一种自供能系统和工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自供能系统和系统工作方法，涉及能量管理领域。该自供能系统包括能量收集模块和能量管理模块，能量收集模块通过能量管理模块与负载设备相连接，从而向负载设备提供工作能量；所述能量收集模块用于收集环境能量并将环境能量转换为电能后输出；所述能量管理模块用于接收能量收集模块输出的电能，并根据系统的配置和各级能耗的需求，向各级耗电电路输出稳定电能；所述负载设备包括传感器、处理器、通信模块或通信设备中的至少一个用于完成相应电路功能的耗能元件。本发明专利技术提供的方案能实现能量完全自供给，不需要外接备用电池；能够智能地进行开关的判断，并自适应的调节负载的工作周期，同时具有超低功耗的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种自供能系统和工作方法
本专利技术涉及能量管理领域，尤其是一种完全自供能的电系统和系统工作方法。
技术介绍
近年来自供能技术发展迅速，现有技术中存在多种不同的自供能技术可以将环境能量，比如动能、光能、电磁辐射、温度变化(温差)、人体运动能量、振动源等，转换为电能。自供能技术被广泛用于能量受限和要求长寿命的电路系统设计中，例如微型传感器的供电。针对大多数环境能具有低能量密度的特性，还需要配合专用的针对能量收集的能量管理方法用于快速积累电量提供稳定供电。在文献[1]中，设计出一种有正负反馈的DC-DC升压转换电路，以产生周期电压控制系统周期性充放电；[2-3]利用AC-DC升压转换器或升降压转换器，放大能量收集设备的低电压；[4]采用机械式的开关来产生周期开关动作，实现周期性充放电；[5-6]设计出基于变压器的完全自供能的压电能量管理电路，该电路利用变压器放大收集的能量。以上现有技术中，升压或者降压转换器[1-3]都需要额外的DC源，因此需要嵌入后备电池供电，虽然机械开关[4]和变压器[5]不需要额外的电源供电，但都难以控制体积。并且现有技术中的方法都不考虑负载的工作需求，负载始终保持固定的耗电状态，这对于严格受到能量限制的自供能系统来说也是不可忽视的浪费。[1]X.Cao,W.-J.Chiang,Y.-C.King,andY.-K.Lee,“ElectromagneticenergyharvestingcircuitwithfeedforwardandfeedbackDC–DCPWMboostconverterforvibrationpowergeneratorsystem,”IEEETrans.PowerElectron.,vol.22,no.2,pp.679–685,Mar.2007.pp.158–166,Dec.2012.[2]R.DayalandL.Persa,“Low-powerlow-voltageAC-DCconvertersforelectromagneticenergyharvestingwithefficientindirectfeedbackscheme,”IETPowerElectron.,vol.5,no.9,pp.1923–1933,Nov.2012.[3]T.Guo,R.Kerley,andD.S.Ha,“Developmentofapowerconditioningcircuitforrailcarenergyharvesting,”inProc.IEEEInt.MidwestSymp.CircuitsSyst.,Aug.2013,pp.513–516.[4]US20060021261A1[5]R.AmirtharajahandA.P.Chandrakasan,“Self-poweredsignalprocessingusingvibration-basedpowergeneration,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.33,no.5,pp.687–695,May1998.[6]A.Rahimi,Zorlu,A.glu,andH.Külah,“AnelectromagneticenergyharvestingsystemforlowfrequencyapplicationswithapassiveinterfaceASICinstandardCMOS,”Sens.ActuatorsA,Phys.,vol.188,
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述现有技术中存在的问题，提供一种一种自供能系统和工作方法，在负载没有任务期间，完全关断负载的供电以快速收集存储环境能量；当有任务需要执行(定时任务或者传感环境发生变化)时，快速向负载供电并完成任务，在完成任务后继续关断负载供电。这样针对能量收集和能量消耗的自适应能量管理方法，可以实现在系统较小体积和极低成本的情况下快速增加能量积累速度的要求，并尽可能的将能量都用在实现负载功能任务上，提高能量利用的效率。本专利技术采用的技术方案如下：一种自供能系统，其特征在于，所述自供能系统包括能量收集模块和能量管理模块，能量收集模块通过能量管理模块与负载设备相连接，从而向负载设备提供工作能量；所述能量收集模块用于收集环境能量并将环境能量转换为电能后输出；所述能量管理模块用于接收能量收集模块输出的电能，并根据系统的配置和各级能耗的需求，向各级耗电电路输出稳定电能；所述负载设备包括传感器、处理器、通信模块或通信设备中的至少一个用于完成相应电路功能的耗能元件。进一步的，所述环境能量包括但不限于人体运动能量、温度差、太阳能、风能、辐射等。进一步的，能量管理模块由能量供应单元和能量控制单元组成；所述能量供应单元用于向其他级电路提供稳定电能，并最大化提高能量收集的效率；所述能量控制单元用于根据收集到的能量、触发的事件和系统程序进程，控制能量供应单元与负载设备间的连接、并动态调节能量供应单元的输出电压水平，最大化提高能量利用效率。进一步的，所述能量供应单元包括整流电路、升压电路、存储电路、稳压电路，所述整流电路用于将能量采集装置采集转换的交流电压转换为直流电能，所述升压电路将整流后的电能进行升压或转换为特定电压的处理，所述存储电路用于将采集的电能进行存储，当存储的电能达到一定程度时，即可用于负载设备的供电、或是在负载设备不需要消耗电能的状态下将持续采集的电能进行存储以备后续使用，所述稳压电路连接储能元件的输出，从而产生和输出持续稳定的工作电压；进一步的，所述能量控制单元包括控制电路和能量检测电路、事件检测电路、程序进程检测电路，所述能量检测电路用于检测存储电路中储能元件已存储的能量大小，所述事件检测电路用于检测电路中某一触发事件的发生，所述程序进程检测电路用于检测电路中各程序进程的开始与结束、各程序进程的耗电水平，所述控制电路根据收集到的能量、触发事件和系统程序进程，控制能量供应单元与负载设备间的连接或断开、以及能量供应单元的输出电压值。一种自供能系统的工作方法，该自供能系统的工作方法包括以下步骤：S1，系统初始化，在初始化状态下自供能系统处于电量耗尽状态，能量控制单元处于掉电状态、并通过控制电路将负载设备与能量管理模块间的连接断开；S2，能量收集模块开始工作，将外界的环境能量进行采集，采集后的环境能量非电信号经过转换后作为电能输出至能量管理模块；S3，能量管理模块接收到能量收集装置传输的电能后，能量供应单元将接收的电能经过整流、升压、存储、稳压中的一个或多个处理，从而产生稳定的、持续的电能输出；S4，所述能量控制单元接收能量供应单元输出的电能，该输出电压为能量控制单元的各级电路供电，能量控制单元继而根据收集到的能量大小、触发的事件和系统程序进程，控制能量供应单元与负载设备间的连接或通断、以及能量供应单元的输出电压水平，从而最大化提高能量利用效率。进一步的，所述步骤3中的处理步骤具体为：S3.1，对于压电能等输出的交流电压，需通过整流电路转换为直流能；对于太阳能或温差能输出的直流电压，则直接输入；S3.2，将直流电压通过DC-DC电路转换到特定电压，并向储能元件充电，储能元件将电能进行存储；S3.3，将储能元件连接稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自供能系统，其特征在于，所述自供能系统包括能量收集模块和能量管理模块，能量收集模块通过能量管理模块与负载设备相连接，从而向负载设备提供工作能量；所述能量收集模块用于收集环境能量并将环境能量转换为电能后输出；所述能量管理模块用于接收能量收集模块输出的电能，并根据系统的配置和各级能耗的需求，向各级耗电电路输出稳定电能；所述负载设备包括传感器、处理器、通信模块或通信设备中的至少一个用于完成相应电路功能的耗能元件。

【技术特征摘要】
1.一种自供能系统，其特征在于，所述自供能系统包括能量收集模块和能量管理模块，能量收集模块通过能量管理模块与负载设备相连接，从而向负载设备提供工作能量；所述能量收集模块用于收集环境能量并将环境能量转换为电能后输出；所述能量管理模块用于接收能量收集模块输出的电能，并根据系统的配置和各级能耗的需求，向各级耗电电路输出稳定电能；所述负载设备包括传感器、处理器、通信模块或通信设备中的至少一个用于完成相应电路功能的耗能元件。2.如权利要求1所述的一种自供能系统，其特征在于，所述环境能量包括但不限于人体运动能量、温度差、太阳能、风能、辐射等。3.如权利要求1所述的一种自供能系统，其特征在于，能量管理模块由能量供应单元和能量控制单元组成；所述能量供应单元用于向其他级电路提供稳定电能，并最大化提高能量收集的效率；所述能量控制单元用于根据收集到的能量、触发的事件和系统程序进程，控制能量供应单元与负载设备间的连接、并动态调节能量供应单元的输出电压水平，最大化提高能量利用效率。4.如权利要求1所述的一种自供能系统，其特征在于，所述能量供应单元包括整流电路、升压电路、存储电路、稳压电路，所述整流电路用于将能量采集装置采集转换的交流电压转换为直流电能，所述升压电路将整流后的电能进行升压或转换为特定电压的处理，所述存储电路用于将采集的电能进行存储，当存储的电能达到一定程度时，即可用于负载设备的供电、或是在负载设备不需要消耗电能的状态下将持续采集的电能进行存储以备后续使用，所述稳压电路连接储能元件的输出，从而产生和输出持续稳定的工作电压。5.如权利要求1所述的一种自供能系统，其特征在于，所述能量控制单元包括控制电路和能量检测电路、事件检测电路、程序进程检测电路，所述能量检测电路用于检测存储电路中储能元件已存储的能量大小，所述事件检测电路用于检测电路中某一触发事件的发生，所述程序进程检测电路用于检测电路中各程序进程的开始与结束、各程序进程的耗电水平，所述控制电路根据收集到的能量、触发事件和系统程序进程，控制能量供应单元与负载设备间的连接或断开、以及能量供应单元的输出电压值。6.一种自供能系统的工作方法，其特征在于，该自供能系统的工作方法包括以下步骤：S1，系统初始化，在初始化状态下自供能系统处于电量耗尽状态，能量控制单元处于掉电状态、并通过控制电路将负载设备与能量管理模块间的连接断开；S2，能量收集模块开始工作，将外界的环境能量进行采集，采集后的环境能量非电信号经过转换后作为电能输出至能量管理模块；S3，能量管理模块接收到能量收集装置传输的电能后，能量供应单元将接收的电能经过整流、升压、存储、稳压中的一个或多个处理，从而产生稳定的、持续的电能输出；S4，所述能量控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，黄瑞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51