CN113875122A - 能量采集和对可再充电能量储存设备充电的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于能量采集以及对能量储存设备进行充电的方法。所述方法使用电压转换器系统并且包括以下步骤：监测指示第一可再充电储存设备的充电水平的参数VBatt1，以及将所述参数VBatt1维持在下限阈值与上限阈值之间。所述方法进一步包括以下步骤：对第二可再充电储存设备进行充电，以及操作所述电压转换器系统将电荷从所述第二可再充电储存设备传递至所述第一可再充电储存设备。本发明还涉及一种用于能量采集的集成电路，其中，可与第二可再充电储存设备连接的端子可切换地耦接到电压转换器系统的输入端和输出端。

Description

能量采集和对可再充电能量储存设备充电的方法和设备
发明领域
本发明涉及一种用于能量采集的方法和设备。更具体地，本发明涉及一种用于对可再充电能量储存设备进行充电的方法和设备。
现有技术说明
使用电压转换器从能量采集器提取能量以及对能量储存设备进行充电是本领域众所周知的。例如，在WO 2018234485中，描述了包括电压转换器的集成电路，该集成电路用于将能量从能量采集器传递至可再充电储存设备。储存在可再充电储存设备中的能量然后被用作应用负载的电源。应用负载可以直接或间接耦接到储存设备。间接耦接是例如通过将辅助电压转换器放置在储存设备与应用负载之间来建立的，并且其中，辅助电压转换器被配置用于调节应用负载所需的特定电压。
多种能量采集器可以用作能量源，例如光伏电池(PV)、热电发电机(TEG)、压电式能量发生器和电磁能量发生器。可再充电储存设备例如是如锂离子电池等可再充电电池、超级电容器或传统电容器。
已知能量采集系统的问题之一是当最初以耗尽的可再充电储存设备开始时，用来自能量采集器的能量对可再充电储存设备进行初始充电需要很长时间。因此，应用负载也需要很长时间才能从可再充电储存设备接收电力并开始运行。尤其是如果可再充电储存设备是完全放电时电压为零伏的超级电容器，则超级电容器的充电时间可能会非常长。而且，将可再充电电池充电至所需的充电水平，以准备好在足够长的时间段内向应用负载供电可能也需要相当长的充电时间。
第二个问题与能量采集系统固有的可变条件有关，这些可变条件会导致能量采集器不能在较长时间段内连续提供能量，例如多天的时间段内。取决于能量采集器的类型，能量采集可能中断相当长的时间间隔，例如几个小时的时间间隔，这会降低应用负载的可靠性和长期功能性。取决于应用负载的功耗，这可能会导致应用负载停止运行。
对于第二个问题，已经提出了备用系统，其中例如，在能量采集器未供应能量的时间间隔期间，将一次电池连接到应用负载。
发明概述
本发明的目的是提供一种用于以高效方式进行能量采集以及对可再充电储存设备进行充电的方法和设备，使得甚至在可再充电储存设备最初完全耗尽的情况下，与可再充电储存设备耦接以接收电力的应用负载也可以更快地开始运行，即在几分钟内。另一个目的是即使在能量采集器中断较长时间段的情况下，例如中断几个小时或甚至几天，应用负载也可以继续运行。目的还在于最大限度地从能量采集器中提取和使用能量。
本发明在所附独立权利要求中被限定。从属权利要求限定了有利的实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于能量采集以及向应用负载供电的方法。使用采集到的能量供电的应用负载可以是如便携式设备、传感器、外部电路或无线发射器等任何类型的应用。
根据本发明的用于能量采集的方法使用电压转换器系统来将输入电力转换成输出电力以及至少对第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备进行充电。通常，电压转换器系统包括一个或多个电压转换器。
根据本发明的方法包括以下步骤：将第一电力输入路径耦接在能量采集器与电压转换器系统之间，以将输入电力从能量采集器传递至电压转换器系统；监测分别指示第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电水平的参数VBatt1和参数VBatt2；以及将第一可再充电储存设备耦接到应用负载，使得第一可再充电储存设备在被充电时可以为应用负载供电。
在实施例中，参数VBatt1和VBatt2分别与第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的电压相对应。在其他实施例中，参数VBatt1和VBatt2分别与例如在第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电过程中对累积电荷进行计数的电荷计数器所获取的第一累积电荷和第二累积电荷相对应。
该方法进一步包括以下步骤：通过重复执行以下子步骤来协调第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电：
1a)将第一电力输出路径耦接在电压转换器系统与第一可再充电储存设备之间，以将输出电力从电压转换器系统传递至第一可再充电储存设备，
2a)操作电压转换器系统用来自能量采集器的能量对第一可再充电储存设备进行充电，直到参数VBatt1达到上限阈值VBatt1-up，
并且其中，用来自采集器的能量对第一可再充电储存设备进行充电包括将电荷从能量采集器传递至第一可再充电储存设备，
3a)如果VBatt1已达到上限阈值VBatt1-up，并且如果VBatt2低于上限阈值VBatt2-max，则
i)将第一电力输出路径断开耦接，以及将第二电力输出路径耦接在电压转换器系统与第二可再充电储存设备之间，以将输出电力从电压转换器系统传递至第二可再充电储存设备，以及
ii)操作电压转换器系统用来自能量采集器的能量对第二可再充电储存设备进行充电，
并且其中，用来自采集器的能量对第二可再充电储存设备进行充电包括将电荷从能量采集器传递至第二可再充电储存设备，
4a)如果在第二可再充电储存设备充电期间参数VBatt1随后从上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low，其中VBatt1-low<VBatt1-up，则将第二电力输出路径断开耦接并重新开始步骤1a)。
根据本发明的方法进一步包括以下步骤：如果i)第一可再充电储存设备的参数VBatt1已下降至临界阈值VBatt1-SW以下，其中VBatt1-SW<VBatt1-low，并且如果ii)参数VBatt2等于或高于预定义阈值VBatt2-low，则将能量从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备。传递能量的步骤包括以下子步骤：1b)将第一电力输入路径断开耦接，2b)将第二电力输入路径耦接在第二可再充电储存设备与电压转换器系统之间，以将输入电力从第二可再充电储存设备传递至电压转换器系统，以及3b)操作电压转换器系统用来自第二可再充电储存设备的能量对第一可再充电储存设备进行充电，直到第一可再充电储存设备的参数VBatt1已达到上限阈值VBatt1-up。
有利地，通过在第一可再充电储存设备的放电阶段期间、即在VBatt1从上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low期间对第二可再充电储存设备进行充电，在第二可再充电储存设备的整个充电过程和第一可再充电储存设备重复重新充电的整个过程中，应用负载可以继续运行。以此方式，应用负载的使用不会干扰或中断第二可再充电储存设备中的能量采集和能量储存。
有利地，当能量采集器不运行时，第二可再充电储存设备可以用于对第一储存设备进行再充电。
有利地，当能量采集器不运行时，通过将第二电力输入路径耦接在第二可再充电储存设备与电压转换器系统之间，电压转换器系统用于将电荷从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备。因此，第二可再充电储存设备可以是在例如与第一可再充电储存设备不同的最大电压下运行并且具有大能量储存容量的专用储存设备。两个储存设备也可以由不同的技术制成，第一可再充电储存设备可以例如是如锂离子电池等可再充电电池，而第二可再充电储存设备可以例如是超级电容器。以此方式，如果能量采集器长时间中断，则储存在第二可再充电储存设备中的能量可以被传递至第一可再充电储存设备并用于继续为应用负载供电。
优选地，第二可再充电储存设备的能量储存容量比第一可再充电储存设备的能量储存容量大五倍以上，更优选地，十倍以上。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于能量采集的集成电路。用于能量采集的集成电路包括：电压转换器系统，该电压转换器系统适合于将输入电力转换成输出电力，以对至少两个可再充电储存设备进行充电；第一端子，该第一端子可与能量采集器连接；第二端子，该第二端子可与第一可再充电储存设备连接；第三端子，该第三端子可与第二可再充电储存设备连接；控制器，该控制器用于控制电压转换器系统；多个电力输入路径，该多个电力输入路径至少包括用于将输入电力从第一端子传递至电压转换器系统的第一电力输入路径；多个电力输出路径，该多个电力输出路径至少包括用于将输出电力从电压转换器系统传递至第二端子的第一电力输出路径以及用于将输出电力从电压转换器系统传递至第三端子的第二电力输出路径；以及监测单元，该监测单元与控制器耦接并且被配置用于当第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备分别连接到第二端子和第三端子时，监测分别指示第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电水平的参数VBatt1和参数VBatt2。
在实施例中，参数VBatt1和参数VBatt2分别与例如在第二端子和第三端子处感测到的电压相对应。
根据本发明的用于能量采集的集成电路，其特征在于，多个电力输入路径包括用于将输入电力从第三端子传递至电压转换器系统的第二电力输入路径，并且其特征在于，电压转换器系统包括：输入选择电路，该输入选择电路用于从多个电力输入路径中选择一个电力输入路径，以经由所选电力输入路径接收输入电力；以及输出选择电路，该输出选择电路用于从多个电力输出路径中选择一个电力输出路径，以经由所选电力输出路径输出输出电力，并且其特征在于，控制器被配置成基于参数VBatt1与第一预定义阈值的比较和/或参数VBatt2与第二预定义阈值的比较来形成电力输入路径和电力输出路径的多个特定组合并且在该多个特定组合之间进行切换。控制器的特定组合可以形成以下组合并且在以下组合之间进行切换：i)通过选择第一电力输入路径以及选择第一电力输出路径而形成的第一组合，ii)通过选择第一电力输入路径以及选择第二电力输出路径而形成的第二组合，以及iii)通过选择第二电力输入路径以及选择第一电力输出路径而形成的第三组合。
从多个电力输入路径中选择“一个(a)”电力输入路径以经由所选电力输入路径接收输入电力必须被解释为从多个电力输入路径中选择“一个”电力输入路径，以便仅经由所选电力输入路径来接收输入电力。同样地，从多个电力输出路径中选择“一个(a)”电力输出路径以经由所选电力输出路径输出输出电力必须被解释为从多个电力输出路径中选择“一个”电力输出路径，以便仅经由所选电力输出路径来输出输出电力。
有利地，通过提供用于将输入电力从第三端子传递至电压转换器系统的第二电力输入路径，耦接到该第三端子的第二可再充电储存设备不但可以用来自能量采集器的能量进行充电以形成能量储存器，而且还可以用作当能量采集器不运行时对第一可再充电储存设备进行充电的替代性能量源。实际上，由于第三端子也耦接到电压转换器系统以提供输入电力，因此该电压转换器系统可以用于将电荷从耦接到第三端子的第二可再充电储存设备传递至耦接到第二端子的第一可再充电储存设备。以此方式，即使能量采集器不运行，第一储存设备也可以继续充电，从而使得耦接到第一储存设备的应用负载可以继续运行。
在实施例中，集成电路的控制器被进一步配置用于：如果参数VBatt1变为等于或大于上限阈值VBatt1-up，并且如果参数VBatt2低于上限阈值VBatt2-max，则从第一组合切换到第二组合；如果参数VBatt1从上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low，其中VBatt1-low<VBatt1-up，则从第二组合切换到第一组合，以及如果参数VBatt1已从下限阈值VBatt1-low下降至临界阈值VBatt1-SW，其中VBatt1-SW<VBatt1-low，并且如果VBatt2高于下限阈值VBatt2-low，其中VBatt2-low<VBatt2-max，则从第一组合切换到第三组合。
在实施例中，集成电路包括第四端子，该第四端子可与如一次电池等辅助能量源连接，并且多个电力输入路径包括用于将输入电力从第四端子传递至电压转换器系统的第三输入路径，并且其中，输入/输出路径的特定组合包括通过选择第三电力输入路径以及选择第一电力输出路径而形成的第四组合。
在另外的实施例中，电压转换器系统包括电压转换器，该电压转换器用于将经由所选电力输入路径接收的输入电力转换成经由所选电力输出路径输出的输出电力，并且其中，该电压转换器是以下各项之一：升压电压转换器、降压电压转换器或降压-升压电压转换器。换句话说，在这些实施例中，单个电压转换器与输入选择电路和输出选择电路组合使用。
附图简要说明
将通过举例方式并参考附图对本发明的这些和进一步方面进行更详细解释，在附图中：
图1a示意性地表示根据本披露内容的能量采集系统的示例，
图1b示意性地表示根据本披露内容的能量采集系统的另一示例，
图2展示了使用根据本发明的方法的第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电过程，
图3示意性地示出了根据本发明的包括集成电路的能量采集系统，
图4a示出了根据本发明的电压转换器系统的示例，该电压转换器系统包括一个降压/升压电压转换器，
图4b示出了根据本发明的电压转换器系统的示例，该电压转换器系统包括两个降压/升压电压转换器，
图5示出了根据本发明的电压转换器系统的示例，该电压转换器系统包括用于在三个电力输入路径之间进行选择的输入选择电路以及用于在三个电力输出路径之间进行选择的输出选择电路，
图6a示出了包括两个电压转换器的电压转换器系统的实施例，
图6b示出了包括两个电压转换器的电压转换器系统的替代性实施例，
图7示出了包括三个电压转换器的电压转换器系统的实施例，
图8示出了电压转换器系统的实施例，该电压转换器系统包括三个电压转换器并且包括用于在三个电力输入路径之间进行选择的输入选择电路以及用于在两个电力输出路径之间进行选择的输出选择电路。
附图既未按比例绘制也不成比例。通常，在附图中，相同的部件由相同的附图标记表示。
本发明实施例的详细描述
将根据特定的实施例来描述本披露内容，这些实施例是对本披露内容的说明，而不应被解释为是限制性的。本领域技术人员应了解，本披露内容不限于已经特定示出和/或描述的内容，并且可以根据本披露内容的整体教导来开发替代性方案或经修改的实施例。所描述的附图仅仅是示意性的而非限制性的。
动词“包括”以及相应变化形式的使用并不排除除了所陈述元素之外的元素的存在。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等用于区分相似的元素，而不一定用于在时间、空间、等级上或以任何其他方式描述顺序。应当理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本披露内容的实施例能够以除了本文描述或展示的顺序以外的其他顺序进行操作。
在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本披露内容的一个或多个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指代同一个实施例，但也可以指代同一个实施例。另外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，如根据本披露内容将对本领域普通技术人员显而易见的。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于能量采集以及向应用负载供电的方法。用于能量采集的该方法使用了包括电压转换器系统的用于能量采集的系统。
电压转换器系统必须被解释为用于将从能量源接收到的输入电力转换成用于对储存设备进行充电的输出电力的系统。能量源(例如能量采集器)以输入电压Vin供应输入电力，并且电压转换器系统以与储存设备的电压相对应的输出电压Vout输出输出电力。输入电压Vin可以高于或低于输出电压Vout。通常，电压转换器系统包括一个或多个电压转换器，并且下文将进一步描述各种电压转换器系统的具体实施例。电压转换器的示例是DC-DC升压转换器、DC-DC降压转换器或DC-DC降压/升压转换器。通常，电压转换器系统是集成电路(通常称为电力管理集成电路(PMIC))的一部分。
图1a中，示意性地示出了用于能量采集的系统100的示例。该系统包括电力管理集成电路(PMIC)1，该电力管理集成电路包括电压转换器系统20和用于控制电压转换器系统的控制器40。能量采集器70耦接到第一端子11，该第一端子是用于以输入电压Vin从能量采集器接收电力的输入端子。PMIC 1包括第二端子12，该第二端子是耦接到第一可再充电储存设备50的输出端子。在该示例中，应用负载90以直接连接的方式耦接到第一储存设备50。在其他实施例中，电压调节器可以例如放置在第一储存设备与应用负载之间，以生成与第一储存设备的电压不同的应用负载所需的电压。图1a所示的PMIC包括与第二可再充电储存设备60连接的第三端子13。
第一可再充电储存设备例如为可再充电电池、电容器或超级电容器，类似地，第二可再充电储存设备也可为可再充电电池、电容器或超级电容器。
在图1b中，示意性地示出了用于能量采集的系统的另一示例，其中，第一应用负载90a耦接到第一储存设备50，并且其中，第二应用负载90b耦接到第二储存设备60。第一应用负载例如是低电力负载，例如用于监测目的，并且第二应用负载例如是较高电力负载，例如用于通信装置或致动装置。
根据本发明的用于能量采集的方法包括以下步骤：将第一电力输入路径耦接在能量采集器与电压转换器系统之间，以将输入电力从能量采集器传递至电压转换器系统20；监测分别指示第一可再充电储存设备50和第二可再充电储存设备60的充电水平的参数VBatt1和参数VBatt2；以及将第一可再充电储存设备耦接到应用负载90，使得第一可再充电储存设备在被充电时可以为应用负载供电。
在实施例中，通过电压测量获得的参数VBatt1和VBatt2分别与第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的电压相对应。在其他实施例中，参数VBatt1和VBatt2与电荷计数器获取的电荷量相对应。
当第一储存设备充分充电时，如达到上限阈值电压VBatt1-up所指示的，第一可再充电储存设备50可以用作应用负载90的电源。电压阈值VBatt1-up不一定与充满电的储存设备相对应，但其可以是指示第一储存设备被充分充电以开始向应用负载供电的值。
根据本发明的方法进一步包括以下步骤：通过重复执行下文概述的子步骤1a)至4a)来协调第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电。
子步骤1a)对应于：将第一电力输出路径耦接在电压转换器系统与第一可再充电储存设备之间，以将输出电力从电压转换器系统传递至第一可再充电储存设备。
子步骤2a)对应于：操作电压转换器系统用来自能量采集器的能量对第一可再充电储存设备进行充电，直到参数VBatt1达到上限阈值VBatt1-up。因此，在第一可再充电储存设备充电期间，电荷从能量采集器传递至第一可再充电储存设备。
如果满足VBatt1已达到上限阈值VBatt1-up以及VBatt2低于上限阈值VBatt2-max的条件，则执行子步骤3a)，子步骤3a)对应于：i)将第一电力输出路径断开耦接，并且将第二电力输出路径耦接在电压转换器系统20与第二可再充电储存设备60之间，以将输出电力从电压转换器系统传递至第二可再充电储存设备，以及ii)操作电压转换器系统用来自能量采集器的能量对第二可再充电储存设备进行充电。因此，在第二可再充电储存设备充电期间，电荷从能量采集器传递至第二可再充电储存设备。
子步骤4a)对应于：如果在第二可再充电储存设备充电期间，参数VBatt1随后从上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low，其中VBatt1-low<VBatt1-up，则将第二电力输出路径断开耦接并重新开始步骤1a)。
因此，通过重复执行子步骤1a)至4a)，对第二可再充电储存设备60进行充电，同时将第一可再充电储存设备50的充电水平维持在VBatt1-low与VBatt1-up之间。
在图2中，展示了用于根据本披露内容的方法对第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备进行充电的过程。参数VBatt1和VBatt2的变化被示出为时间的函数，分别展示了第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电和放电。如图2所展示的，通过执行上述子步骤1a)至4a)，通过将第一储存设备50的参数VBatt1保持在下限阈值VBatt1-low与上限阈值VBatt1-up之间而使第一储存设备50维持充电，并且在第一储存设备50向应用负载供电的同时，用来自能量采集器的能量并行地对第二储存设备60进行充电。
在对第二储存设备60进行充电的同时，应用负载继续运行，使得应用负载的运行无中断。这通过图2所示的示例示意性地展示，其中，应用负载开启和关闭的时间段分别由“APPL.ON”和“APPL.OFF”指示。当应用负载开启并且第二可再充电储存设备正在被充电时，则如第一储存设备的参数VBatt1从上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low所指示的，第一储存设备正在放电。下限阈值VBatt1-low典型地是被选择为使得第一储存设备仍被充分充电以向应用负载提供电力的值。为第一储存设备的下限阈值和上限阈值所选择的值取决于所使用的储存设备的类型，例如可再充电电池或电容器或超级电容器。上限阈值VBatt1-up不一定等于第一可再充电储存设备的最大允许电压值VBatt1-max，VBatt1-up可以是例如小于VBatt1-max的值。
根据本披露内容的方法的特征在于该方法包括另外的步骤：如果i)第一可再充电储存设备的参数VBatt1已下降至临界阈值VBatt1-SW以下，其中VBatt1-SW<VBatt1-low，并且如果ii)参数VBatt2等于或高于预定义阈值VBatt2-low，则将能量从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备。预定义阈值VBatt2-low是指示第二可再充电储存设备被充电至允许将电荷从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备的最小充电水平的值。
将能量从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备的步骤包括以下子步骤：1b)将第一电力输入路径断开耦接，2b)将第二电力输入路径耦接在第二可再充电储存设备与电压转换器系统之间，以将输入电力从第二可再充电储存设备传递至电压转换器系统，以及3b)操作电压转换器系统用来自第二可再充电储存设备的能量对第一可再充电储存设备进行充电，直到第一可再充电储存设备的参数VBatt1已达到上限阈值VBatt1-up。
在实施例中，在参数VBatt1已达到上限阈值VBatt1-up的情况下，将能量从第二可再充电储存设备60传递至第一可再充电储存设备50包括另外的子步骤4b)。子步骤4b)与执行以下步骤中的至少一个或组合相对应：i)将第一电力输出路径32a断开耦接和/或将第二电力输入路径31b断开耦接，ii)耦接第一电力输入路径31a以及耦接第二电力输出路径32b，iii)停止操作电压转换器系统20。
在子步骤4b)中应用了耦接第一电力输入路径31a以及耦接第二电力输出路径32b的步骤ii)的情况下，然后如果能量采集器正在供电，则第二可再充电储存设备将继续用来自能量采集器的能量充电。
图2还展示了当第一储存设备50的参数VBatt1已下降至临界阈值水平VBatt1-SW以下时从第二储存设备到第一储存设备的能量传递。参数VBatt1的这种下降通常发生在能量采集器关闭或者应用负载所消耗的电力多于能量采集器所供应的电力时。例如，如图2所展示的，当能量采集器从“E.H.ON”指示的开启状态切换至“E.H.OFF”指示的关闭状态时，第一储存设备和第二储存设备都无法用来自能量采集器的能量充电。因此，当应用负载开启并且因此消耗电力时，VBatt1的电压在降低至VBatt1-low时将继续进一步降低，直到达到VBatt1-SW。如图2所展示的，当VBatt1下降至VBatt1-SW以下时，通过使用来自第二储存设备的能量对第一储存设备进行再充电，并且当能量采集器再次变为可正常运行并且供电时，如上文所讨论的，能量采集器的能量再次用于使第一储存设备维持充电并且继续对第二储存设备进行充电。
通过操作电压转换器系统将能量从第二储存设备传递至第一储存设备，第一储存设备和第二储存设备的电压可以彼此独立，并且第一储存设备和第二储存设备也可以由不同的技术制成。例如，第一可再充电储存设备可以是在3.6V与4.0V之间运行的锂离子电池，而第二可再充电储存设备可以是可再充电至2.7V最大电压的超级电容器。
优选地，第二可再充电储存设备60的能量储存容量比第一可再充电储存设备50的能量容量大五倍以上，优选地，十倍以上。以此方式，第二储存设备形成适合在能量采集器停机较长时间段的条件下维持应用负载可正常运行的大能量储存器。通过采用具有较小能量储存容量的第一储存设备，对第一储存设备进行充电并且开始运行应用负载也将花费更少的时间。
第二参数VBatt2允许确定第二储存设备是否被充分充电以提供输出电力，并且这可以例如通过将VBatt2与预定义阈值VBatt2-low进行比较来确定，其中，如果VBatt2≥VBatt2-low，则认为第二储存设备已充电。
如果VBatt2<VBatt2-low，则认为第二储存设备未被充分充电至供应输出电力。
在实施例中，如果发生其中VBatt2已达到上限阈值VBatt2-max的情况，则对第一可再充电储存设备50和第二可再充电储存设备60进行充电的步骤包括另外的子步骤3a)iii)。子步骤3a)iii)与执行以下各项中的至少一项相对应：a)将第二电力输出路径32b断开耦接和/或将第一电力输入路径31a断开耦接，b)停止操作电压转换器系统20，c)耦接第一电力输入路径31a以及耦接第一电力输出路径32b。
在一些实施例中，在执行上文所讨论的通过重复执行子步骤1a)至4a)协调对第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电的步骤之前，执行将第二可再充电储存设备60预充电至预定义充电水平的初始步骤。对第二可再充电储存设备的预充电包括以下步骤：i)将第二电力输出路径32b耦接在电压转换器系统20与第二可再充电储存设备60之间，以将输出电力从电压转换器系统传递至第二可再充电储存设备60，以及ii)操作电压转换器系统20用来自能量采集器70的能量对第二可再充电储存设备60进行充电，直到参数VBatt2已达到预定义阈值VBatt2-PC，其中VBatt2-PC≥VBatt2-low。以此方式，确保当第一可再充电储存设备50被充电并且负载启用时，至少有最小量的能量已经储存在第二可再充电储存设备60中以保证应用负载的给定自主性。例如，如果能量采集器将在应用负载开始运行后不久停止供应能量，则在VBatt1下降至临界阈值水平VBatt1-SW以下时，第二可再充电储存设备中至少有足够的可用能量可以传递至第一可再充电储存设备。
在实施例中，本发明的方法包括针对参数VBatt1已下降至临界阈值VBatt1-SW以下并且第二可再充电储存设备60未被充电并且因此没有电荷可以从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备的情况的附加步骤。在此情况下，如果参数VBatt1已下降至临界阈值VBatt1-SW以下并且如果第二可再充电储存设备60未被充电，则该方法包括以下步骤：将第一电力输入路径断开耦接以及将第三电力输入路径耦接在如一次电池等辅助能量源与电压转换器系统之间，以将输入电力从辅助能量源传递至电压转换器系统20；以及操作电压转换器系统20用来自一次电池或替代性电源的能量对第一可再充电储存设备50进行充电，直到第一储存设备50的参数VBatt1已达到上限阈值VBatt1-up。
一次电池的示例是碱性电池或锌碳电池。有利地，由于电压转换器用于将电荷从一次电池传递至第一可再充电储存设备，因此一次电池的电压不需要与第一储存设备的最大电压相同。一次电池可以例如是具有1.5V典型电压水平的AAA电池，而第一可再充电储存设备可以是可再充电至3.7V典型电压的可再充电锂离子电池。
在实施例中，电压转换器系统20包括一个或多个电压转换器。电压转换器是例如DC-DC降压/升压电压转换器，其被配置用于：在Vin>Vout时，以降压模式运行，并且在Vin<Vout时，以升压模式运行，其中Vin和Vout分别是电压转换器的输入电压和输出电压。
在实施例中，电压转换器系统20包括电压转换器，该电压转换器被配置用于将经由耦接的电力输入路径31a、31b、31c接收的输入电力转换成经由耦接的电力输出路径32a、32b、32c输出的输出电力，并且其中，所述电压转换器是以下各项之一：升压电压转换器、降压电压转换器或降压-升压电压转换器。换句话说，在这些实施例中，单个电压转换器对第一储存设备和第二储存设备进行充电并且还在如上文所讨论的条件下将能量从第二储存设备传递至第一储存设备。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于能量采集的集成电路并且在图3中示出了包括这种集成电路1的用于能量采集的系统100的示例。利用包括根据本发明的集成电路的这种用于能量采集的系统，上文讨论的包括对第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备进行充电的步骤以及将电荷从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备的步骤的能量采集方法可以以自动化和受控的方式应用。
根据本发明的用于能量采集的集成电路必须被解释为包括集成电路和多个输入引脚和输出引脚(也称为端子)的微芯片。微芯片可以具有例如16至32个端子。通常，微芯片具有紧凑包装，该紧凑包装导致正方形或矩形占用面积的边长介于1mm与5mm之间。
如图3所展示的，用于能量采集的集成电路1包括可与能量采集器70连接的第一端子11、可与第一可再充电储存设备50连接的第二端子12和可与第二可再充电储存设备60连接的第三端子13。集成电路进一步包括：电压转换器系统20，该电压转换器系统适合于将输入电力转换成输出电力以对至少两个储存设备进行充电；控制器40，该控制器用于控制电压转换器系统20；以及监测单元45，该监测单元与控制器40耦接并且被配置用于监测参数VBatt1和参数VBatt2。参数VBatt1和VBatt2分别指示第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备分别连接至第二端子12和第三端子13时的充电水平。
在实施例中，参数VBatt1和参数VBatt2分别与在第二端子12和第三端子13处感测到的电压相对应。在其他实施例中，参数VBatt1和VBatt2分别与在第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备的充电过程中由电荷计数器计数的电荷量相对应。
如图3所示，集成电路1包括：多个电力输入路径31a、31b，该多个电力输入路径用于将输入电力从能量源传递至电压转换器系统；以及多个电力输出路径32a、32b，该多个电力输出路径用于将输出电力从电压转换器系统传输传递至集成电路的输出端子。这些输入电力路径和输出电力路径必须被解释为电导体。然而，电压转换器系统在运行时仅使用一个电力路径来接收输入电力并且仅使用一个输出路径来输出电力。因此，电压转换器系统20包括输入选择电路31，该输入选择电路用于从多个电力输入路径中选择一个电力输入路径，以经由所选电力输入路径接收输入电力。电压转换器进一步包括输出选择电路32，该输出选择电路用于从多个电力输出路径中选择一个电力输出路径，以经由所选输出路径输出输出电力。
集成电路1至少包括：第一电力输入路径31a，该第一电力输入路径被配置用于将输入电力从第一端子11传递至电压转换器系统20；以及第二电力输入路径31b，该第二电力输入路径用于将输入电力从第三端子13传递至电压转换器系统20。集成电路至少进一步包括：第一电力输出路径32a，该第一电力输出路径用于将输出电力从电压转换器系统20传递至第二端子12；以及第二电力输出路径32b，该第二电力输出路径用于将输出电力从电压转换器系统传递至第三端子13。以此方式，当第二储存设备连接至第三端子并且例如能量采集器未运行时，电压转换器系统可以将电荷从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备。
控制器40被配置成基于参数VBatt1与第一预定义阈值的比较和/或参数VBatt2与第二预定义阈值的比较来形成电力输入路径和电力输出路径的多个特定组合并且在该多个特定组合之间进行切换。控制器可以形成的特定组合如下：i)通过选择第一电力输入路径31a以及选择第一电力输出路径32a而形成的第一组合；ii)通过选择第一电力输入路径31a以及选择第二电力输出路径32b而形成的第二组合；以及iii)通过选择第二电力输入路径31b以及选择第一电力输出路径32a而形成的第三组合。如下文将进一步详细讨论的，控制器不仅可以形成这三种特定输入/输出组合之一，并且还可以基于参数VBatt1和/或参数VBatt2与预定义阈值的比较从一种特定组合切换到另一种特定组合。第一预定义阈值包括例如阈值VBatt1-SW、VBatt1-low和VBatt1-up，并且第二预定义阈值包括例如上文所讨论的阈值VBatt2-max和VBatt2-low。
如上文所限定的所选电力输入/输出路径的第一组合和第二组合与其中电压转换器系统将电力从能量采集器分别传递至第一储存设备和第二储存设备的组合相对应。第三组合与电压转换器系统将电力从第二储存设备传递至第一储存设备相对应。通过为VBatt1配置上限阈值水平和下限阈值水平，可以通过在根据参数VBatt1和/或VBatt2限定的输入/输出路径的组合之间切换来实施根据本发明的能量采集方法。实际上，上文所讨论的能量采集方法包括在电力输入/输出路径的第一组合与第二组合之间切换以使VBatt1保持在阈值VBatt1-low与VBatt1-up之间并且同时对第二储存设备进行充电的这些步骤。上文所讨论的根据本发明的方法还包括切换到电力输入/输出路径的第三组合的步骤，其中，如果VBatt1下降至临界阈值VBatt1-SW以下，则能量从第二储存设备传递至第一储存设备。仅当第二储存设备被充电时才执行切换到电力输入/输出路径的第三组合的条件，如上文所讨论的，通过将VBatt2与阈值进行比较来确定。
控制器基于如上文所讨论的条件和参数VBatt1和VBatt2的阈值来执行所选电力/输入路径的组合之间的切换。换句话说，控制器被配置用于：在参数VBatt1变为等于或大于上限阈值VBatt1-up时并且在参数VBatt2低于上限阈值VBatt2-max时，从第一组合切换到第二组合；在参数VBatt1从上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low时，其中VBatt1-low<VBatt1-up，从第二组合切换到第一组合；在参数VBatt1从下限阈值VBatt1-low下降至临界阈值VBatt1-SW时，其中VBatt1-SW<VBatt1-low，并且在VBatt2高于下限阈值VBatt2-low时，其中VBatt2-low<VBatt2-max，从第一组合切换到第三组合。
在实施例中，监测单元45包括用于将参数VBatt1和VBatt2与预定义阈值进行比较的信号比较器。如上所述，参数VBatt1和VBatt2与例如由电压测量产生的电压、由电荷计数器产生的电荷量或者代表可再充电能量储存设备的充电状态的任何其他量的检测相对应。信号比较器可以是本领域已知的模拟信号比较器或数字信号比较器。对于使用数字信号比较器的实施例，首先使用ADC(模数转换器)将一般模拟信号VBatt1和VBatt2数字化。预定义阈值可以是控制器本地存储的值，或者预定义阈值可以由参考电压发生器生成，或者可以使用PMIC外部的电压配置器并且可以通过配置端子或连接器传输阈值。
电压转换器系统20包括一个或多个电压转换器，并且电压转换器例如是升压电压转换器、降压电压转换器或降压-升压电压转换器。在图4a和图5中，示出了电压转换器系统20的实施例的示例，该电压转换器系统包括用于将经由所选电力输入路径接收的输入电力转换成经由所选电力输出路径输出的输出电力的单个电压转换器。在图4b、图6a和图6b中，示出了包括两个电压转换器的电压转换器系统20的示例，并且在图7和图8中，示出了包括三个电压转换器的电压转换器系统的示例。下文将更详细地进一步讨论电压转换器系统20的这些各种实施例。
必须在最广泛的意义上将术语“控制器”的使用解释为通常包括组合逻辑的电子数字电路。控制电压转换器系统的控制器被配置用于控制例如一个或多个电压转换器的切换并且控制输入选择电路和输出选择电路的切换。
图4a和图5示意性地展示了包括单个电压转换器的电压转换器系统的实施例，该单个电压转换器用于将经由所选电力输入路径接收的输入电力转换成经由所选电力输出路径输出的输出电力。所示的单个电压转换器使用电感器25，该电感器通常位于集成电路外部并且可以通过例如两个专用端子14、15或通过任何其他合适的耦接装置耦接到集成电路。将进一步讨论电压转换器的操作以及输入路径和输出路径的选择。
在图4a所示的实施例中，输入选择电路31包括：用于启用和禁用第一电力输入路径31a中的电流流动的第一输入开关SW1-IN；用于启用和禁用第二电力输入路径31b中的电流流动的第二输入开关SW2-IN；用于启用和禁用第一电力输出路径32a中的电流流动的第一输出开关SW1-OUT；以及用于启用和禁用第二电力输出路径32b中的电流流动的第二输出开关SW2-OUT。
应注意，在选择特定的输入电力路径时，根据定义，这意味着取消选择其他剩余输入路径。因此，从多个电力输入路径中选择“一个(a)”电力输入路径以经由所选电力输入路径接收输入电力必须被解释为从多个电力输入路径中选择“一个”电力输入路径。这是因为电压转换器系统仅可以接收一个电源作为输入通道，并且因此一次仅选择一个电力输入路径。对于电力输出路径也是如此，由于一次仅可以选择一个输出路径，因此如果选择了特定的输出路径，根据定义，这意味着取消选择其他剩余的输出路径。因此，从多个电力输出路径中选择“一个(a)”电力输出路径以经由所选电力输出路径输出输出电力必须被解释为从多个电力输出路径中选择“一个”电力输出路径。另一方面，例如可以取消选择所有电力输入路径和/或取消选择所有电力输出路径以停止电力传递。
为了用来自能量采集器70的能量对第一可再充电储存设备50进行充电，将选择第一输入路径31a和第一输出路径32a，并且因此其他输入路径和输出路径将被取消选择并且在第一储存设备50充电期间维持取消选择。例如通过分别断开开关SW2-IN和SW2-OUT来取消选择第二输入路径31b和第二输出路径32b。这些开关如图4a所示。
为了用来自能量采集器的能量对第二可再充电储存设备60进行充电，将选择第一输入路径31a和第二输出路径32b，并且其他输入路径和输出路径将被取消选择并且在第二可再充电储存设备充电期间维持取消选择。例如通过分别断开开关SW2-IN和SW1-OUT来取消选择第二输入路径31b和第一输出路径32a。
为了用来自第二可再充电储存设备60的能量对第一可再充电储存设备50进行充电，将选择第二输入路径31b和第一输出路径32a，并且其他输入路径和输出路径将被取消选择并且在从第二可再充电储存设备到第一可再充电储存设备的电荷传递期间维持取消选择。例如通过分别断开开关SW1-IN和SW2-OUT来取消选择第一输入路径31a和第二输出路径32b。
在优选的实施例中，电压转换器20是如图4a所展示的能够以升压模式或降压模式运行的DC-DC降压/升压电压转换器。当电压转换器输入电压小于电压转换器输出电压时，降压/升压电压转换器将以升压模式运行。另一方面，如果输入电压高于输出电压，则降压/升压电压转换器将以降压模式运行。例如，当选择第一输入路径31a和第一输出路径32a时，用于确定运行模式的输入电压和输出电压分别与第一端子11处的电压和第二端子12处的电压相对应。
为了在升压模式下操作图4a中所示的降压/升压电压转换器用来自能量采集器的能量对第一储存设备进行充电，开关SW1-IN维持闭合，并且在第一储存设备充电期间开关27a维持断开。升压模式开始于电感器25的磁能充电阶段，其中，开关27b闭合并且开关SW1-OUT断开，接着是磁能放电阶段，其中，开关27b断开并且开关SW1-OUT闭合。如本领域中已知的，通过重复控制开关27b和SW1-OUT，电力以升压模式从第一端子11(即能量采集器连接的端子)传递至第二端子12(第一可再充电储存设备连接的端子)。
为了在降压模式下操作图4a中所示的降压/升压电压转换器对第一储存设备进行充电，开关SW1-OUT维持闭合，并且在第一储存设备充电期间开关27b维持断开。降压模式开始于电感器25的磁能充电阶段，其中，开关27a断开并且开关SW1-IN闭合，接着是磁能放电阶段，其中，开关27a闭合并且开关SW1-IN断开。如本领域中已知的，通过重复控制开关27a和SW1-IN，电力以降压模式从第一端子11(即能量采集器连接的端子)传递至第二端子12(第一可再充电储存设备连接的端子)。
当第一储存设备50被充电，即达到参数值VBatt1-up时，连接至集成电路的第三端子13的第二储存设备60可以开始用来自能量采集器的能量进行充电。因此，通过断开开关SW1-OUT并且通过在第二可再充电储存设备充电期间维持此开关断开来取消选择第一输出路径32a。
为了用来自能量采集器的能量对第二可再充电储存设备进行充电，根据电压转换器的输入电压和输出电压，电压转换器还将以降压模式或升压模式运行。为了以升压模式下运行，开关SW1-IN维持闭合并且开关27a维持断开。类似于如上文所讨论的，升压模式开始于电感器的磁能充电阶段，其中，开关27b闭合并且开关SW2-OUT断开，接着是磁能放电阶段，其中，开关27b断开并且开关SW2-OUT闭合。这种对电感器进行磁性充电和磁性放电的循环被循环地重复。
为了用来自能量采集器的能量以降压模式对第二可再充电储存设备进行充电，开关SW2-OUT维持闭合并且开关27b维持断开。降压模式开始于电感器25的充电阶段，其中，开关27a断开并且开关SW1-IN闭合，接着是放电阶段，其中，开关27a闭合并且开关SW1-IN断开。这种对电感器进行磁性充电和磁性放电的循环被循环地重复。
图4a中所示的各种开关，即带有附图标记27a、27b、SW1-IN、SW2-IN、SW1-OUT和SW2-OUT的开关，必须被解释为被配置用于打开或关闭导电路径或导体的电子开关。这些开关是例如本领域已知的模拟电子开关。这些开关使用例如MOS晶体管。对于图4a所示的示例性实施例，集成电路的电子开关的数量受到限制，因为这些开关中的一些不仅用作操作DC/DC电压转换器所需的标准开关，而且还用于形成输入路径选择电路和输出路径选择电路的开关。
如上文所讨论的，能量转换器系统20不限于特定数量的电压转换器。在图4b中，示出了电压转换器系统20的示例，该电压转换器系统包括两个降压/升压电压转换器，并且其中，电压转换器系统包括多个开关，附图标记为27a、27b、28a、28b、SW1-IN、SW2-IN、SW1-OUT和SW2-OUT。开关27a、27b、SW1-IN、SW1-OUT和SW2-OUT用于操作第一降压/升压电压转换器将电力从能量采集器传递至电压为VBatt1的第一可再充电储存设备或电压为VBatt2的第二可再充电储存设备。开关28a、28b、SW2-IN和SW1-OUT用于操作第二降压/升压电压转换器将电力从电压为VBatt2的第二可再充电储存设备传递至电压为VBatt1的第一可再充电储存设备。应注意，开关SW1-IN、SW2-IN、SW1-OUT和SW2-OUT不但用于降压/升压电压转换器的标称操作，而且这些开关还形成输入选择电路31和输出选择电路32的一部分，用于选择如图4b示意性地展示的输入电力路径和输出电力路径。在该示例中，每个降压/升压电压转换器均使用专用电感器25、26。
在一些实施例中，除了用于操作电压转换器系统20的一个或多个电压转换器的标称电力开关外，也使用了附加专用开关，以形成输入选择电路和/或输出选择电路。如图6a至图8所示，将对多个实施例进一步讨论。
在图6a中，示出了电压转换器系统20的实施例的示例，除输入选择电路31和输出选择电路32外，该电压转换器系统还包括两个电压转换器21a和21b。如图6a进一步展示的，在该示例中示出了两个电力输入路径31a和31b以及两个电力输出路径32a和32b。第一电压转换器21a用于根据输出选择电路32选择的电力输出路径来将经由第一电力输入路径31a接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径32a或第二电力输出路径32b输出的输出电力。第二电压转换器21b用于将经由第二电力输入路径31b接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径32a输出的输出电力。两个电压转换器可使用一个或两个电感器(图6a中未示出)。两个电压转换器21a、21b不一定必须是同一类型，例如，第一电压转换器21a可以是降压-升压电压转换器，并且第二电压转换器21b可以是降压电压转换器或升压电压转换器。
在图6b中，示出了可以执行与图6a所示的实施例相同的功能的替代性实施例，但是其中输出选择电路32使用三个开关SW1-OUT、SW2-OUT和SW3-OUT代替两个输出开关。
在图7中，示出了包括三个电压转换器21a、21b、21c的电压转换器系统20的实施例的示例。第一电压转换器21a将经由第一电力输入路径31a接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径32a输出的输出电力。第二电压转换器21b将经由第二电力输入路径31b接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径32a输出的输出电力。最后，第三电压转换器21c将经由第一电力输入路径31a接收的输入电力转换成经由第二电力输出路径32b输出的输出电力。这三个电压转换器可以使用一个、两个或三个电感器(图7中未示出)。
在图8中，示出了输入选择电路31可以从三个电力输入路径31a、31b和31c中进行选择的示例。所示电压转换器系统20包括三个电压转换器21a、21b和21d。该示例中的第一电压转换器21a和第二电压转换器21b的功能性与图6a所示的和上文所讨论的示例相同。第三电压转换器21d用于将经由第三电力输入路径31c接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径32a输出的输出电力。
对于根据本发明的用于能量采集的集成电路，本领域技术人员可以指定除上文所以描述和图4a至图8所示的电压转换器系统之外的电压转换器系统20的其他实施例。根据本发明的电压转换器系统的实施例的共同点是，这些电压转换器系统都包括：输入选择电路31，该输入选择电路用于从多个电力输入路径中选择一个电力输入路径，以经由所选电力输入路径接收输入电力；以及输出选择电路32，该输出选择电路用于从多个电力输出路径中选择一个电力输出路径，以经由所选电力输出路径输出输出电力。应注意，如上文所讨论的，在一些实施例中，用于选择电力输入路径或选择电力输出路径的开关与DC/DC电压转换器的电力开关相对应，这些电力开关用于DC/DC电压转换器的标称操作。以此方式，可以限制电压转换器系统所需的开关总数。
在根据本发明的实施例中，控制器40被配置用于执行步骤A)选择第一输入路径31a以及执行以下子步骤A1)至A4)：A1)选择第一输出路径32a，A2)操作电压转换器20将经由第一电力输入路径31a接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径输出的输出电力，A3)如果VBatt1变为等于或大于上限阈值VBatt1-up，则取消选择第一输出路径32a，以及A4)如果VBatt2低于上限阈值VBatt2-max，则
i)选择第二输出路径32b，
ii)操作电压转换器系统20将经由第一电力输入路径31a接收的输入电力转换成经由第二电力输出路径32b输出的输出电力，以及
iii)如果VBatt1随后从上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low，其中，VBatt1-low<VBatt1-up，则取消选择第二输出路径32b并重新开始子步骤A1)。
以此方式，通过执行以上概述的步骤A)及其子步骤A1)至A4)，控制器40将参数VBatt1维持在阈值VBatt1-low与VBatt1-up之间。
在实施例中，如果VBatt1已从下限阈值VBatt1-low下降至临界阈值VBatt1-SW，其中，VBatt1-SW<VBatt1-low，并且如果VBatt2高于下限阈值VBatt2-low，其中，VBatt2-low<VBatt2-max，则控制器40被进一步配置用于执行步骤B)。步骤B)由以下子步骤组成：B1)选择第二输入路径31b，B2)选择第一输出路径32a，以及B3)操作电压转换器20将经由第二电力输入路径31b接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径32a输出的输出电力。
以此方式，通过将电荷从第二可再充电储存设备传递到第一可再充电储存设备，控制器避免了在能量采集器不运行时，第一可再充电储存设备被完全放电。同时，即使能量采集器已经停止运行，耦接到第一可再充电储存设备的应用负载也可以继续运行。
在根据本发明的实施例中，在执行上文所讨论的子步骤A4)时，如果VBatt2已达到上限阈值VBatt2-max，则控制器被配置用于另外执行步骤iv)。附加步骤iv)包括执行以下步骤之一：i)取消选择第二电力输出路径32b和/或取消选择第一电力输入路径31a，ii)停止操作电压转换器系统20，iii)选择第一输入路径31a以及选择第一输出路径32a。
以此方式，通过执行该附加步骤A4)iv)，电荷不再传递至连接到集成电路的第三端子的第二可再充电储存设备。这避免了第二可再充电储存设备被过量充电。
在实施例中，当在步骤A4)iv)中应用选择第一输入路径31a以及选择第一输出路径32a的选项iii)时，能量采集器再次用来自能量采集器的能量继续对第一可再充电储存设备进行充电。如果阈值VBatt1-up不是第一可再充电储存设备的最大充电水平，并且如果最大充电水平VBatt1-max存在且VBatt1-max>VBatt1-up，则在第二可再充电储存设备充满电的情况下，第一可再充电储存设备可以继续充电至最大充电水平VBatt1-max。
在实施例中，在执行上述步骤B时，控制器被配置成另外执行子步骤B4)，即如果电压VBatt1变为等于或大于上限阈值VBatt1-up，则执行以下步骤中的至少一个：i)取消选择第一电力输出路径32a和/或取消选择第二电力输入路径31b，ii)选择第一输入路径31a以及选择第二输出路径32b，iii)停止操作电压转换器20。在实施例中，当应用步骤ii)时，能量采集器将在运行时继续对第二可再充电储存设备进行充电。
以此方式，通过执行附加子步骤B4，电荷不再从连接到第三端子的第二可再充电储存设备传递至连接到第二端子的第一可再充电储存设备。这避免了第一可再充电储存设备被过量充电。在使用来自第二可再充电储存设备的电荷将第一可再充电储存设备充电至上限阈值VBatt1-up之后，如果应用负载正在消耗电力，则VBatt1的值将再次开始下降。如果能量采集器仍不运行或仍无法提供足够的电力，则即使在选择了第一电力输入路径和第一电力输出路径后，参数VBatt1将继续下降并再次下降至VBatt1-SW以下。当VBatt1下降至VBatt1-SW以下时，电力将再次从第二可再充电储存设备传递至第一可再充电储存设备。另一方面，如果能量采集器已开始运行并提供比应用负载所消耗电力更多的电力，则当VBatt1下降至VBatt1-low时，电力从能量采集器传递至第一可再充电储存设备，并且VBatt1再次增大，直到VBatt1达到上限阈值VBatt1-up。
在实施例中，监测单元45被配置成监测参数VH，该参数指示连接到第一端子的能量采集器是否处于运行状态。在实施例中，该参数可以是在第一输入端子处测得的电压。基于该参数VH，控制器可以决定何时重新选择第一电力输入路径，以接收来自能量采集器的电力，以及用来自能量采集器的电荷对第一可再充电储存设备进行充电，而不是用来自第二可再充电储存设备的电荷对第一可再充电储存设备进行充电。
根据本发明的用于能量采集的集成电路1不限于电力输入路径的数量和电力输出路径的数量。在图5中，示出了具有电压转换器的集成电路1，该集成电路具有被配置成在三个电力输入路径31a、31b和31c之间进行选择的输入选择电路31，以及具有被配置成在三个电力输出路径32a、32b和32c之间进行选择的输出选择电路32。在该示例中，输入选择电路31和输出选择电路32分别具有附加开关SW3-IN和附加开关SW3-OUT。
在另外的实施例中，第三电力输入路径31c用于将输入电力从第四端子传递至电压转换器系统20。第四端子可与如一次电池等辅助能量源连接。在这些实施例中，如果参数VBatt1已从下限阈值VBatt1-low下降至临界阈值VBatt1-SW，并且如果VBatt2低于下限阈值VBatt2-low，则控制器40被配置用于执行以下步骤：C1)选择第三电力输入路径31c，C2)选择第一电力输出路径32a，以及C3)操作电压转换器20将经由第三电力输入路径31c接收的输入电力转换成经由第一电力输出路径32a输出的输出电力。
以此方式，如果例如能量采集器未运行，并且如果第二可再充电储存设备未被充电，则可以使用耦接到第四端子的辅助电源对第一可再充电储存设备进行充电。
在特定实施例中，第三电力输出路径32c将电压转换器系统与第五端子耦接，该第五端子可与例如电压为VAUX的辅助可再充电储存设备连接。以此方式，当第一可再充电储存设备和第二可再充电储存设备充满电时，可以对第三可再充电储存设备进行充电。

Claims (18)

1.一种用于使用电压转换器系统(20)进行能量采集的方法，所述电压转换器系统用于将输入电力转换成输出电力并且用于至少对第一可再充电储存设备(50)和第二可再充电储存设备(60)进行充电，所述方法包括以下步骤：
·将第一电力输入路径(31a)耦接在能量采集器(70)与所述电压转换器系统(20)之间，以将输入电力从所述能量采集器(70)传递至所述电压转换器系统，
·监测分别指示所述第一可再充电储存设备(50)和所述第二可再充电储存设备(60)的充电水平的参数VBatt1和参数VBatt2，
·将所述第一可再充电储存设备(50)耦接到应用负载(90)，使得所述第一可再充电储存设备在被充电时能够为所述应用负载(90)供电，
·通过重复执行以下子步骤来协调所述第一可再充电储存设备(50)和所述第二可再充电储存设备(60)的充电：
1a)将第一电力输出路径(32a)耦接在所述电压转换器系统(20)与所述第一可再充电储存设备(50)之间，以将输出电力从所述电压转换器系统传递至所述第一可再充电储存设备(50)，
2a)操作所述电压转换器系统(20)将电荷从所述能量采集器(70)传递至所述第一可再充电储存设备(50)，以便用来自所述能量采集器(70)的能量对所述第一可再充电储存设备(50)进行充电，以及操作所述电压转换器系统对所述第一可再充电储存设备进行充电直到所述参数VBatt1已达到上限阈值VBatt1-up，
3a)如果VBatt1已达到所述上限阈值VBatt1-up，并且如果VBatt2低于上限阈值VBatt2-max，则
i)将所述第一电力输出路径(32a)断开耦接，以及将第二电力输出路径(32b)耦接在所述电压转换器系统(20)与所述第二可再充电储存设备(60)之间，以将输出电力从所述电压转换器系统传递至所述第二可再充电储存设备(60)，以及
ii)操作所述电压转换器系统(20)将来自所述能量采集器(70)的电荷传递至所述第一可再充电储存设备(50)，以便用来自所述能量采集器(70)的能量对所述第二可再充电储存设备(60)进行充电，
4a)如果在所述第二可再充电储存设备(60)充电期间所述参数VBatt1随后从所述上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low，其中VBatt1-low<VBatt1-up，则将所述第二电力输出路径(32b)断开耦接并重新开始步骤1a)，
·如果i)所述第一可再充电储存设备(50)的所述参数VBatt1已下降至临界阈值VBatt1-SW以下，其中VBatt1-SW<VBatt1-low，并且如果ii)所述参数VBatt2等于或高于预定义阈值VBatt2-low，则将能量从所述第二可再充电储存设备(60)传递至所述第一可再充电储存设备(50)，所述传递能量包括以下子步骤：
1b)将所述第一电力输入路径(31a)断开耦接，
2b)将第二电力输入路径(31b)耦接在所述第二可再充电储存设备(60)与所述电压转换器系统(20)之间，以将输入电力从所述第二可再充电储存设备(60)传递至所述电压转换器系统(20)，以及
3b)操作所述电压转换器系统(20)用来自所述第二可再充电储存设备(60)的能量对所述第一可再充电储存设备(50)进行充电，直到所述第一可再充电储存设备(50)的所述参数VBatt1达到所述上限阈值VBatt1-up。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二可再充电储存设备(60)的能量储存容量比所述第一可再充电储存设备(50)的能量储存容量大五倍以上，优选地，十倍以上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述协调所述第一可再充电储存设备(50)和所述第二可再充电储存设备(60)的充电的步骤包括以下子步骤：
3a)iii)如果VBatt2已达到所述上限阈值VBatt2-max，则执行以下步骤中的至少一个：
a)将所述第二电力输出路径(32b)断开耦接和/或将所述第一电力输入路径(31a)断开耦接，
b)停止操作所述电压转换器系统(20)，
c)耦接所述第一电力输入路径(31a)以及耦接所述第一电力输出路径(32b)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述将能量从所述第二可再充电储存设备(60)传递至所述第一可再充电储存设备(50)包括另外的子步骤：
4b)如果所述参数VBatt1已达到所述上限阈值VBatt1-up，则执行以下步骤中的一个或组合：
i)将所述第一电力输出路径(32a)断开耦接和/或将所述第二电力输入路径(31b)断开耦接，ii)耦接所述第一电力输入路径(31a)以及耦接所述第二电力输出路径(32b)，iii)停止操作所述电压转换器系统(20)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
·如果所述参数VBatt1已下降至所述临界阈值VBatt1-SW以下，并且如果所述第二可再充电储存设备(60)未充电，则将所述第一电力输入路径(31a)断开耦接以及将第三电力输入路径(31c)耦接在如一次电池等辅助能量源与所述电压转换器系统之间，以将输入电力从所述辅助能量源传递至所述电压转换器系统(20)，以及操作所述电压转换器系统(20)用来自所述辅助能量源的能量对所述第一可再充电储存设备(50)进行充电，直到所述第一储存设备(50)的所述参数VBatt1已达到所述上限阈值VBatt1-up。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
·通过执行以下步骤来对所述第二可再充电储存设备(60)进行预充电：i)将所述第二电力输出路径(32b)耦接在所述电压转换器系统(20)与所述第二可再充电储存设备(60)之间，以将输出电力从所述电压转换器系统传递至所述第二可再充电储存设备(60)，ii)操作所述电压转换器系统(20)用来自所述能量采集器(70)的能量对所述第二可再充电储存设备(60)进行充电，直到参数VBatt2已达到预定义阈值VBatt2-PC，其中VBatt2-PC≥VBatt2-low，并且其中，在执行所述协调所述第一可再充电储存设备(50)和所述第二可再充电储存设备(60)的充电之前，执行所述预充电步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电压转换器系统(20)包括电压转换器，所述电压转换器被配置用于将经由耦接的电力输入路径(31a，31b，31c)接收的输入电力转换成经由耦接的电力输出路径(32a，32b，32c)输出的输出电力，并且其中，所述电压转换器是以下各项之一：升压电压转换器、降压电压转换器或降压-升压电压转换器。
8.一种用于能量采集的集成电路(1)，所述集成电路包括
·电压转换器系统(20)，所述电压转换器系统适合于将输入电力转换成输出电力并且适合于对至少两个可再充电储存设备进行充电，
·第一端子(11)，所述第一端子能够与能量采集器(70)连接，
·第二端子(12)，所述第二端子能够与第一可再充电储存设备(50)连接，
·第三端子(13)，所述第三端子能够与第二可再充电储存设备(60)连接，
·控制器(40)，所述控制器用于控制所述电压转换器系统(20)，
·多个电力输入路径，所述多个电力输入路径至少包括用于将输入电力从所述第一端子(11)传递至所述电压转换器系统(20)的第一电力输入路径(31a)，
·多个电力输出路径，所述多个电力输出路径至少包括用于将输出电力从所述电压转换器系统(20)传递至所述第二端子(12)的第一电力输出路径(32a)和用于将输出电力从所述电压转换器系统传递至所述第三端子(13)的第二电力输出路径(32b)，
·监测单元(45)，所述监测单元与所述控制器(40)耦接并被配置用于当所述第一可再充电储存设备(50)和所述第二可再充电储存设备(60)分别连接到所述第二端子(12)和所述第三端子(13)时，监测分别指示所述第一可再充电储存设备和所述第二可再充电储存设备的充电水平的参数VBatt1和参数VBatt2，
其特征在于，所述多个电力输入路径包括第二电力输入路径(31b)，所述第二电力输入路径用于将输入电力从所述第三端子(13)传递至所述电压转换器系统(20)，
并且其特征在于，所述电压转换器系统(20)包括输入选择电路(31)和输出选择电路(32)，所述输入选择电路被配置用于从所述多个电力输入路径中选择一个电力输入路径，以经由所选电力输入路径接收输入电力，所述输出选择电路被配置用于从所述多个电力输出路径中选择一个电力输出路径，以经由所选电力输出路径输出输出电力，
并且其特征在于，所述控制器(40)被配置成基于所述参数VBatt1与第一预定义阈值的比较和/或所述参数VBatt2与第二预定义阈值的比较来形成电力输入路径和电力输出路径的多个特定组合并且在所述多个特定组合之间进行切换，并且其中，所述特定组合包括：
i)通过选择所述第一电力输入路径(31a)以及选择所述第一电力输出路径(32a)而形成的第一组合，
ii)通过选择所述第一电力输入路径(31a)以及选择所述第二电力输出路径(32b)而形成的第二组合，
iii)通过选择所述第二电力输入路径(31b)以及选择所述第一电力输出路径(32a)而形成的第三组合。
9.根据权利要求8所述的集成电路(1)，其中，所述控制器(40)被配置用于执行以下操作：
A.选择所述第一电力输入路径(31a)以及重复执行以下子步骤：
A1)选择所述第一电力输出路径(32a)，
A2)操作所述电压转换器系统(20)将经由所述第一电力输入路径(31a)接收的输入电力转换成经由所述第一电力输出路径(32a)输出的输出电力，
A3)如果VBatt1变为等于或大于上限阈值VBatt1-up，则取消选择所述第一电力输出路径(32a)，
A4)如果VBatt2低于上限阈值VBatt2-max，则
i)选择所述第二电力输出路径(32b)，
ii)操作所述电压转换器系统(20)将经由所述第一电力输入路径(31a)接收的输入电力转换成经由所述第二电力输出路径(32b)输出的输出电力，以及
iii)如果VBatt1随后从所述上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low，其中VBatt1-low<VBatt1-up，则取消选择所述第二电力输出路径(32b)并重新开始步骤A1)，
B.如果VBatt1已从所述下限阈值VBatt1-low下降至临界阈值VBatt1-SW，其中VBatt1-SW<VBatt1-low，并且如果VBatt2高于下限阈值VBatt2-low，其中VBatt2-low<VBatt2-max，则执行以下子步骤：
B1)选择所述第二电力输入路径(31b)，
B2)选择所述第一电力输出路径(32a)，以及
B3)操作所述电压转换器系统(20)将经由所述第二电力输入路径(31b)接收的输入电力转换成经由所述第一电力输出路径(32a)输出的输出电力。
10.根据权利要求9所述的集成电路(1)，其中，所述子步骤A4)包括另外的步骤：
A4)iv)如果VBatt2已达到所述上限阈值VBatt2-max，则执行以下步骤中的至少一个：i)取消选择所述第二电力输出路径(32b)和/或取消选择所述第一电力输入路径(31a)，ii)停止操作所述电压转换器系统(20)，iii)选择所述第一输入路径(31a)以及选择所述第一输出路径(32a)。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的集成电路(1)，其中，所述控制器被配置用于执行另外的子步骤：
B4)如果所述电压VBatt1变为等于或大于所述上限阈值VBatt1-up，则执行以下步骤中的至少一个：i)取消选择所述第一电力输出路径(32a)和/或取消选择所述第二电力输入路径(31b)，ii)选择所述第一电力输入路径(31a)以及选择所述第二电力输出路径(32b)，iii)停止操作所述电压转换器系统(20)。
12.根据权利要求8所述的集成电路(1)，其中，所述控制器(40)被进一步配置用于：
·如果所述参数VBatt1变为等于或大于上限阈值VBatt1-up并且如果所述参数VBatt2低于上限阈值VBatt2-max，则从所述第一组合切换到所述第二组合，
·如果所述参数VBatt1已从所述上限阈值VBatt1-up下降至下限阈值VBatt1-low，其中VBatt1-low<VBatt1-up，则从所述第二组合切换到所述第一组合，以及
·如果所述参数VBatt1已从所述下限阈值VBatt1-low下降至临界阈值VBatt1-SW，其中VBatt1-SW<VBatt1-low，并且如果VBatt2高于下限阈值VBatt2-low，其中VBatt2-low<VBatt2-max，则从所述第一组合切换到所述第三组合。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的集成电路(1)，其中，所述输入选择电路(31)包括用于启用和禁用所述第一电力输入路径(31a)中的电流流动的第一输入开关(SW1-IN)，用于启用和禁用所述第二电力输入路径(31b)中的电流流动的第二输入开关(SW2-IN)，用于启用和禁用所述第一电力输出路径(32a)中的电流流动的第一输出开关(SW1-OUT)，以及用于启用和禁用所述第二电力输出路径(32b)中的电流流动的第二输出开关(SW2-OUT)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的集成电路(1)，包括第四端子，所述第四端子能够与如一次电池等辅助能量源连接，并且其中，所述多个电力输入路径包括第三输入路径(31c)，所述第三输入路径用于将输入电力从所述第四端子传递至所述电压转换器系统，并且其中，所述特定组合包括：
iv)通过选择所述第三电力输入路径(31c)以及选择所述第一电力输出路径(32a)而形成的第四组合。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的集成电路(1)，其中，所述电压转换器系统(20)包括电压转换器，所述电压转换器用于将经由所选电力输入路径(31a，31b，31c)接收的输入电力转换成经由所选电力输出路径(32a，32b，32c)输出的输出电力，并且其中，所述电压转换器是以下各项之一：升压电压转换器、降压电压转换器或降压-升压电压转换器。
16.根据权利要求8至14中任一项所述的集成电路(1)，其中，所述电压转换器系统(20)包括
·第一电压转换器(21a)，所述第一电压转换器用于将经由所述第一电力输入路径(31a)接收的输入电力转换成经由所述第一电力输出路径(32a)或所述第二电力输出路径(32b)输出的输出电力，
·第二电压转换器(21b)，所述第二电压转换器用于将经由所述第二电力输入路径(31b)接收的输入电力转换成经由所述第一电力输出路径(32a)输出的输出电力。
17.根据权利要求8至14中任一项所述的集成电路(1)，其中，所述电压转换器系统(20)包括
·第一电压转换器(21a)，所述第一电压转换器用于将经由所述第一电力输入路径(31a)接收的输入电力转换成经由所述第一电力输出路径(32a)输出的输出电力，
·第二电压转换器(21b)，所述第二电压转换器用于将经由所述第二电力输入路径(31b)接收的输入电力转换成经由所述第一电力输出路径(32a)输出的输出电力，
·第三电压转换器(21c)，所述第三电压转换器用于将经由所述第一电力输入路径(31a)接收的输入电力转换成经由所述第二电力输出路径(32b)输出的输出电力。
18.一种用于能量采集的系统，所述系统包括：
·根据权利要求8至17中任一项所述的集成电路(1)，
·能量采集器(70)，所述能量采集器耦接到所述第一端子(11)，
·第一可再充电储存设备(50)，所述第一可再充电储存设备耦接到所述第二端子(12)，优选地，所述第一可再充电储存设备是可再充电电池、电容器或超级电容器，
·第二可再充电储存设备(60)，所述第二可再充电储存设备耦接到所述第三端子(13)，优选地，所述第二可再充电储存设备是可再充电电池、电容器或超级电容器，并且其中，所述第二可再充电储存设备(60)的能量储存容量比所述第一可再充电储存设备(50)的能量储存容量大五倍以上，优选地，十倍以上。
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