和/或存储器以保持该存储器。
马达供应驱动电路200可以另外包括补充电力供应装置220。补充电力供应装置220可生成用于向第二电气负载225(在此为控制电路208和通信电路226)供电的补充电压V供应。通信电路226可以周期性地唤醒以寻找控制命令，和/或控制电路224可以运行可消耗来自补充电力供应装置220的电力的计时器等。补充电力供应装置220可减轻控制电路208和通信电路226在电池204上的电力汲取负担。这样，补充电力供应装置220可以显著延长电池204的寿命。例如，如果马达供应驱动电路200的电池204是具有八个串联耦合的D型电池的电池组，并且马达供应驱动电路200将三英尺宽乘五英尺长的遮蔽织物升每日降低并且升高两次，电池204的寿命可为约三年。如果相同的马达供应驱动电路200(例如，具有相同的电池组并且在相同的条件下操作)包括补充电力供应装置220，则电池可具有超过七年的延长寿命。
补充电力供应装置220可经由端子224连接至马达供应驱动电路200。端子224可以是电路迹线或机械触点，诸如端子块、电线连接器、金属接触垫或任何其他合适的机械接触机构。补充电力供应装置220可以与马达供应驱动电路200集成在一起(例如，在相同的外壳中)，或者该补充电力供应装置可以是任选地提供给用户并且由该用户安装在马达供应驱动电路200外部的附加电力供应装置。补充电力供应装置220可设置在马达供应驱动电路200的外部，以降低不需要补充电源的用户的马达供应驱动电路的成本。当向控制电路和通信电路供应电力时，补充电源可以为控制电路提供足够量的电力以向电气负载提供命令。例如，当控制电路由补充电力供应装置供电时，控制电路可以向电气负载206(即，马达)发送一个或多个控制命令。
补充电力供应装置220可包括补充电源202。补充电力供应装置220可以另外包括能量存储装置212。能量存储装置212可以存储由补充电源202提供的能量，并且提供补充电压V补充。在一个实施方案中，能量存储装置212可以是超级电容器。例如，超级电容器可以是双电层电容器(ELDC)、超电容器或Goldcap。超级电容器可具有几十法拉的电容，以便存储来自补充电源202的足够的电荷。例如，超级电容器可具有50法拉(F)的电容，并且平均每天可以存储200焦耳(J)的能量。将认识到其他示例也是可能的。例如，能量存储装置可以是另一种类型的电容器，诸如钽或电解电容器；可再充电电池；或者任何其他类型的能量存储装置。
补充电源202可以是可再生电源。因此，由补充电力供应装置220生成的补充供应电压V供应可以是不可靠的。例如，补充电源202可以是一个或多个太阳能电池或一个或多个光伏(PV)电池，即PV模块。由一个或多个PV电池提供的用于对能量存储装置212充电的电力可取决于提供给一个或多个PV电池的光的强度、频率和持续时间。例如，一个或多个PV电池可在日落之后在夜间不对能量存储装置212充电。
一个或多个PV电池可以由非晶硅或晶体硅、有机光伏材料或任何其他任何合适的光伏材料制成。一个或多个PV电池的特征可以在于以最大效率传输电力的最佳电压。例如，当电池保持在5V的输出电压下时，由六个非晶硅电池构成的PV模块的总有效面积为约34mm×142mm，在间接阳光照射下，可以生成5毫安(mA)的电流。
作为另一个和/或附加的示例，补充电源202可以是无线电力供应装置。无线电力供应装置可包括接收器，诸如从远程定位的发射器接收电磁能量的天线。例如，电力发射器可以插入电气插座中，并且经由电力发射器内的发射天线从电气插座发射电力。无线电力供应装置可具有与发射天线相对应的接收天线，该接收天线从电力发射器接收电力并且将能量存储在能量存储装置212中。对用于电动窗上用品的无线电力供应装置在2017年3月31日提交的标题为“Wireless Power Supply for Electrical Devices”的美国专利申请号15/471,991中进行了更详细的描述，该专利申请的全部公开内容以引用方式并入本文。其他示例性无线电力供应装置也是可能的。
作为另一个和/或附加的示例，补充电源202可以是从环境接收能量并且将该能量转换成电能的任何其他合适的接收器。例如，补充电源202可以从环境接收电磁、声、机械、热或其他类型的能量，并且收集该能量以提供电能来对能量存储装置212充电。
由于补充电源202的不可靠的性质(例如，如果不存在光来向一个或多个PV电池供电)和/或者如果补充电力供应装置220是可能未安装到马达供应驱动电路200的任选供应装置，则马达驱动供应电路200可包括监视器电路218，用于在可以从补充电力供应装置220经由连接224向控制电路208和通信电路226提供电力之前监视和确定补充供应电压V供应的量值。由补充电力供应装置220提供的补充供应电压V供应可以通过可控开关214向控制电路208和通信电路226供电。当安装补充电力供应装置220时，监视器电路218可检测或确定补充供应电压V供应的量值是否为待耦合到电力转换器电路216的合适的量值。当监视器电路218检测到或确定补充供应电压V供应的量值是合适的量值时，它可以将开关214控制到第二位置，从而将补充供应电压V供应连接至电力转换器电路216。开关214可以接收来自监视器电路218的控制命令，然后，该开关可以断开由电池204供应给控制电路208和通信电路226的电池电压V电池，以允许由补充电力供应装置220提供的补充供应电压V供应向控制电路和通信电路供电。
当监视器电路218检测到或确定补充供应电压V供应的量值不是合适的量值时(例如，由于不存在补充电力供应装置220或由于能量存储装置212没有充分充电)，监视器电路218可以控制开关214以将来自电池204的电池电压V电池连接至电力转换器电路216。开关214可以接收来自监视器电路218的控制命令，然后开关可以返回到第一位置(例如，第一状态)，从而断开由补充电力供应装置220供应给控制电路208和通信电路226的补充供应电压V供应，以允许由电池204提供的电池电压V电池向控制电路和通信电路供电。
作为一个示例，监视器电路218可以是电压监视器电路。监视器电路218可以使用比较器或其他合适的模拟电路来监视补充供应电压V供应。例如，在电力转换器电路216位于位置B的情况下(即，电池204可以直接向电气负载225供电)，监视器电路218可以将补充供应电压V供应的量值与电池204所提供的电池电压V电池的量值进行比较。例如，当补充供应电压V供应的量值小于电池电压V电池的量值时，监视器电路218可以控制开关214，使得来自电池204的电池电压V电池被提供给控制电路208和通信电路226(即，将开关214保持在第一位置)。例如，当补充供应电压V供应的量值大于或等于电池电压V电池的量值时，监视器电路218可以控制开关214，使得来自补充电力供应装置220的补充供应电压V供应被提供给控制电路208和通信电路226。将认识到其他配置也是可能的。例如，当电力转换器电路216位于图2的位置A时，可以将电力转换器电路216的输出(与V电池相对)与V补充进行比较。
根据另一个示例，在电力转换器电路216如图2所示连接在开关214和电气负载225之间的情况下，监视器电路218可包括箝位电路和锁存器电路。监视器电路218可以操作为将补充电力供应装置220的补充供应电压V供应的量值保持在一定范围内。监视器电路218可以将对电力转换器电路216的输入电压保持在最小阈值以上和/或最大阈值以下。例如，监视器电路218可以将补充供应电压V供应的量值与最小和最大阈值进行比较。当监视器电路218确定补充供应电压V供应的量值达到和/或高于最大阈值时，锁存器电路可以接合，从而使监视器电路218将开关214配置为(例如，将开关转动到第二状态或接通状态，即转动到第二位置)从补充电力供应装置220向电力转换器电路216提供电力。锁存器电路可以保持接合，直到补充供应电压V供应的量值达到和/或降低至最小阈值以下为止，其中监视器电路218的锁存器电路可以脱离接合，从而使监视器电路218将开关214配置为(例如，将开关转动到第一状态或关断状态，即转动到第一位置)以从电池204向电力转换器电路提供电力。
另外，当监视器电路218确定补充供应电压V供应的量值达到和/或高于最大阈值时，监视器电路218的箝位电路可以将补充供应电压V供应箝位为不超过最大阈值。
可以选择最大和最小阈值以确保补充电源202在最大电力传输的区域中操作。例如，假设补充电源是如上所述的非晶硅太阳能电池，则其可以在约5V下最有效地操作。因此，最大阈值可以被设定成接近例如5V(例如，4.9V)。当与50法拉的超级电容器一起用于能量存储装置212时，监视器电路218可操作为确保超级电容器的输出电压V供应不降低至4.2V的最小阈值以下，例如，以使太阳能电池的效率最大化。如果输出电压降低至最小阈值以下，则监视器电路218可以控制开关214以从电池204(例如，而不是能量存储装置212)向控制电路208和通信电路226供电。
尽管在本文中已将监视器电路218描述为电压监视器，但是本领域的技术人员将认识到可以使用其他类型的监视器电路。例如，库仑计数器可以另选地用作由补充电力供应装置220提供的电流的监视器。
开关214可包括电子开关或晶体管，诸如场效应晶体管(FET)或双极结型晶体管(BJT)。
图3为当由太阳能电池或光伏电池供电时跨能量存储装置诸如超级电容器产生的供应电压V供应的量值随时间推移的示例性曲线300。例如，光伏电池可在约5伏的电压下向能量存储装置提供最大的电力传输。偏离该最佳电压可致使从光伏电池到能量存储装置212的能量传输效率降低。因此，供应电压V供应的量值可由电路(例如，监视器电路218和开关214)控制，以将供应电压的量值保持在最大阈值Vmax和最小阈值Vmin之间。最大电压阈值Vmax和最小电压阈值Vmin可确保实现从光伏电池到能量存储装置的最大电力传输。
当在第1天的早晨在例如阳光入射到光伏电池上时，光伏电池可以开始充电，如302处所示。由光伏电池生成的电流可以开始给能量存储装置212充电。如前所述，根据该示例，当在304处能量存储装置的电压达到最大阈值Vmax(例如，由监视器电路218设定的最大阈值)时，监视器电路218可以将供应电压的量值锁存并且箝位在最大阈值Vmax。当锁存器接合时，开关电路214可以将状态改变到第二位置以将来自能量存储装置212的电力提供给电力转换器电路216，并且电池204可以不再向电力转换器电路提供电流。
随着第1天结束时阳光的量开始减少，当电力转换器电路216继续从能量存储装置汲取电力时，能量存储装置212上的供应电压V供应的量值也可以减小，如306处所示。在能量存储装置上的供应电压的量值保持在最小阈值Vmin以上时，锁存器和开关可以保持接合，并且电力转换器电路216可以继续接收来自能量存储装置的电力。
在第2天期间，随着入射到光伏电池上的阳光的增加，能量存储装置212上的供应电压V供应的量值可在308处达到最大电平。如果外面多云，则能量存储装置上的供应电压的量值可能达不到最大阈值Vmax，并且箝位电路可能不接合。然而，由于供应电压的量值保持在最小阈值Vmin以上，因此锁存器电路可仍处于接合状态，并且开关可继续从能量存储装置212向电力转换器电路提供电力。因此，在该点308处，电池204可不向电力转换器电路提供电力。
随着入射到光伏电池上的阳光的减少，能量存储装置212可以继续放电，并且能量存储装置212上的供应电压V供应的量值可在310处达到最小阈值。根据该示例，当能量存储装置212上的供应电压V供应的量值降低至最小阈值Vmin以下时，监视器电路218的锁存器电路可以解锁存，从而使开关214将状态改变到第一位置，从而将电力转换器电路连接至电池204，而不是能量存储装置212。
当光伏电池再次对能量存储装置充电时，随着能量存储装置212上的供应电压V供应的量值增加，开关214可保持在该位置(即，将电力转换器电路216连接至电池204)。开关214可以不被耦合来从能量存储装置212向电力转换器电路216提供电力，直到能量存储装置上的供应电压V供应的量值再次达到例如最大阈值Vmax，从而接通箝位电路和锁存器电路并且将开关配置为从能量存储装置212供应电力。
在装置200的大部分寿命期间，锁存器电路可以保持接合，并且开关214可以经由能量存储装置212向电力转换器电路提供电力。例如，能量存储装置可以在装置寿命的95％以上的时间向电力转换器电路提供电力。只有在几天的低阳光利用率之后，监视器电路218才可能切换为由电池204向电力转换器电路供电。
图4示出了装置400，该装置是图2的装置200的示例性具体实施，其中以示意性形式描绘了监视器电路218(在该示例中为电压监视器电路)和开关214以及电池204。装置400还包括图2的部件，诸如补充电源202(在该示例中示出为光伏电池405)、能量存储装置212(例如，在该示例中示出为能量存储装置412，并且由超级电容器C2、C4组成)、电力转换器电路216、和第一电气负载206以及第二电气负载225。所示出的电路可以设定光伏电池405的阻抗。由电力转换器电路216向第二电气负载225(例如，控制电路208、通信电路226和/或其他低压电路)提供电压，该电力转换器电路将来自电池204或能量存储装置412的电压降低至适当的水平，用于如先前所述向第二电气负载225供电。
图4中所述的所有电压均参考图4中示出为406的电路公共端进行测量。电池204基于p-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS FET)Q3的状态，可以向或可以不向电力转换器电路216提供电压。例如，当FET Q3导通时，电池204可以向电力转换器电路216提供电压。当能量存储装置412没有足够的电荷来向电力转换器电路216提供电力时，例如当能量存储装置412所存储的补充供应电压V供应的量值低于最小阈值时，FET Q3可以被导通以从电池204提供电池电压V电池。
当暴露于光时，光伏电池405可生成电压和电流。当光伏电池405生成电压时，例如NPN双极结型晶体管(BJT)Q5可以开始传导电流，从而给超级电容器C2、C4充电。电阻器R7可以放置在晶体管Q5的集电极和基极之间。为了使晶体管Q5传导电流经过集电极-发射极结(例如，使晶体管“导通”)，应该将电阻器R7的电阻选择为足够小的值，以使晶体管Q5的基极-集电极结仅具有小的反向偏置，从而使晶体管Q5能够自驱动。例如，电阻器R7可具有大约700欧姆的值。
当由光伏电池生成的电压增加并且超过最大阈值Vmax时，电压监视器电路的由例如PNP双极结型晶体管(BJT)Q7、可调分路调节器VR1、电阻器R1和电阻器R3组成的箝位电路可以起到对传导经过晶体管Q5的电流进行节流的作用。箝位电路可以通过改变Q5的阻抗并且导通晶体管Q7以分开由光伏电池提供的电流的路径来减慢超级电容器C2、C4通过晶体管Q5充电的速率。流过晶体管Q7的电流可以由电阻器R11限制，而流过可调分路调节器VR1的电流可以主要由跨晶体管Q7的基极-发射极结的电压降(即，跨电阻器R5的电压降)设定。晶体管Q5的阻抗可以增加以允许保持箝位电压所需的最小电流，从而减小从光伏电池405提供给超级电容器C2、C4的输出电流。
例如，当光伏电池的电压增加时，跨电阻器R1、R3产生的电压也可以增加。电阻器R1和R3的结点402处的电压可以设定提供给可调分路调节器VR1的参考电压输入。参考电压输入可以设定可调分路调节器VR1的击穿电压阈值。可以选择电阻器R1、R3的电阻值，以在电阻器R1、R3的结点402处提供适当的击穿电压阈值用于可调分路调节器VR1。例如，击穿电压阈值可以为1.25伏。
例如，可调分路调节器VR1可以是由Texas Instruments制造的零件号TLV431。可调分路调节器VR1可以通过控制光伏电池所生成的流过晶体管Q5的电流来调节超级电容器上的补充供应电压V供应。当由光伏电池生成的光伏电池电压超过最大阈值时，R5和VR1的结点处的电压可超过节点402处的由电阻器R1和R3设定的可调分路调节器VR1的击穿电压。可调分路调节器VR1然后可以开始将电流从晶体管Q7的基极传导至电路公共端406，同时将电压箝位到最大阈值。当可调分路调节器VR1从晶体管Q7的基极传导电流时，晶体管Q7可导通并且开始传导电流。晶体管Q7可从晶体管Q5汲取基极电流，从而使Q5以线性模式操作。当Q5以线性模式操作时，集电极-发射极之间的阻抗可增加以限制从光伏电池到超级电容器的充电电流，从而将电压箝位并且将补充供应电压保持在最大阈值Vmax处或最大阈值Vmax以下。当流过晶体管Q5的电流减小时，晶体管Q5可在其线性有源区域中操作，从而向光伏电池提供高阻抗，并且减小来自光伏电池的给超级电容器C2、C4充电的电流。
当晶体管Q7开始传导电流时，电流可以触发例如NPN双极结型晶体管Q11以便也开始传导电流。晶体管Q11与例如PNP双极结型晶体管Q9、电阻器R9、电阻器R13和电容器C6一起可以用作锁存器电路。当箝位电路与锁存器电路接合时，锁存器电路可用于将Q3保持在截止状态，直到超级电容器C2、C4上的电压V供应降低至最小阈值以下。当超级电容器C2、C4上的电压V供应降低至最小阈值以下时，锁存器电路可以导通Q3，从而移除从超级电容器到电力转换器电路216的电力消耗。
可以设定最小阈值以保持从光伏电池405到超级电容器C2、C4的最大电力传输，使得超级电容器可以不放电到最佳最大电力传输范围以下。例如，最小阈值可被设定为4.2V。当超级电容器C2、C4上的电压超过最大阈值(例如，4.9V)时，锁存器电路可通过先前描述的箝位电路进行接合，其中可调分路调节器VR1使晶体管Q7导通，从而触发锁存器电路的晶体管Q11。
电容器C6可以保护锁存器电路免受噪声和错误锁存的影响。电容器C6可具有例如0.1微法拉(μF)的电容。当晶体管Q11传导电流时，晶体管Q9也可以传导电流，这驱动晶体管Q11保持导通或锁存。例如，当没有阳光为光伏电池405充电时(例如，光伏电池的电流生成最小)，锁存器电路可通过由电阻器R9、晶体管Q9和电阻器R13限定的路径从超级电容器C2、C4汲取少量电流，以便将晶体管Q11保持在锁存状态。因此，电阻器R9的电阻应被选择为足够大以限制电流汲取，以免耗尽超级电容器C2、C4。例如，电阻器R9可具有400KΩ的电阻。
锁存电路的特征可以在于解锁存电压V解锁存，该电压可被定义为晶体管Q11从“导通”(或锁存状态)转变为“截止”(或解锁存状态)的补充供应电压V供应(即，跨超级电容器C2、C4的电压)。解锁存电压V解锁存可以根据以下示例性方程式计算：
Figure BDA0002650188020000171
其中VBE,Q11是当晶体管Q11导通时跨晶体管Q11的基极-发射极结的电压(也是跨电阻器R13的电压)；R13和R9分别是电阻器R13、R9的电阻；并且VCE,Q9是当晶体管Q9传导电流时，跨晶体管Q9的集电极-发射极结的电压。解锁存电压V解锁存等于将锁存器电路保持在锁存状态所需的最小补充供应电压。解锁存电压V解锁存可被选择为等于超级电容器C2、C4的最小阈值。例如，解锁存电压V解锁存可以为约4.2V。可以通过将电阻器R9和R13的电阻设定为适当的值来设定解锁存电压V解锁存。例如，如果集电极-发射极电压VCE,Q9为0.1V，基极-发射极电压VBE,Q11为0.5V，并且电阻器R9的电阻R9为400KΩ，则电阻器R13的电阻R13可以为56KΩ，以将解锁存电压V解锁存设定为4.2V。
可以添加附加的电路元件以增加锁存器电路的功能性。例如，二极管D6可包括在锁存器电路中，以防止晶体管Q9的基极-发射极结的反向偏置。
当超级电容器C2、C4上的电压V供应降低至最小阈值以下(例如，V供应小于解锁存电压V解锁存)时，晶体管Q11可以停止传导电流。例如，当超级电容器C2、C4的电压降低至最小阈值(例如，4.2伏)以下时，可以从电池204向电力转换器电路216提供电力。电池204可以通过电子开关(例如FET Q3)和二极管D2连接至电力转换器电路。二极管D2可以用于保护电路不受反向电压影响，例如在用户已经将电池向后插入电池保持器中的情况下。当超级电容器C2、C4不包含足够量的能量时，电池204可以向降压转换器电路提供电压。
当晶体管Q11截止时，晶体管Q11的集电极-发射极结可具有高阻抗。跨集电极-发射极结的晶体管Q11的高阻抗可导致FET Q1的栅极被电阻器R15偏置为高电平，这有效地将FET Q1的栅极电压上拉至约为电池204的电池电压V电池。然后，当晶体管Q11截止时，FET Q1可以开始导通。可以将电阻器R15的电阻选择为足够高的电阻，以便在FET Q11导通时不耗尽电池。例如，电阻器R15可具有2.2MΩ的电阻。同样，电阻器R17也可以具有高电阻，以在FET Q1导通时不耗尽电池204。例如，电阻器R17可具有1MΩ的电阻。
晶体管Q1可以是增强模式n-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS FET)。当FET Q1导通并且开始传导电流时，FET Q3的栅极可被下拉至电路公共端。FET Q3然后可以开始传导电流，从而将电流从电池204提供给电力转换器电路216。当Q3导通时，二极管D4可以防止来自电池的电流给超级电容器C2、C4充电。可以由电池204继续为电气负载二(即，控制电路208和通信电路226)供电，直到光伏电池405上的电压超过最大阈值，从而接合箝位电路以使Q7导通，这使得Q11导通并且启用锁存电路。当启用锁存电路时，Q1的栅极被拉至电路公共端，从而使Q1截止，这使Q3截止，使得电池204不再向电力转换器电路216提供电力。
装置400的配置是示例，并且其他示例性配置是可能的。另外，虽然装置200和装置400在本文中被描述为包括用于监视器电路218的电压监视器，如前所述，但是可以另选地使用电流监视器。
图5为另一个示例性装置500的框图。装置500可类似于图2的装置200，因为装置500可具有电池和/或电池壳体504以及补充电源502(例如，诸如太阳能电池)。然而，与装置200不同，装置500可包含两个补充电力供应装置，用于存储来自能量存储装置的能量，如将在本文中描述的。应当注意，所示出的粗线表示电力连接，与表示通信线的较细线区分开。
装置500可连接至第一电气负载506并且向该第一电气负载提供电力。例如，电气负载506可包括H桥马达驱动电路和用于驱动电动窗上用品的织物的马达。另选地，电气负载506可以是传感器，诸如阳光或占用传感器、遥控器、HVAC负载等。装置500还可包含第二电气负载525。电气负载525可以是内部电气负载。例如，电气负载525可包括内部电路，诸如控制电路508和通信电路526。包括通信电路和控制电路的电气负载525可以处理装置500的通信和电力管理，以及电气负载506的功能。
装置500可包含电池和/或电池壳体504。电池可被容纳在电池壳体内，该电池壳体可以被集成到装置500中或者可以在装置500的外部。装置500的电池504可以向第一电气负载506和第二电气负载525中的一者或两者提供电力。例如，类似于图2所示的装置200，装置500的电池504可以提供电压V电池以通过路径B向电气负载506供电。电池504可以另选地或另外地通过路径A向电气负载525提供电力，如将在本文中更详细地讨论的。
如所描述的，装置500可包含补充电源502。补充电源可以是例如光伏电池。其他示例也是可能的。
装置500的补充电源可以向第一能量存储装置和/或第二能量存储装置诸如图5所示的第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B提供电力。第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B可以向电气负载506和电气负载525中的一者或两者提供电力。即，补充电源502可经由第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B向电气负载506和/或电气负载525中的一者或两者提供电力，如将在本文中更详细地描述的。
可以经由电力轨VCC向电气负载525(即，控制电路508和通信电路526)提供电力。可通过第一电力转换器电路516A提供电力轨VCC。第一电力转换器电路516A可以接收来自输出开关514B的电力，该输出开关可通过在第一能量存储装置512A和电池504中的任一者之间切换来控制提供给第一电力转换器电路516A的电力的源。即，输出开关514B可以改变状态(或位置)以改变提供给第一电力转换器电路516A的电力源。当输出开关514B处于第一状态(或第一位置)时，电池504可通过路径A通过所示出的输出开关514B、向第一电力转换器电路516A提供电力向电压轨VCC提供电力，然后向电气负载525提供电力。例如，当输出开关处于第二状态(或处于第二位置)时，第一能量存储装置512A可以向电压轨VCC提供电力，从而通过第一电力转换器电路516A向电气负载525供电。
第一电力转换器电路516A可以调节从输出开关514B接收的电力，以向电力轨VCC提供适当量的电力，用于向电气负载525的控制电路508和通信电路526供电。例如，电池504可提供可以超过电气负载525的电压阈值VCCmax的电压。例如，电池504可以按照马达的要求提供5V或6V的电压，而电气负载525可能仅需要2.5V或3V的电力轨VCC电压。当输出开关514B所接收的电力的电压对于控制电路508和/或通信电路526而言过高时(即，所接收的电压超过VCCmax)，第一电力转换器电路516A可以降低由输出开关接收的电压。例如，第一电力转换器电路516A可以是降压转换器。例如，当VCCmax为3.5V时，降压转换器可以将由输出开关514B接收的电压降低至较低的水平，诸如2.5V或3V。另选地，电力转换器电路516A可以是线性调节器、电阻分压器电路等；然而，应当理解，这些替代的部件可比降压转换器消耗更多的电力。
如前所述，装置500还可以包含第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B，分别用于存例如储由补充电源502提供的电力。例如，第一能量存储装置和第二能量存储装置可以是电容器，诸如超级电容器，类似于图2的能量存储装置212。另选地，第一能量存储装置和第二能量存储装置可以是可再充电电池或任何其他电能存储装置。
补充电源502可以经由输入开关514A向第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B中的一者或两者提供电力。输入开关514A可改变状态(或位置)以改变哪个能量存储装置接收来自补充电源的电力。例如，当输入开关514A处于第一状态(或第一位置)时，补充电源502可以向第二能量存储装置512B提供电力。例如，当输入开关514A处于第二状态(或第二位置)时，补充电源502可以向第一能量存储装置512A提供电力(即，用于给第一能量存储装置充电)。根据该配置，输入开关514A可以只允许或第一能量存储装置或第二能量存储装置接收来自补充电源的电力。即，第一能量存储装置和第二能量存储装置可能不会同时接收来自补充电源的电力。
装置500可包含第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B。第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B可以分别由第一监视器电路518A和第二监视器电路518B监视。尽管未示出，但是第一监视器电路和第二监视器电路可以与控制电路508通信。另外或另选地，第一监视器电路518A和第二监视器电路518B可以与控制电路508集成。例如，第一监视器电路518A和第二监视器电路518B可以分别是控制电路上的模数(A/D)端口。或者，第一监视器电路518A和第二监视器电路518B可包括独立电路。
第一能量存储装置512A可以由第一监视器电路518A监视。第一监视器电路518A可监视第一能量存储装置512A的电压或能量水平。例如，第一监视器电路518A可监视第一能量存储装置512A的电压电平V1。第一监视器电路518A可以响应于测量的电压或能量水平进一步控制一个或多个开关514A、514B，如将在本文中更详细地讨论的。例如，第一监视器电路518A可监视第一能量存储装置512A的电压，并且将所测量的电压V1与一个或多个阈值进行比较。基于比较，第一监视器电路518A可以向输入开关514A提供控制信号以改变输入开关的状态，从而允许将来自补充电源502的电力提供给或第一能量存储装置512A或第二能量存储装置512B。第一监视器电路518A可以用于保持第一能量存储装置512A的最佳电压电平，如将在本文中更详细地描述的。
在第二示例中，当第一监视器电路518A将所测量的电压V1与一个或多个阈值进行比较时，基于该比较，第一监视器电路518A可以向输出开关514B提供控制信号以改变输出开关514B的状态。例如，第一监视器电路518A可以监视第一能量存储装置512A上的电压，并且可以确定该电压是否降低至第一阈值以下。响应于确定第一能量存储装置512A上的电压已降低至第一阈值以下，监视器电路518A可以将控制信号提供给输出开关514B以改变输出开关514B的状态，从而允许将来自电池504的电力提供给第一电力转换器电路516A。
如果电压V1超过第一阈值，并且进一步超过大于第一阈值的第二阈值，则第一监视器电路518A进一步可以将输入开关514A的状态改变为第一状态，以从补充电源502向第二能量存储装置512B提供电力。在本文中将更详细地讨论该示例以及其他示例。
如前所述，当输入开关514A处于第一状态(或第一位置)时，第二能量存储装置512B可以接收来自补充电源502的电力。存储在第二能量存储装置512B中的能量可用于通过第二电力转换器电路516B向电气负载506供电。第二电力转换器电路516B可具有输出电压V输出。第二电力转换器电路516B可以例如是升压电路。升压电路可以增加或升高由第二能量存储装置512B供应的电压V2，使得输出电压V输出超过由电池504供应的电压V电池。当输出电压V输出超过V电池时，电池504可以停止向电气负载506提供电力，并且第二能量存储装置512B可以向电气负载506提供电力。这通过使用两个二极管进行了描绘，然而，应当理解，有源电路诸如有源开关可以另选地用于将供应给电气负载506的电力从V电池切换为V输出，且反之亦然。
装置500可具有第二监视器电路518B以监视第二能量存储装置516B。第二监视器电路518B可监视第二能量存储装置512B上的电压，例如电压V2的量，并且可基于第二能量存储装置512B上的电压量来启用或禁用第二电力转换器电路516B。例如，仅当第二能量存储装置512B包含足够量的电力时，第二能量存储装置512B才可以向电气负载506供电。这样，装置500可以基于如由第二监视器电路518B所监视的第二能量存储装置512B的电压电平来启用或禁用第二电力转换器电路516B，以选择性地从第二能量存储装置512B向电气负载506供电。
如所描述的，第二监视器电路518B可以监视第二能量存储装置512B上的电压V2，并且可将所测量的电压V2传送至控制电路508。基于从第二监视器电路518B接收的通信，控制电路可将电压与第三阈值和第四阈值进行比较以确定该电压是否超过第三阈值和/或第四阈值。基于该确定，控制电路可确定第二电力转换器电路512B是应该被启用还是被禁用(即，第二能量存储装置512B是否包含足够的电荷，如通过电压V2的量所测量的)。例如，如果控制电路508确定电压V2小于第三阈值，则第二电力转换器电路516B应该保持禁用以允许电池向第二电气负载供电。然而，如果控制电路508确定第二能量存储装置上的电压V2超过第三阈值和第四阈值，则控制电路508可确定启用第二电力转换器电路516B，以允许电气负载506由第二能量存储装置512B而不是电池504供电。第三阈值可被设定成使得当第二电力转换器电路516B被启用时，由第二电力转换器电路输出的电压V输出超过电压V电池，从而允许第二能量存储装置替代电池504向电气负载506提供电力，如前所述。
响应于确定应该启用或禁用第二电力转换器电路516B，控制电路508可经由一个或多个消息与第二监视器电路518B通信以启用或禁用第二电力转换器电路516B。响应于该通信，第二监视器电路518B可以启用或禁用第二电力转换器电路516B。例如，当由监视器电路518B测量的电压V2超过第四阈值时，控制电路508可以与第二监视器电路518B通信以启用第二电力转换器电路516B。然后，第二监视器电路518B可以启用第二电力转换器电路，从而从第二能量存储装置512B向电气负载506供电。尽管未示出，但是应当理解，可包括附加的驱动电路例如马达驱动电路以驱动电气负载，如前所述。
图6A-图6C描绘了可由第一监视器电路518A和/或第二监视器电路518B执行以控制开关514A、514B和第二电力转换器电路516B的方法的示例性流程图。图7A、图7B示出了第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B随时间推移的示例性电压，将配合图6A-图6C进行描述。对于该示例，输入开关514A可在第二状态下开始，其中补充电源502可以向第一能量存储装置512A提供电力。此外，输出开关514B可以在第一状态下开始，其中电池504可以向第一电力转换器电路516A提供电力。另外，第二电力转换器电路516B可以被禁用。因此，当第一能量存储装置从补充电源接收电力时，第一能量存储装置512A的电压V1可在图7A的点702A处增加，并且不提供第一电力转换器电路516A的输出电力。对应地，当第二能量存储装置512B不接收来自补充电源502的电力，也不向第二电力转换器电路516B提供电力时，第二能量存储装置的电压V2可在点702B处保持基本恒定。
第一监视器电路和第二监视器电路可以分别对电压V1、V2进行采样或测量。例如，第一监视器电路和第二监视器电路可以周期性地(例如每毫秒一次)对电压进行采样。每当第一监视器电路和/或第二监视器电路对电压V1和/或V2进行采样时，可执行方法6A-C中的一个或多个。时间T1、T2、T3、T4、T5和T6可指示可执行方法6A-C时的示例性时间。应当理解，时间T1-T6仅出于说明的目的而提供，也就是说，该方法可以比仅示出的那些时间频繁得多地执行。
例如，在图7A中，在时间T1处，方法6A可以由第一监视器电路518A实现。图6A的方法600A可在步骤602处以第一监视器电路518A测量第一能量存储装置512A的电压V1而开始。在步骤604处，第一监视器电路518A可确定电压V1是否低于第一阈值。第一阈值可被设定成允许第一电力转换器电路516A保持到VCC轨的电力以向电气负载525供电。例如，如果电气负载525需要2.5V的最小电压输入，则第一阈值可被设定为3V以确保不会经历到电气负载525的电力中断。
在时间T1，第一监视器电路518A可确定电压V1低于第一阈值。然后该方法可以前进至步骤606，其中第一监视器电路518A可将输出开关514B的状态改变为第一状态(如果输出开关514B尚未处于第一状态)，以经由电池504向第一电力转换器电路516A提供电力。然后，第一监视器电路518A可将输入开关514A的状态改变为第二状态(如果需要)，以确保第一能量存储装置512A由补充电源充电。然后该方法可以结束。
当从补充电源502接收电力时，第一能量存储装置512A上的电压V1可以开始升高。在点702A处，电压V1可以达到并且超过第一阈值。在时间T2，可以再次执行图6A的方法600A，并且在步骤602处，第一监视器电路512A可以再次测量电压V1。然后，第一监视器电路518A可在步骤604处确定电压V1超过第一阈值。然后，在方法600A的步骤610处，第一监视器电路518A可以进一步确定电压V1是否超过第二阈值。第二阈值可以是例如4.5V。在确定电压V1不超过第二阈值之后，方法然后可以退出。
在时间T3，方法600A可以再次执行，这次通过所描述的步骤602、604和610进行。在步骤610处，第一电压监视器电路518A可确定电压V1超过第二阈值。当电压V1超过第二阈值时，第一能量存储装置可包含足够的电力(即，足够的电压)以向第一电力转换器电路516A提供电力，而不是依赖于电池504。响应于确定电压V1超过第二阈值，在步骤612处，第一电压监视器电路518A可将输出开关514B的状态改变为第二状态，这可允许第一能量存储装置512A向第一电力转换器电路516A提供电力。对应地，电压V1可在时间T3之后降低。
在步骤614处，第一监视器电路518A可进一步将输入开关514A的状态改变为第一状态，这可允许补充电源502开始对第二能量存储装置512B充电(即，向其提供电力)。然后，第二能量存储装置512B上的电压V2可在点704B处开始增加。然后，方法600A可以结束。
显然，第一监视器电路518A可以通过用输入开关514A控制提供给第一能量存储装置512A的电力，以及通过输出开关514B控制由第一能量存储装置512A提供的电力来影响电压V1。另外，第一监视器电路518A可以通过控制输入开关514A确定何时向第二能量存储装置512B提供电力来进一步影响第二能量存储装置上的电压V2。第二能量存储装置的电压V2可另外受到是否向第二电力转换器电路516B提供电力(即是否启用第二电力转换器电路)的影响。第二监视器电路518B可控制第二电力转换器电路516B是否被启用，并且因此可控制第二能量存储装置512B上的电压V2的放电。第二监视器电路可以周期性地执行方法600C以测量电压V2并且确定是否启用第二电力转换器电路516B。
例如，第二监视器电路518B可在时间T4执行图6C的方法600C。方法600C可以通过测量电压V2在步骤630处开始。在步骤632处，第二监视器电路518B可确定电压V2是否低于第三阈值。第三阈值可以为例如3.5V。当电压V2低于第三阈值时，电压V2可能太低而不能向电力转换器电路516B提供足够的电力，以允许输出电力V输出超过电池电压V电池。然后，第二监视器电路518B可在步骤634处清除标志，并且在步骤640处禁用第二电力转换器电路516B。例如，第二监视器电路可以与控制电路508通信以设定、清除或确定标志的状态。控制电路508可以将标志的状态存储在存储器中。然后该方法可以结束。
如果在步骤632处电压V2大于或等于第三阈值，则第二监视器电路518B然后可以在步骤636处将电压V2与第四阈值进行比较并且确定电压V2是否超过第四阈值。第四阈值可以为例如4.5V。如果电压V2超过第四阈值，则第二监视器电路然后可以在步骤642处与控制电路508通信以设定标志。然后，第二监视器电路518B可在步骤644处确定电气负载506是否接通。
然而，如果在步骤636处电压V2不超过第四阈值，则第二监视器电路518B可随后确定是否已经设定标记。如果标志尚未设定，则在步骤640处，第二监视器电路可确保第二电力转换器电路516B被禁用。然后该方法可以结束。然而，如果标志已经设定，则第二监视器电路可在步骤644处确定第二电气负载506是否接通。例如，监视器电路可查询控制电路508以确定电气负载506是否接通。如果电气负载506未接通，则方法600C可以再次前进至步骤640，禁用第二电力转换器电路516B，然后结束。然而，如果电气负载506接通，则在步骤646处，第二监视器电路518B可启用第二电力转换器电路。然后该方法可以结束。
在第二能量存储装置512B上的电压V2保持高于第三阈值并且电气负载506接通时，在电压V2超过第四阈值之后在步骤642处设定标志可允许第二电力转换器电路516B被启用(即，向负载506供电)。例如，在图7A中，当第二能量存储装置上的电压V2在点706B处达到/超过第四阈值时，假设在方法600C的步骤644处电气负载接通，则可以启用第二电力转换器电路516B(参见图6C的步骤646)。也就是说，即使当电压V2低于第四阈值时，只要V2超过第三阈值，第二电力转换器电路516B就可以被启用以向电气负载506提供电力。
从点706B到点708B，V2的电压可以保持基本恒定。例如，在该时间段期间，第二能量存储装置可以向电气负载506供电，并且还可以接收来自补充电源502的电力(即，可以充电)。
在时间T5，方法600A可以再次执行。结果可与在时间T4执行该方法时的结果相同。在时间T6，方法600A可以再次执行。由于点708A处的电压V1现在已放电至最小电平(即，V1小于或等于第一阈值)，第一监视器电路518A可以将输入开关514A的状态改变到第二位置以给第一能量存储装置512A充电，如在图6A的方法600A中所述。对应地，在时间T6的点708B之后，当从第二能量存储装置512B向第二电力转换器电路供应电力以向电气负载506供电时，并且在补充电源502正在对第一能量存储装置512A充电(即，第二能量存储装置未在接收来自补充电源的电力)时，电压V2可开始降低。当电压V2降低至第三阈值以下时，或者当电气负载506断开时电压V2在第三阈值和第四阈值之间时，第二电力转换器电路516B可以被禁用，并且电压V2可以再次保持基本恒定。
图7B为电压V1、V2随时间推移的替代示例，而第一监视器电路和第二监视器电路分别使用图6B、图6C的方法600B和600C。方法600B可包含与图6A的方法600A类似的步骤，并且可以由第一监视器电路518A执行。方法600B可包含附加的步骤616-622，这些步骤可通过提供附加的阈值来比较电压并且控制输入开关514A，从而允许第一能量存储装置512A在较早的时间开始充电。例如，图7B可包括电压V1的第五阈值。第五阈值可大于第一阈值并且小于第二阈值。例如，第五阈值可被设定为3.75V，该值在第一阈值和第二阈值之间的中线。其他示例也是可能的。可以设定第五阈值以在第一能量存储装置和第二能量存储装置之间建立优先级，以确定哪个能量存储装置应该接收来自补充电源的电力。
方法600B在时间T1的执行可以与先前描述的相同。在时间T2，第一监视器电路518A可以测量电压V1。然后，第一监视器电路518A可在步骤604处将所测量的电压V1与第一阈值进行比较，并且确定V1超过第一阈值。然后该方法可以前进至步骤610，其中第一监视器电路518A可将所测量的电压V1与第二阈值进行比较，并且确定V1不超过第二阈值。在步骤616处，第一监视器电路518A然后可将电压V1与第五阈值进行比较并且确定V1确实超过了第五阈值。然后，方法600B可以结束，并且输入开关514A可以保持在第二状态(即，第一能量存储装置可以继续接收来自补充电源502的电力)。方法600B在时间T3的执行可以与先前描述的相同。
在时间T4，方法600B可以再次执行。第一监视器电路518A可以在步骤602处测量电压V1并且在步骤604处确定电压V1超过第一阈值。第一监视器电路518A可以在步骤610处进一步确定电压V1不超过第二阈值。在步骤616处，第一监视器电路518A可确定电压V1超过第五阈值。然后该方法可以结束。在同一时间T4或在时间T4附近，第二监视器电路可执行如前所述的方法600C。如果电气负载506接通，则可以启用第二电力转换器电路向电气负载506供电，并且电压V2可以保持基本恒定。
在时间T5，第一监视器电路518A可通过步骤602、604和610再次执行方法600B。在步骤616处，第一监视器电路518A可确定V1现在低于第五阈值(即，不超过第五阈值)。响应于确定V1低于第五阈值，第一监视器电路518A可在必要时将输入开关514A的状态改变为第二状态，以确保第一能量存储装置512A正在充电。在点710A处，当第一能量存储装置512A接收来自补充电源502的电力时，电压V1可以开始增加。对应地，当不再从补充电源502向第二能量存储装置512B供应电力时(而第二能量存储装置512B正在经由启用的第二电力转换器电路516B向电气负载506供应电力)，第二能量存储装置512B上的电压V2可以开始降低。应当理解，根据方法600B，如果电气负载506未接通，则第二能量存储装置512B上的电压V2在点710B之后将不会降低，因为来自向第二电力转换器电路516B提供电力的第二能量存储装置512B的电力损耗基本上是最小的。
图8示出了装置800，该装置是图5的装置500的示例性具体实施。图5的监视器电路518A、518B(在该示例中为电压监视器电路)被集成到图8的控制电路808中。图5的输入开关514A以示意图的形式描绘为图8的晶体管Q81、Q82。图5的输出开关514B被描绘为图8的晶体管Q83、Q84。装置800还包括图5所示的部件，诸如：补充电源502(在该示例中示出为光伏电池805)；第一能量存储装置512A和第二能量存储装置512B(例如，在该示例中分别示出为由超级电容器C5、C6组成的能量存储装置812A以及由超级电容器C7、C8组成的能量存储装置812B)；对应于816A、816B的第一电力转换器电路516A和第二电力转换器电路516B；电池504(对应于图8所示的电池804)；以及分别对应于电气负载806、825的第一电气负载506和第二电气负载525。
图8中所述的所有电压均参考示出为803的电路公共端进行测量。如图所示，晶体管Q81、Q82、Q83和Q84可以全部是例如p-沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS FET)。如图所示，用作第一监视器电路和第二监视器电路来分别监视第一能量存储装置和第二能量存储装置的电压V1、V2的控制电路808可以与电气负载825的控制电路相同，或者可以是不同的控制电路。
例如，控制电路808可以是电气负载825的相同的控制电路。电气负载825还可以包括通信电路，如图5所示。通信电路可以与控制电路808集成在一起，或者可以是单独的电路。
应当理解，电压V1、V2不必是相同的电压，并且控制电路808可以对哪个能量存储装置具有最大电荷确定优先级。例如，第一能量存储装置可具有比第二能量存储装置高的优先级，因为第一能量存储装置可允许装置800继续向电气负载825供电，从而允许装置800继续进行通信并且报告问题。
所示出的电路可设定光伏电池805的阻抗。可由第一电力转换器电路816向电气负载825(例如，控制电路、通信电路和/或其他低压电路)提供电压。第一电力转换器电路816A可以是例如降压电路。另选地，第一电力转换器电路816A可以是线性调节器、分压器等。如上所述，第一电力转换器电路816A可以将来自电池804或第一能量存储装置812A的电压降低至用于向第二电气负载825供电的适当水平。例如，电池电压V电池可以是介于和/或包括6V-9V的任何电压。例如，第一能量存储装置上的电压V1可以是介于和/或包括3V-5V的任何电压。根据该示例，第一电力转换器电路816A可将电压V1和/或电压V电池降低至约2.5V的输出电压VCC。应当理解，所使用的确切电压可特定于所选择的控制电路、电容器C5、C6和电池804。
第二电力转换器电路可包含启用/禁用线818。控制电路808可以通过启用/禁用线818来启用或禁用第二电力转换器电路816B。例如，第二电力转换器电路816B可以是升压转换器。升压转换器可以将可在3.5V-5V的范围内的电压V2升高至处于12V的电压V输出。
当输出电压V输出超过电池电压V电池时，可以由第二电力转换器电路816B通过使用二极管D3、D5提供至电气负载806的电压。所示出的二极管D1-D5可以是低电力损耗二极管，例如肖特基二极管。当第二电力转换器电路816B导通，即被启用时，V输出可以大于V电池。例如，当启用第二电力转换器电路816B时，电压V输出可以是12V，而电压V电池可以是6V-9V。然后可通过第二能量存储装置(即，超级电容器C7、C8)将电力提供给第二电气负载806。另选地，将认识到可以用有源开关替代D3和D5来实现相同的功能。
控制电路可经由分别示出为820A、820B的两条或更多条模数(A/D)线来监视电压V1、V2。如前所述，控制电路808可使用所测量的电压V1、V2来确定是否启用第二电力转换器电路816B。
控制电路808可基于电压V1、V2来改变开关Q81、Q82(包括输入开关)的状态。例如，控制电路可控制栅极电压822A、822B以分别使晶体管Q81、Q82导通或截止。控制电路808可以进一步确保仅同时打开Q81和Q82中的一者(即，仅第一能量存储装置812A或第二能量存储装置812B正在充电)。电容器C5-C8可以类似于图4的电容器C2、C4。例如，电容器C5-C8可以是超级电容器。
控制电路808可以基于电压V1、V2来改变开关Q83、Q84(包括输出开关)的状态。例如，控制电路可控制栅极电压824以分别使FET Q83、Q84导通或截止。反相器826或建立相同类型功能的其他控制电路可用于向FET Q84的栅极提供互补驱动信号。例如，反相器826可用于对信号824进行反相，使得提供给FET Q84的栅极信号是提供给FET Q83的反相信号。反相器826可确保一次仅使FET Q83、Q84之一导通，即，Q83和Q84两者可能不会同时导通。控制电路808可使用栅极驱动信号824和FET Q83、Q84来控制到第一电力转换器电路816A的电力。例如，当控制电路发送栅极信号824以导通FET Q83(从而使FET Q84截止)时，第一能量存储装置812A可经由电压V1向第一电力转换器电路提供电力。另选地，可以使用二极管替代FET Q83。
当控制电路808的栅极驱动信号824使FET Q83截止(从而使FET Q84导通)时，电池804可通过FET Q84和二极管D4向第一电力转换器电路816A提供电力。当能量存储装置812A没有足够的电荷来向第一电力转换器电路816A提供电力时，例如，当由能量存储装置812A所存储的补充供应电压V1的量值低于第一阈值(例如，低于3伏)时，FET Q84可被导通以从电池804提供电池电压V电池。
第一能量存储装置和第二能量存储装置上的电压可被保持在大于3V的水平，以防止能量存储装置的深度放电。例如，如果第一能量存储装置和第二能量存储装置是接收来自光伏电池的能量的超级电容器，则第一能量存储装置和第二能量存储装置上的电压量可以分别确定从光伏电池到第一能量存储装置和第二能量存储装置的电力传输效率。例如，当第一能量存储装置或第二能量存储装置上的电压V1或V2降低至最小阈值以下(例如，先前描述的第一阈值和第三阈值，诸如3V-3.5V)时，光电池可能不再能够有效地对第一能量存储装置和第二能量存储装置充电。即，当电压V1或V2降低至最小阈值以下时，对第一能量存储装置和第二能量存储装置再充电所需的时间可大幅增加。
相反，第一能量存储装置和第二能量存储装置可在约最大阈值(即，第二阈值和第四阈值)或约4.5V处最有效地接收来自光电池的电力(即，可以充电)。然而，电压V1或V2可超过所示电路的最大阈值。这样，对装置800的电路的进一步添加可包括跨第一能量存储装置和/或第二能量存储装置的箝位电路，例如二极管，该箝位电路可将电压V1或V2箝位到最大阈值。例如，箝位电路可包括跨超级电容器组812A的二极管，具有5V的箝位电压。
应当理解，图8所示的装置800的电路原理图仅出于说明的目的，并且可以构造用于相同功能的其他电路。例如，尽管将FET Q81-Q84示出为PMOS，但应当理解，可以另选地使用NMOS FET，并且相应地更新参考和偏置。或者，可以使用任何可控的开关装置，诸如例如双极结型晶体管。另外，可以使用二极管替代Q83。具有与本文所述相同的所得功能性的这些以及任何替代电路也被认为是另选的实施方案。
尽管装置400和800已被描述为接收来自太阳能电池或PV模块的电力，但是可以另选地使用其他类型的补充电源。例如，无线RF电源可以用作补充电源。图9示出了根据另一个实施方案的示例性用户环境900，该示例性用户环境具有用于向电动窗上用品954供电的无线电力供应源。例如，电动窗上用品954可包括马达驱动单元，诸如例如装置200。电动窗上用品的马达驱动单元可具有补充电源，该补充电源无线地(即，经由RF)接收电力以向电气负载225(即，控制与通信电路)供电。
无线电力供应装置可包括无线电力传输模块990，该无线电力传输模块被配置为经由RF信号998将电力无线传输至房间中的一个或多个控制装置内部的无线电力接收电路，包括例如电动窗上用品954的马达驱动单元。无线电力接收电路可被配置为从由无线电力传输模块990传输的RF信号998收集能量。
无线电力传输模块990可包括容纳在外壳992内的无线电力传输电路(未示出)和具有例如从外壳992延伸并且耦合(例如电耦合或磁耦合)到无线电力传输电路的两根发射天线线材994A、994B的天线(例如，偶极天线)。天线还可以形成为环形或螺旋天线。无线电力传输模块990可包括电插脚(未示出)，其可插入到标准电气插座996中，以用于从AC电源向无线电力传输电路供电。发射天线线材994A、994B可以水平定位以沿相反的方向延伸，例如沿电动窗上用品954下方的壁底部的地板延伸。例如，无线电力供应传输模块990可被配置为经由RF信号998向电动窗上用品的补充电力供应装置的无线电力接收电路连续地传输电力。另外，无线电力供应传输模块990可被配置为以周期性(例如，脉冲或脉冲宽度调制)的方式(例如在较短的持续时间内具有较高的峰值电力的突发信号中)传输电力。如果以周期性的方式传输电力，则可以相对于时间调整脉冲的频率(例如，扫频)，使得不存在无线电力供应传输模块990持续干扰的特定信道(例如，频率)。
例如，电动窗上用品954可包括马达驱动单元955。马达驱动单元955可包括允许向马达驱动单元的马达、内部控制电路和内部无线通信电路(例如，RF收发器)供电的内部无线电力接收电路。马达驱动单元955可包括天线(例如，偶极天线)，该天线具有从马达驱动单元955延伸并且电耦合到内部无线电力接收电路并且被调谐以接收RF信号998的两条天线线材956A、956B。天线还可以形成为环形或螺旋天线。马达驱动单元可基于从控制装置970接收的控制指令来控制织物或窗帘952。
图10示出了根据另一个实施方案的示例性补充电力供应装置1020。补充电力供应装置1020是可在图9中使用的供应装置的示例，并且可在装置200中用作元件220。补充电力供应装置1020可包括补充电源1002和能量存储装置1012。补充电源可以是无线电力接收电路，该无线电力接收电路可接收来自远离无线电力接收电路定位的无线电力供应源诸如图9的无线电力传输模块990的电力。无线电力接收电路可包括天线1032(例如，电场(E场)天线)、平衡-不平衡变换器电路1034以及射频至直流(RF至DC)转换器电路1036。例如，天线1032可包括偶极天线。
能量存储装置1012可包括电容器，诸如图10所示的电容器1038。电容器可以是超级电容器，或者可以是钽电容器、电解电容器或其他类型的电容器。另选地，能量存储装置可包括电感器或其他合适的能量存储装置。电容器1038可存储由无线电力接收电路提供的能量，并且可以向图2的装置200的电力转换器电路216提供电压V供应。例如，电容器1038可具有约100μF的电容。
天线1032可捕获(例如，收集)来自由无线电力传输模块传输的RF信号(例如，由无线电力传输模块990传输的RF信号998)的电力。例如，天线1032从RF信号收集的电力的量可以为约40mW。RF至DC转换器电路1036可操作为将来自RF信号的能量转换为跨存储电容器1038的未调节DC电压。RF至DC转换器电路1036可具有例如约50％的效率，使得RF至DC转换器电路能够输送的电力的量可以为约20mW。
由能量存储装置(电容器1038)存储的电力可提供供应电压V补充。V供应可被供应给端子224，以向电力转换器电路提供电力以向电气负载225供电，如图2所示。
图11为装置200’的替代实施方案。类似标号的部件对应于图2中描述的部件。例如，电池204’可以与图2中的电池204相同。在此，装置200’的电气负载206’和电气负载225’两者可以借助于开关214’由电池204’或补充电力供应装置220'供电。例如，补充电力供应装置可包括一个或多个可再充电电池。
图12是时间上的具有由虚线表示的供应电压V供应的量值和由实线表示的电池电压V电池的量值的示例性电压曲线1200。如图11所示，V电池可对应于电池204’上的电压，并且V供应可对应于能量存储装置212’的电压。例如，能量存储装置212’可以是可再充电电池，并且电池204’可以是一次性(即，不可再充电)电池。在时间T0，当开关214’处于第二位置时，能量存储装置212’可以向电气负载206’和电气负载525’提供电力。当能量存储装置212’向电气负载提供电力时，能量存储装置212’可以开始放电至最小电压阈值Vmin。
当能量存储装置212’在时间T1达到最小电压阈值Vmin时，监视器电路218’可检测到能量存储装置212’上的电压已达到最小阈值Vmin，并且可将开关214’的状态改变到第一位置，从而从一次性电池向电气负载提供电力，并且允许能量存储装置212’再充电。例如，如前所述，能量存储装置212’可通过太阳能电池、无线电力供应装置等再充电。这时，一次性电池的电压可开始下降。
在时间T2，监视器电路218’可检测到能量存储装置212’上的电压已达到最大阈值Vmax。监视器电路然后可以将开关214’的状态改变到第二位置，从而从能量存储装置向电气负载提供电力，该能量存储装置可以进一步放电。当能量存储装置达到最小阈值，该过程可在时间T3重复，并且监视器电路再次触发开关，以经由一次性电池204’向电气负载提供电力时。
尽管本文所述的实施方案特定于太阳能电池和无线电力供应装置，但是本领域的技术人员将容易认识到可以使用其他类型的补充电源或能量收集器。例如，其他补充电源可包括：热能收集器、声能或振动能收集器、静电能收集器等。
虽然已经根据某些实施方案和大体相关联的方法描述了本公开，但是对本领域的技术人员而言，实施方案和方法的更改和置换将是明显的。因此，上文对示例性实施方案的描述并不约束本公开。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。

Claims (20)

1.一种配置为控制至电气负载的电力量的设备，所述设备包括：
电池壳体，所述电池壳体被配置为接纳一个或多个电池；
通信电路，所述通信电路被配置为接收命令；
控制电路，所述控制电路可操作地耦合到所述通信电路并且被配置为基于由所述通信电路接收的所述命令来控制到所述电气负载的电力量；
补充电力供应装置，所述补充电力供应装置包括补充电源和能量存储装置，其中所述能量存储装置被配置为存储从所述补充电源接收的电力；以及
开关，所述开关可操作地耦合到所述电池壳体的所述一个或多个电池和所述能量存储装置，所述开关具有至少第一状态和第二状态；
其中，当所述开关处于所述第一状态时，所述一个或多个电池向所述电气负载供应电力，并且所述补充电源向所述控制电路和所述通信电路供应电力；并且
其中，当所述开关处于所述第二状态时，所述一个或多个电池向所述电气负载、所述控制电路和所述通信电路供应电力。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述电气负载是被配置为控制电动窗上用品的马达。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述电气负载是传感器。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述补充电源是无线电力供应装置。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述无线电力供应装置包括被配置为从无线电力传输模块无线地接收电力的天线，所述无线电力传输模块被配置为接收来自电气插座的电力。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述补充电源是太阳能电池。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述能量存储装置是超级电容器。
8.如权利要求1所述的设备，其还包括：
监视器电路，所述监视器电路可操作地耦合到所述开关和所述能量存储装置，所述监视器电路被配置为：
将所述能量存储装置的参数与阈值进行比较，所述参数与所述能量存储装置所存储的电力量相关；并且
基于所述比较，控制所述开关的所述状态。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述参数包括电压。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述监视器电路是被配置为监视所述补充电力供应装置的输出电压的电压监视器电路。
11.如权利要求9所述的设备，其中所述监视器电路包括在所述控制电路上的模数端口，并且被配置为监视所述补充电力供应装置的输出电压。
12.如权利要求9所述的设备，其中所述电压监视器电路包括箝位电路和锁存器电路。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述箝位电路和所述锁存器电路被配置为将所述补充电力供应装置的所述输出电压保持在最小阈值和最大阈值之间。
14.如权利要求13所述的设备，其中当所述补充电力供应装置的所述输出电压超过所述最大阈值时，所述箝位电路被配置为将所述输出电压箝位到所述最大阈值。
15.如权利要求14所述的设备，其中当所述补充电力供应装置的所述输出电压降低至所述最小阈值以下时，所述锁存器电路被配置为解锁存，进一步，其中响应于所述锁存器电路的所述解锁存，所述开关被配置为从所述第二状态改变为所述第一状态。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述补充电力供应装置的所述能量存储装置包括第一能量存储装置，所述设备还包括：
第二能量存储装置，所述第二能量存储装置耦合到所述电气负载；以及
第二开关，所述第二开关可操作地连接至所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置，所述第二开关具有第三状态和第四状态，
其中所述第一能量存储装置被配置为当所述第二开关处于所述第三状态时存储从所述补充电源接收的电力；
其中所述第二能量存储装置被配置为当所述第二开关处于所述第四状态时存储从所述补充电源接收的电力；并且
其中所述第二能量存储装置被配置为向所述电气负载提供电力。
17.如权利要求16所述的设备，其还包括:
在所述第二能量存储装置和所述电气负载之间电连接的电力转换器电路，用于从所述第二能量存储装置向所述电气负载提供电力；以及
可操作地耦合到所述第二能量存储装置的监视器电路，所述监视器电路被配置为：
将所述第二能量存储装置的电压与第二阈值进行比较；并且
基于所述比较，启用或禁用所述电力转换器电路。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述监视器电路被配置为当所述电力转换器电路的输出电压大于所述电池的输出电压时启用所述电力转换器电路。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述监视器电路被配置为当所述电力转换器电路的输出电压小于所述电池的所述输出电压时，禁用所述电力转换器电路。
20.如权利要求16所述的设备，其中所述第二能量存储装置是超级电容器。
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