CN202737786U - 太阳能供电电源及应用其的无线传感节点 - Google Patents

太阳能供电电源及应用其的无线传感节点 Download PDF

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韩建康
刘云浩
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Abstract

本实用新型提供一种太阳能供电电源及应用其的无线传感节点，所述太阳能电池板的第一输出端通过所述电容充电控制电路与所述超级电容的输入端连接；所述太阳能电池板的第二输出端通过所述电池充电控制电路与所述充电电池的输入端连接；所述超级电容的第一输出端连接到所述升压稳压电路的第一输入端；所述充电电池的第一输出端以及所述超级电容的第二输出端均连接到所述供电切换电路的输入端，所述供电切换电路的输出端连接到所述升压稳压电路的第二输入端；所述升压稳压电路的输出端连接到所述供电输出接口的输入端。本实用新型具有无污染、低成本、超低功耗和超长使用寿命的优点。

Description

太阳能供电电源及应用其的无线传感节点
技术领域
本实用新型属于太阳能应用技术领域，具体涉及一种太阳能供电电源及应用其的无线传感节点。
背景技术
随着物联网技术的日益发展，无线传感网络节点越来越具有数量庞大和分布广泛的特点。目前，无线传感网络节点通常采用的供电电源为干电池。因此，一方面，由于干电池寿命有限，所以，为数量众多且分布广泛的无线传感网络节点更换电池需要耗费大量的人力和财力，具有更换不方便的缺陷；另一方面，更换干电池会造成严重的二次环境污染。
因此，供电电源已成为目前物联网发展的瓶颈。
实用新型内容
针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种太阳能供电电源及应用其的无线传感节点，具有无污染、低成本、超低功耗和超长使用寿命的优点。
本实用新型采用的技术方案如下：
本实用新型提供一种太阳能供电电源，包括太阳能电池板、超级电容、电容充电控制电路、充电电池、电池充电控制电路、供电切换电路、升压稳压电路和供电输出接口；所述太阳能电池板的第一输出端通过所述电容充电控制电路与所述超级电容的输入端连接；所述太阳能电池板的第二输出端通过所述电池充电控制电路与所述充电电池的输入端连接；所述超级电容的第一输出端连接到所述升压稳压电路的第一输入端；所述充电电池的第一输出端以及所述超级电容的第二输出端均连接到所述供电切换电路的输入端，所述供电切换电路的输出端连接到所述升压稳压电路的第二输入端；所述升压稳压电路的输出端连接到所述供电输出接口的输入端。
优选的，所述电容充电控制电路包括第一电容电压探测电路和第一开关IC器件；所述第一开关IC器件的第一输入端与所述太阳能电池板的所述第一输出端连接，所述第一开关IC器件的输出端与所述超级电容的输入端连接；所述第一电容电压探测电路的输入端与所述超级电容的第三输出端连接，所述第一电容电压探测电路的输出端连接到所述第一开关IC器件的第二输入端。
优选的，所述电池充电控制电路包括电池电压探测电路和第二开关IC器件；所述第二开关IC器件的第一输入端与所述太阳能电池板的所述第二输出端连接，所述第二开关IC器件的输出端与所述充电电池的输入端连接；所述电池电压探测电路的输入端与所述充电电池的第二输出端连接，所述电池电压探测电路的输出端连接到所述第二开关IC器件的第二输入端。
优选的，所述供电切换电路包括第二电容电压探测电路和第三开关IC器件；所述第三开关IC器件的第一输入端与所述充电电池的第一输出端连接，所述第三开关IC器件的输出端与所述升压稳压电路的第二输入端连接；所述第二电容电压探测电路的输入端与所述超级电容的第二输出端连接，所述第二电容电压探测电路的输出端与所述第三开关IC器件的第二输入端连接。
优选的，还包括电容电量监测电路；所述电容电量监测电路的输入端与所述超级电容的第四输出端连接。
优选的，所述升压稳压电路为3.3V DC-DC升压稳压芯片。
本实用新型还提供一种无线传感节点，所述无线传感节点的供电电源为上述的太阳能供电电源。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型提供的太阳能供电电源，用于小功率电路的供电，具有以下优点：
(1)超低功耗：太阳能供电电源所采用的每个IC芯片都是精选超低功耗IC芯片，芯片电路电流都是nA级。
(2)超低启动电压：太阳能供电电源最低启充电压为0.9V；例如：1W，6V的太阳能电池板在室内灯光下就能产生大于1V的电压。
(3)超长寿命：在反复充放电的情况下，超级电容寿命长达90000小时，远大于一般的蓄电池寿命。
(4)超长一次工作时长：太阳能供电电源在超级电容和充电电池自动切换的工作状态下，在连续无光照恶劣天气下一次工作时间长达一个月以上。
(5)无MCU：太阳能供电电源中采用的各种电路都是在太阳能供电下由硬件电路自动触发完成的。
(6)快速充电：在一般的情况下，每天充电2小时即可达到饱和。
(7)绿色环保、无污染：太阳能是洁净新能源，超级电容也是绿色无污染产品。
(8)应用范围广：太阳能供电电源输出的电源均是经过升压稳压电路调理的，因此，只需更改升压稳压电路的相关设置，即能实现任意电压值的稳压输出。
附图说明
图1为本实用新型提供的太阳能供电电源的结构示意图；
图2为一种应用本实用新型提供的太阳能供电电源的场景结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细说明：
如图1所示，本实用新型提供的太阳能供电电源包括太阳能电池板、超级电容、电容充电控制电路、充电电池、电池充电控制电路、供电切换电路、升压稳压电路和供电输出接口；所述太阳能电池板的第一输出端通过所述电容充电控制电路与所述超级电容的输入端连接；所述太阳能电池板的第二输出端通过所述电池充电控制电路与所述充电电池的输入端连接；所述超级电容的第一输出端连接到所述升压稳压电路的第一输入端；所述充电电池的第一输出端以及所述超级电容的第二输出端均连接到所述供电切换电路的输入端，所述供电切换电路的输出端连接到所述升压稳压电路的第二输入端；所述升压稳压电路的输出端连接到所述供电输出接口的输入端。其中，由于超级电容和充电电池输出电压随能量的释放而减少，自身无法达到稳定输出，因此，为实现向用电设备输出稳定电压的目的，并且实现更充分的利用剩余能量，在超级电容和充电电池输出接口都经过升压稳压电路连接供电输出接口；具体的，升压稳压电路可以采用DC-DC升压稳压芯片，稳压值可以为3.3V。外接电感、电容和二极管构建Boost变换器，0.9V到2.7V的电压经过升压稳压模块后可以实现3.3V恒压输出。其中，Boost变换器又称为升压变压器、并联开关电路或三段开关型升压稳压器，是一种采用开关电路的方式实现低压输入变成高压输出的功能。
以下对本实用新型涉及的各部件分别详细介绍：
(一)太阳能电池板
太阳能电池板是将太阳的辐射光能转换为电能的设备。目前应用最为广泛的太阳能电池板主要是普通单晶硅和多晶硅，采用高效率的单晶硅或者多晶硅太阳电池片制造，其转换效率高达15％，使用寿命高达25年以上，具有衰减小、可靠性好和寿命长的优点。
(二)超级电容
超级电容是一种介于传统电容和二次电池之间的新型储能器件，兼有传统电容的高功率和电池高能量的特性，同时还具有高比功率、大电流充放电能力、长寿命、超低温性能、高可靠性和绿色环保等特点。
(三)充电电池
本实用新型中，充电电池为采用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，又称磷酸铁锂电池。具有以下优点：(1)使用寿命长：其循环寿命达到2000次以上。(2)可在2C大电流快速放电，1.5C充电40分钟即可充满。(3)无记忆效应：电池无论处于任何状态，均可随充随用，无须先放完电才能再充电。(4)耐高温性能：电热峰值可达350℃-500℃。(5)电池所用材料的污染小。
(四)电容充电控制电路
电容充电控制电路主要用于控制超级电容的充电情况。实际使用中，电容充电控制电路包括第一电容电压探测电路和第一开关IC器件；所述第一开关IC器件的第一输入端与所述太阳能电池板的所述第一输出端连接，所述第一开关IC器件的输出端与所述超级电容的输入端连接；所述第一电容电压探测电路的输入端与所述超级电容的第三输出端连接，所述第一电容电压探测电路的输出端连接到所述第一开关IC器件的第二输入端。
其工作原理为：太阳能电池板按照光电转换原理将光能转换为电能，作为供电电源给超级电容充电；第一电容电压探测电路检测超级电容的端电压，当检测到的超级电容的端电压饱和时，例如：超级电容的饱和电压可以为2.7V，触发第一电容电压探测电路产生一个高电平，经CMOS取反送到第一开关IC器件的控制端，进而关闭第一开关IC器件，使电路处于断开状态，因此，太阳能电池板不会继续向超级电容供电，从而防止超级电容过充情况发生；而当超级电容在使用过程中其端电压会逐渐下降，当超级电容的端电压低于另一个阈值时，例如：2.5V，触发第一电容电压探测电路产生一个低电平，经CMOS取反送到第一开关IC器件的控制端，进而打开第一开关IC器件，使电路处于闭合状态，进而使太阳能电池板继续向超级电容供电，直到达到超级电容的饱和状态。通过上述循环过程，可以有效的将太阳能电池板转化得到的电能储存在超级电容内，并且，能够防止超级电容过充情况的发生，提高了超级电容充电的安全性。
此外，为实现外界对超级电容储能量的监测，还包括电容电量监测电路；所述电容电量监测电路的输入端与所述超级电容的第四输出端连接。具体的，可以在超级电容两端引出一根信号线连接到无线传感节点的A/D口，根据需要设置一定时间间隔返回电压值监测报告。
(五)电池充电控制电路
电池充电控制电路主要用于控制充电电池的充电情况。实际使用中，电池充电控制电路包括电池电压探测电路和第二开关IC器件；所述第二开关IC器件的第一输入端与所述太阳能电池板的所述第二输出端连接，所述第二开关IC器件的输出端与所述充电电池的输入端连接；所述电池电压探测电路的输入端与所述充电电池的第二输出端连接，所述电池电压探测电路的输出端连接到所述第二开关IC器件的第二输入端。
其工作原理为：太阳能电池板按照光电转换原理将光能转换为电能，作为供电电源给充电电池充电；电池电压探测电路检测充电电池的端电压，当检测到的充电电池的端电压饱和时，例如：充电电池的饱和电压可以为3.3V，触发电池电压探测电路产生一个高电平，经CMOS取反送到第二开关IC器件的控制端，进而关闭第二开关IC器件，使电路处于断开状态，因此，太阳能电池板不会继续向充电电池供电，从而防止充电电池过充情况发生；而当充电电池在使用过程中其端电压会逐渐下降，当充电电池的端电压达到另一个阈值时，例如：3.1V，触发电池电压探测电路产生一个低电平，经CMOS取反送到第二开关IC器件的控制端，进而打开第二开关IC器件，使电路处于闭合状态，进而使太阳能电池板继续向充电电池供电，直到达到充电电池的饱和状态。通过上述循环过程，可以有效的将太阳能电池板转化得到的电能储存在充电电池内，并且，能够防止充电电池过充情况的发生，提高了充电电池充电的安全性。
(六)供电切换电路
供电切换电路用于实现超级电容和充电电池供电之间的切换。供电切换电路包括第二电容电压探测电路和第三开关IC器件；所述第三开关IC器件的第一输入端与所述充电电池的第一输出端连接，所述第三开关IC器件的输出端与所述升压稳压电路的第二输入端连接；所述第二电容电压探测电路的输入端与所述超级电容的第二输出端连接，所述第二电容电压探测电路的输出端与所述第三开关IC器件的第二输入端连接。
其工作原理为：充电电池连接到第三开关IC器件第一输入端，超级电容经过第二电容电压探测电路连接到第三开关IC器件第二输入端，第三开关IC器件输出端经升压稳压电路连接到供电输出接口。当太阳光充足时，第二电容电压探测电路探测到超极电容的端电压大于某一阈值A时，关闭第三开关IC器件，此时，只由超级电容向外供电，而充电电池不向外供电；而当太阳光不充足时，第二电容电压探测电路探测到超极电容的端电压小于某一阈值A时，表明超级电容已处于低电压状态，因此，打开第三开关IC器件，此时，超级电容与充电电池同时向外供电；其中，阈值A可以为0.9V。通过供电切换电路，一方面，当光照充足时，使用超级电容供电，有效的保护了充电电池，避免反复充电以延长充电电池的寿命；而当光照不充足时，为保证太阳能供电电源向外界供应必需的电量，保证无线传感网络节点的正常工作，采用充电电池供电，从而延长了连续无光照恶劣天气下的太阳能供电电源工作时长。
需要说明的是，本实用新型中，第一开关IC器件的第二输入端、第二开关IC器件的第二输入端和第三开关IC器件的第二输入端分别为第一开关IC器件的控制输入端、第二开关IC器件的控制输入端和第三开关IC器件的控制输入端，通过控制输入端实现对开关IC器件的开关状态的控制。
如图2所示，为应用上述太阳能供电电源的一种具体场景：设计一块比超级电容直径还小的电路板，超级电容和充电电池分别布局于电路板的两面。从电路板引出四个端口，分别为太阳能电源输入端、稳压输出端、电容电量监测端和充电电池输入端；其中，太阳能电源输入端与太阳能电池板连接，稳压输出端与无线传感节点的电压输入接口连接，充电电池输入端与充电电池的正负极连接，电容电量监测端与无线传感节点的任意一个A/D输入口连接。在物联网的每一个无线传感节点均安装上述太阳能供电电源，并且，在每个无线传感节点中还可以安装各类传感器，例如：温湿度传感器、光照强度传感器、磁感强度传感器、二氧化碳浓度传感器。通过无线传感节点的A/D口测量超级电容电量，可以与其他各类测量数据一起传输给无线传感节点终端，再由无线传感节点终端传输给服务器，可以根据实际需要设定返回测量数据的时间间隔，通过分析显示返回的测量数据，可实现对超级电容的电量的实时监测。并且，通过分析超级电容的电量数据曲线，还可以计算对应的无线传感节点的实时功耗。
综上所述，本实用新型提供的太阳能供电电源，用于小功率电路的供电，具有以下优点：
(1)超低功耗：太阳能供电电源所采用的每个IC芯片都是精选超低功耗IC芯片，芯片电路电流都是nA级。
(2)超低启动电压：太阳能供电电源最低启充电压为0.9V；例如：1W，6V的太阳能电池板在室内灯光下就能产生大于1V的电压。
(3)超长寿命：在反复充放电的情况下，超级电容寿命长达90000小时，远大于一般的蓄电池寿命。
(4)超长一次工作时长：太阳能供电电源在超级电容和充电电池自动切换的工作状态下，在连续无光照恶劣天气下一次工作时间长达一个月以上。
(5)无MCU：太阳能供电电源中采用的各种电路都是在太阳能供电下由硬件电路自动触发完成的。
(6)快速充电：在一般的情况下，每天充电2小时即可达到饱和。
(7)绿色环保、无污染：太阳能是洁净新能源，超级电容也是绿色无污染产品。
(8)应用范围广：太阳能供电电源输出的电源均是经过升压稳压电路调理的，因此，只需更改升压稳压电路的相关设置，即能实现任意电压值的稳压输出。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种太阳能供电电源，其特征在于，包括太阳能电池板、超级电容、电容充电控制电路、充电电池、电池充电控制电路、供电切换电路、升压稳压电路和供电输出接口；所述太阳能电池板的第一输出端通过所述电容充电控制电路与所述超级电容的输入端连接；所述太阳能电池板的第二输出端通过所述电池充电控制电路与所述充电电池的输入端连接；所述超级电容的第一输出端连接到所述升压稳压电路的第一输入端；所述充电电池的第一输出端以及所述超级电容的第二输出端均连接到所述供电切换电路的输入端，所述供电切换电路的输出端连接到所述升压稳压电路的第二输入端；所述升压稳压电路的输出端连接到所述供电输出接口的输入端。
2.根据权利要求1所述的太阳能供电电源，其特征在于，所述电容充电控制电路包括第一电容电压探测电路和第一开关IC器件；所述第一开关IC器件的第一输入端与所述太阳能电池板的所述第一输出端连接，所述第一开关IC器件的输出端与所述超级电容的输入端连接；所述第一电容电压探测电路的输入端与所述超级电容的第三输出端连接，所述第一电容电压探测电路的输出端连接到所述第一开关IC器件的第二输入端。
3.根据权利要求1所述的太阳能供电电源，其特征在于，所述电池充电控制电路包括电池电压探测电路和第二开关IC器件；所述第二开关IC器件的第一输入端与所述太阳能电池板的所述第二输出端连接，所述第二开关IC器件的输出端与所述充电电池的输入端连接；所述电池电压探测电路的输入端与所述充电电池的第二输出端连接，所述电池电压探测电路的输出端连接到所述第二开关IC器件的第二输入端。
4.根据权利要求1所述的太阳能供电电源，其特征在于，所述供电切换电路包括第二电容电压探测电路和第三开关IC器件；所述第三开关IC器件的第一输入端与所述充电电池的第一输出端连接，所述第三开关IC器件的输出端与所述升压稳压电路的第二输入端连接；所述第二电容电压探测电路的输入端与所述超级电容的第二输出端连接，所述第二电容电压探测电路的输出端与所述第三开关IC器件的第二输入端连接。
5.根据权利要求1所述的太阳能供电电源，其特征在于，还包括电容电量监测电路；所述电容电量监测电路的输入端与所述超级电容的第四输出端连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的太阳能供电电源，其特征在于，所述升压稳压电路为3.3V DC-DC升压稳压芯片。
7.一种无线传感节点，其特征在于，所述无线传感节点的供电电源为权利要求1-6任一项所述的太阳能供电电源。
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