高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法，通过构建包括能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块的能源系统，并采用控制芯片实现对储能操作的控制，实现了环境能量的采集存储，提高了能源系统的负载能力，同时缩小了能源系统的体积。

Energy system and method of miniaturized environment energy collection and storage with high load capacity

The invention discloses a miniaturized environmental energy collection and storage energy system and method with high load capacity. By constructing an energy system including an energy collection module, an energy storage module and a pressure drop control module, and using a control chip to control the energy storage operation, the environmental energy collection and storage are realized, the load capacity of the energy system is improved, and the energy system is reduced at the same time The volume.

【技术实现步骤摘要】
高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法
本专利技术属于能源平台装置电路设计
，具体涉及高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法。
技术介绍
许多工业的生产场合中往往伴随复杂恶劣的生产环境，由于生产场所设计之初未考虑到监测需求，加上场地布局随生产任务的变动和时间的推移产生较大的变化，使后期采用传统方法加装各种监测探头的信号走线与取电改装十分困难，而目前市面上一些无源无线监测方案的环境能量采集存储装置负载能力低，仅能满足无源无线测温等一些能耗要求较低的监测需求，且由于能耗限制，无线传输的距离较近，往往一个房间或一组工位就需要布置一个无线信号接收端，虽然免去了监测探头的走线与取电工作，却增加了无线信号接收端的安装难度与工作量。而通过单纯堆叠储能介质(如蓄能电容)来提高负载能力的方案又极易带来装置体积变大，制约了工业应用场景。因此，工业监测应用正在由传统的有源有线方案向无源无线方案转变，而环境能量采集存储装置的负载能力和体积又是制约无源无线工业监测应用的重要因素。高负载能力且小型化的环境能量采集存储装置能够搭载更多种类的监测芯片或模块、更大功率的无线通信模块，显著扩展工业监测应用的监测种类，提升传输距离，增加应用场景并降低实施成本。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统及方法，通过构建包括能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块的能源系统，并采用控制芯片实现对储能操作的控制，实现了环境能量的采集存储，提高了能源系统的负载能力，同时缩小了能源系统的体积。本专利技术提供的一种高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统，包括：能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块；所述能量采集模块将采集到的环境能量传输给所述能量存储模块；所述能量存储模块采用超级电容存储所述能量采集模块采集到的环境能量，并将存储的电能传输给所述压降控制模块，再将输出电压经分压电阻分压后形成的分压电压传输给所述压降控制模块中的控制芯片；所述压降控制模块采用所述控制芯片，根据所述分压电压与设定的所述能量存储模块输出电压阈值的关系，进行储能控制：所述控制芯片根据所述分压电压计算出所述能量存储模块的充电效率，再由此计算出所述能量存储模块达到其输出电压最大值所需的充电时间，在所述控制芯片休眠时长达到所述充电时间时，唤醒所述控制芯片，并计算当前所述分压电压与负载完成任务所需电压之间的差值，当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值时，所述控制芯片启动负载，反之，所述控制芯片则继续休眠，直到当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值，所述控制芯片启动负载。进一步地，所述能量存储模块包括超级电容、钽电容、陶瓷滤波电容和磁珠，其连接方式为：一个以上的超级电容串联后同两个钽电容、一个陶瓷滤波电容、一根稳压二极管两个串联分压电阻以及一个陶瓷滤波电容并联，在陶瓷滤波电容与分压电阻之间串联一个磁珠。进一步地，所述压降控制模块包括电压监测芯片、P沟道场效应管、低压差线性稳压器、控制芯片、多个陶瓷滤波电容及多个限流电阻，所述低压差线性稳压器的输出引脚为压降控制模块的供电输出正极引脚，所述压降控制模块的供电输出负极与所述能量存储模块的输出负极相连；其中，所述电压监测芯片的电源脚为所述压降控制模块的输入正极，与所述能量存储模块的输出正极连接，其输出脚与电源脚之间串接所述限流电阻R4，并与P沟道场效应管的源极相连；所述P沟道场效应管的栅极与控制芯片的I/O引脚相连，其漏极在串联限流电阻R3后与所述低压差线性稳压器的使能引脚相连；所述低压差线性稳压器的使能引脚与输出引脚相连，所述低压差线性稳压器的使能引脚与延时电容C9相连并接地，所述低压差线性稳压器的输出引脚与陶瓷滤波电容C8相连并接地，所述低压差线性稳压器的输入引脚与陶瓷滤波电容C6相连并接地，再与所述电压监测芯片的电源脚相连；所述控制芯片的AD引脚连接所述分压电压，其供电引脚与所述低压差线性稳压器的输出引脚相连。进一步地，所述能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块中的芯片与分立器件均采用贴片元器件封装方式。进一步地，所述能量采集模块根据待采集的能源类型确定，所述能源类型包括热能、机械能和微磁能量。进一步地，采用权利要求1～5任意一项所述的系统，所述控制芯片储能控制的过程，具体包括如下步骤：步骤1、所述控制芯片内置所述能量存储模块输出电压的最大值VH及最小值VL；启动负载之前，采集并存储当前的所述分压电压V0；步骤2、启动负载，负载执行完毕并进入休眠状态后，采集并存储当前的所述分压电压V1，所述控制芯片进入休眠状态；步骤3、所述控制芯片在预设的休眠周期TB后被唤醒，采集并存储当前的所述分压电压V2，采用公式(1)计算出电压与时间的上升关系ΔV，再采用公式(2)计算出所述控制芯片所需的休眠时间T，然后所述控制芯片进入休眠状态，经过休眠时间T后所述控制芯片被唤醒；ΔV＝(V2-V1)/TB(1)T＝VHM/ΔV(2)其中，VHM为VH经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压；步骤4、采集并存储当前的所述分压电压V3；步骤5、当(V3-(V0-V1))>VLM时，VLM为VL经过所述能量存储模块中分压电阻分压后的电压，令V0＝V3，返回所述步骤2；当(V3-(V0-V1))≤VLM时，所述控制芯片进入休眠状态，休眠设定的休眠周期TB后所述控制芯片被唤醒，返回所述步骤4。进一步地，所述控制芯片为单片机。有益效果：本专利技术通过在能量存储模块中增加采用分压电阻，采用分压后的电压控制压降控制模块，实现了将储能模块与逻辑芯片相分离的设计，使储能模块正极电压可以远高于逻辑芯片的最高工作电压，在节省超级电容使用的同时，有效提高了系统的储存的能量，节约了成本、缩小了系统的体积，并且通过分立的被动元件与单片机的配合实现了装置充满再上电，储能模块电压低于单片机复位阈值再掉电的动作，大大增加了对蓄能电容存储能量的利用率，同时，也保证了系统所搭载负载两端电压稳定，防止所搭载的各个逻辑芯片因掉电而频繁复位，提高了负载工作稳定性，由此，本专利技术能够搭载更多种类的监测芯片，扩展了工业监测的应用范围；本专利技术通过采用超级电容与钽电容搭配蓄能方案，大大提升了储存的能量和瞬时负载能力；本专利技术中的芯片与分立器件均采用贴片元器件封装方式，使得系统具有更小的体积，且部署灵活、安装方便；本专利技术支持多种环境能量采集方案，根据工业监测的场景不同可快速切换。附图说明图1为本专利技术提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统的能量存储模块电路原理图。图2为本专利技术提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统的压降控制模块电路原理图。图3为本专利技术提供的高负载能力的小型化环境能量采集存储方法的单片机能耗管理程序逻辑图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统，其特征在于，包括：能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块；/n所述能量采集模块将采集到的环境能量传输给所述能量存储模块；/n所述能量存储模块采用超级电容存储所述能量采集模块采集到的环境能量，并将存储的电能传输给所述压降控制模块，再将输出电压经分压电阻分压后形成的分压电压传输给所述压降控制模块中的控制芯片；/n所述压降控制模块采用所述控制芯片，根据所述分压电压与设定的所述能量存储模块输出电压阈值的关系，进行储能控制：所述控制芯片根据所述分压电压计算出所述能量存储模块的充电效率，再由此计算出所述能量存储模块达到其输出电压最大值所需的充电时间，在所述控制芯片休眠时长达到所述充电时间时，唤醒所述控制芯片，并计算当前所述分压电压与负载完成任务所需电压之间的差值，当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值时，所述控制芯片启动负载，反之，所述控制芯片则继续休眠，直到当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值，所述控制芯片启动负载。/n

【技术特征摘要】
1.一种高负载能力的小型化环境能量采集存储能源系统，其特征在于，包括：能量采集模块、能量存储模块和压降控制模块；
所述能量采集模块将采集到的环境能量传输给所述能量存储模块；
所述能量存储模块采用超级电容存储所述能量采集模块采集到的环境能量，并将存储的电能传输给所述压降控制模块，再将输出电压经分压电阻分压后形成的分压电压传输给所述压降控制模块中的控制芯片；
所述压降控制模块采用所述控制芯片，根据所述分压电压与设定的所述能量存储模块输出电压阈值的关系，进行储能控制：所述控制芯片根据所述分压电压计算出所述能量存储模块的充电效率，再由此计算出所述能量存储模块达到其输出电压最大值所需的充电时间，在所述控制芯片休眠时长达到所述充电时间时，唤醒所述控制芯片，并计算当前所述分压电压与负载完成任务所需电压之间的差值，当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值时，所述控制芯片启动负载，反之，所述控制芯片则继续休眠，直到当所述电压差值大于设定的所述能量存储模块输出电压最小值，所述控制芯片启动负载。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量存储模块包括超级电容、钽电容、陶瓷滤波电容和磁珠，其连接方式为：一个以上的超级电容串联后同两个钽电容、一个陶瓷滤波电容、一根稳压二极管两个串联分压电阻以及一个陶瓷滤波电容并联，在陶瓷滤波电容与分压电阻之间串联一个磁珠。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压降控制模块包括电压监测芯片、P沟道场效应管、低压差线性稳压器、控制芯片、多个陶瓷滤波电容及多个限流电阻，所述低压差线性稳压器的输出引脚为压降控制模块的供电输出正极引脚，所述压降控制模块的供电输出负极与所述能量存储模块的输出负极相连；
其中，所述电压监测芯片的电源脚为所述压降控制模块的输入正极，与所述能量存储模块的输出正极连接，其输出脚与电源脚之间串接所述限流电阻R4，并与P沟道场效应管的源极相连；所述P沟道场效应管的栅极与控制芯片的I/O引脚相连，其漏极在串联限流电阻R3后与所述低压差线性稳压器的使能引脚相连；所述低压差线性稳压器的使能引脚...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢思玮，阎毓杰，王楠，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42