一种基于纽扣电池与超级电容的窄带物联网模组电源模块的制作方法

1.本发明涉及窄带物联网模组电池管理技术领域，具体涉及一种基于纽扣电池与超级电容的窄带物联网模组电源模块。


背景技术：

2.基于蜂窝的窄带物联网(narrow band internet of things,nb
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iot)其英文缩写：nb
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iot，成为万物互联网络的一个重要分支。随着nb
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iot技术的快速发展与产品应用日趋普及，nb
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iot模组的电源模块管理在应用中的重要性日益突出。由于nb
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iot模组应用环境的限制，需要利用电池作为物联网模组的电源供电以支持模组的正常工作。nb
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iot模组主要工作状态包括休眠、数据传输及信号发射状态，休眠状态下其功耗低，耗能少，仅当模组联网与数据传输时的短时间内功率较大，在实际应用中多数时段模组处于休眠状态。为了满足其短时的大功率需求，目前在nb
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iot模组电源应用中均是直接将输出功率强、体积较大的锂电池作为模组供电电源，此类锂电池虽输出能力较强，但其体积往往限制了物联网模组的应用范围，且因电量不足无法继续工作的情况下往往容易造成锂电池电能的浪费。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于纽扣电池与超级电容的窄带物联网模组电源模块，主要组成包括纽扣电池、电池管理模块、电容管理模块与超级电容，通过电池管理模块对纽扣电池的放电管理与电容管理模块对超级电容的充电管理，完成超级电容的电能存储，实现超级电容的电能输出用于支持nb
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iot模组进行联网与数据传输等正常工作。
4.为了达到上述技术效果，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于纽扣电池与超级电容的窄带物联网模组电源模块，包括纽扣锂电池、电池管理模块、电容管理模块以及超级电容；所述纽扣电池为该模块的电源来源，所述电池管理模块是实现纽扣电池输出电压与电流管理的核心监测及控制；所述电容管理模块用于实现对超级电容的监测及充电管理，所述超级电容为该模块的储能及外部供电模块。
6.进一步的技术方案为，所述纽扣电池用于输出电能实现对超级电容的充电。
7.进一步的技术方案为，所述电池管理模块的功能包括放电电流监测、放电电压监测、放电通道控制；电池管理模块结合外部充电需求控制纽扣电池放电通道开启与断开，并实时监测纽扣电池的输出电压、输出电流，通过放电控制电路实现电压及电流的控制，从而实现纽扣电池放电管理。
8.进一步的技术方案为，当纽扣锂电池处于对超级电容进行充电过程中，放电控制电路对充电电压进行监测及控制，使充电电压值保持为预设的稳定值，不随纽扣电池放电电压发生变化，处于一个稳压充电状态；当纽扣锂电池处于对超级电容进行充电过程中，放电控制电路对充电电流进行监测及控制，通过对电流的限制，是充电电流不超过最大预设
值，避免因超级电容内阻过小而引起瞬间充电电流过大，对电池造成损伤。
9.进一步的技术方案为，所述电容管理模块通过对超级电容的电压进行实时监测，并根据超级电容工作状态及参数判断充电需求，并向电池管理系统发出开启与关闭充电的信号，从而实现超级电容的充电管理。
10.进一步的技术方案为，超级电容处于放电状态时，当超级电容电压低于设定的开启充电电压值后，电容管理模块依据管理策略向电池管理模块发出充电需求信号，启动对超级电容充电；超级电容处于充电状态时，当电压充电到设定停止充电电压值时，电容管理模块向电池管理模块发出充电停止信号，停止对超级电容充电；当外部模组处于休眠状态下，超级电容对外处于低功率供电时，电容管理模块根据当前电容状态及当前电压值判断是否进行充电。
11.进一步的技术方案为，所述超级电容是用于支持nb
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iot模组工作的核心供电单元，当超级电容的电量低，其电压达到开启充电的电压值，由纽扣电池对其进行充电，超级电容进行电能存储，超级电容充满后停止充电，任意时刻当nb
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iot模组正常工作，超级电容放电为模组供电。
12.进一步的技术方案为，所述超级电容的内阻为毫欧级。
13.进一步的技术方案为，超级电容中的剩余电量监控及充电控制由电容管理模块实时管理。
14.进一步的技术方案为，所述电池管理模块和电容管理模块具备运算及逻辑处理功能，支持整个电源模块的阈值设置。主要包括充电电压、充电电流最大值、电容最高低、最低电压值等。
15.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的电源模块可以将能量密度更高的纽扣电池作为nb
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iot模组电池，不仅有效减小电池体积，更能通过对电容充电储能增加供电模块容量；另一方面，运用电池与电容管理单元可提升电池能量的利用率，避免出现传统锂电池电量过低无法驱动系统工作而更换新电池的能量浪费，进一步增加nb
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iot模组的续航时间。
附图说明
16.图1为本发明的电源模块框架图；
17.图2为本发明的实施例1的示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的解释和说明。
19.本发明提供一种基于超级电容与纽扣电池的nb
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iot模组电源模块，主要由纽扣电池、电池管理模块、电容管理模块以及超级电容组成，各组成模块主要的作用如下：
20.(1)纽扣电池
21.纽扣电池作为本装置的电源来源，也是电能的输出单元，其输出电能最终将实现对超级电容的充电，通过超级电容放电从而实现nb
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iot模组的供电。
22.(2)电池管理模块
23.电池管理模块是实现纽扣电池输出电压与电流管理的核心监测及控制模块，其主
要功能包括：放电电流的监测、放电电压的监测、放电通道的控制；电池管理模块结合外部充电需求控制纽扣电池放电通道开启与断开，并实时监测纽扣电池的输出电压、输出电流，通过放电控制电路实现电压及电流的控制，从而实现纽扣电池放电管理。
24.(3)电容管理模块
25.电容管理模块用于实现对超级电容的监测及充电管理，通过对超级电容的电压进行实时监测，并根据超级电容工作状态及参数判断充电需求，并向电池管理系统发出开启与关闭充电的信号，从而实现超级电容的充电管理。
26.(4)超级电容
27.超级电容是本装置的储能及外部供电单元，是用于支持nb
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iot模组工作的核心供电单元，当超级电容的电量低，其电压达到开启充电的电压值，由纽扣电池对其进行充电，超级电容进行电能存储，超级电容充满后停止充电，任意时刻当nb
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iot模组正常工作，超级电容放电为模组供电。
28.其工作流程如下：
29.(1)电池管理模块获取到电容管理模块的充电需求信号，打开充电通道，开启纽扣电池放电通道纽扣电池开始对外放电，实现对超级电容充电；
30.(2)充电过程中，电池管理模块针对纽扣电池对超级电容进行充电的整个放电过程进行管理。实时对纽扣电池的放电电压与放电电流进行监测及控制，确保充电电压及充电电流的稳定性；电容管理模块实时监测电容的电量是否充满，当超级电容电压达到充满的电压值，电容管理模块向电池管理模块发出停止充电的信号。
31.(3)电池管理模块收到停止充电的信号，控制关闭充电通道，纽扣电池停止对超级电容的充电。
32.(4)超级电容用于存储电量，其存储的电量的监测及自身充电需求由电容管理模块进行管理，使超级电容实时保持电量充足的状态，在物联网模组进行联网、数据发送等需要大功率供电工作状态时，超级电容通过放电对物联网模组提供供电，支持物联网模组工作。
33.实施例1
34.下面通过实施例进行进一步的说明，如图2所示，整个电源模块组成部分主要包括：电池控制模块b
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ctrl、纽扣电池b
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cell、电容管理模块c
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manage、超级电容s
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cap，通过管理控制模块实现b
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cell给s
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cap充电，最终s
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cap通过放电为外部模组工作提供供电。本例中假设：充电电压设定为u，充电电流最大值设置为i,s
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cap的最低电压为u_min,最高电压为u_max，当前s
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cap的电压小于u_min；
35.第一步：b
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ctrl接收到c
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manage发出的充电请求信号；
36.第二步：b
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ctrl通过内部控制电路控制充电通道打开，此时b
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cell通过放电对s
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cap进行充电，系统进入充电状态中；
37.第三步：充电过程中，b
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ctrl实时监测充电电流、充电电压的值，是否与预设的相同，当充电电流大于u,则b
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ctrl通过放电电路控制放电电压使其保持稳定，若s
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cap因内阻极低，导致充电电流过大，此时b
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ctrl通过放电电流控制放电电流，使其始终低于i,以保证正常的放电；
38.第四步：s
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cap的电量逐渐上升，当s
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cap的电压值达到u_max时需要停止充电，c
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manage发出充电停止的请求信号；
39.第五步：b
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ctrl接收到c
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manage发出的停止充电请求信号，控制充电通道关闭，纽扣电池停止放电，s
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cap本次充电完毕；
40.通过以上步骤，整个系统完成了纽扣电池对超级电容的充电过程，在本方案中，超级电容通过放电对nb
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iot模组工作提供电源，当电容对外放电后，其电量将降低，超级电容自身电量的多少由电容管理模块进行实时管理，当其电压值降低至u_min的时候，会再次启动纽扣电池放电对电容进行充电，使超级电容保持电量充足，在任意时刻即可保证对模组的供电，利用此方案的电源供电模块，充分应用了高密度、小体积的纽扣电池，通过对超级电容进行充电储能，提升了电源本身的容量，通过电能转移有效利用纽扣电池的电能，进一步的提升了电能的利用率。
41.尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。