一种新型的微能量储存与高效充放电控制系统

1.本发明属于微能量收集的无线传感器自供能技术领域，特别是涉及一种针对微能量储存与高效充放电控制方法。


背景技术：

2.能源是社会生产、经济建设的底层物质基础。从人类文明的进程来看，社会的发展离不开优质的能源供给和先进的能源利用技术。随着经济的腾飞，能源供需关系变得日益紧张，煤炭、石油和天然气等传统化石能源正以惊人的速度消耗，也引发了如雾霾、全球气候变暖等较为严峻的环境问题。
3.以风能、太阳能等为代表的新能源具有很多优点，例如，资源取之不尽、用之不竭、无污染、就地可取、无需运输、循环可持续等等，但也存在一些固有的不足，如它们的能量密度偏低，供能稳定性较差，时变性差异明显等等。这些不稳定因素的存在，直接导致了此类能源开发过程中，存在着很多实际困难。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种新型的微能量储存与高效充放电控制系统，包含基于微能量存储的高效充放电控制模块、高效dc
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dc变换模块及微能量管理模块，为微能量的收集与利用提供了很好的参考方法。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型的微能量储存与高效充放电控制系统，根据电池特性设计了组合式储能系统和自适应充电系统。该系统主要由储能系统、电压监测电路、控制电路、切换开关电路及dc
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dc电路组成，解决了现有充放电控制电路在电池无电，充电功率小于负载功耗时，负载无法工作，会不断重启的问题。相比现有充放电控制电路，本发明能够把功耗做小，效率提高。且现有的大多数充放电控制电路的充放电控制策略不够智能，无法根据充电电流和负载功率改变充放电策略，本发明能较好的解决这个问题。本发明引入参数在线修正充放电控制算法，通过分析微能量收集器的输出、储能系统的当前电量，制定高效充放电控制策略。同时结合电压监测电路、控制电路、切换开关电路、dc
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dc电路等低功耗电路，有效的降低了电路损耗和控制系统损耗，提高了充放电控制效率。该系统利用磁保持继电器作为切换控制开关，非控制状态下功耗为零，损耗低，进一步提高了储能系统和充放电控制系统的效率。
6.所述电压监测电路主要由过压保护器构成，用于对所述储能系统的电压电流进行实时监控，在超出规定界限时，向控制电路发送报警信号；所述控制电路收到所述电压监测电路发出的报警信号后对所述储能系统的输入电压与电流、当前电量、输出电压与电流进行监控，通过参数在线修正充放电控制算法制定充放电控制策略后，向所述切换开关电路发出控制信号；所述切换开关电路，用于控制所述储能系统与dc
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dc的通断，通过所述控制电路所发送的信号决定通断状态；所述dc
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dc电路，用于对所述储能系统输出电压进行直流变换，得到负载所需电压。
7.进一步的，所述储能系统可适应于多种类型的电池。
8.进一步的，所述切换开关电路主要由磁保持继电器构成，通过控制电路所发送的信号控制切换磁保持继电器的状态，达到储能系统与dc
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dc电路间的通断。
9.进一步的，所述dc
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dc电路主要由dc
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dc转换器构成，通过转换器内部的变换电路得到负载所需电压。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
11.(1)本发明对镍氢电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池这三种电池的充电具备兼容性，可以根据不同的电池选择不同的电压进行充电。
12.(2)本发明相对其他充放电控制电路而言，有着更低的功耗，常处于休眠模式的单片机与过压保护器的结合实现了整体功率小于1mw，由磁保持继电器构成的切换开关电路能够零功耗状态保持。
13.(3)本发明的充放电控制策略相对于其他充放电控制电路具有智能性，可以根据充电电流和负载功率改变充放电策略。
14.(4)本发明相对于其他充放电控制电路，在电池没有电、充电功率小于负载功耗的情况下，能够解决负载无法工作和不断重启的问题。
附图说明
15.图1为本发明的整体框架图；
16.图2为高效充放电控制模式一图；
17.图3为高效充放电控制模式二图；
18.图4为高效充放电控制模式三图；
19.图5为高效充放电控制模式四图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.请参阅图1
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5，一种新型的微能量储存与高效充放电控制系统，包括储能系统、电压监测电路、控制电路、切换开关电路、dc
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dc电路、负载。使用时，信号输入进储能系统，储能系统输出到切换开关电路，切换开关电路输出到dc
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dc电路，dc
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dc电路输出到负载。其中控制电路对输入信号、储能系统和储能系统输出到切换开关电路的信号进行监测。电压监测电路对储能系统进行监测。
22.所述储能系统可适应于多种类型的电池，根据实际情况可选用法拉电容、镍氢电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池四种电学特性和物理特性适合于微能量存储的储能单元。
23.所述电压监测电路主要由过压保护器构成，工作时功耗极低，用于对储能系统的电压电流进行实时监控，当储能系统电压低于设定值时，后向控制电路中的单片机发出报警信号。
24.所述控制电路主要由低功耗单片机构成，在收到电压监测电路发出的信号后单片
机将从休眠状态转换为工作状态并开始监测储能系统的当前电量、输入电压与电流、输出电压与电流，通过对比与分析得出控制信号，控制信号将被发送给切换开关电路，完成一次监测与控制后单片机恢复为休眠状态。
25.所述切换开关电路主要由磁保持继电器构成，通过单片机的信号控制切换磁保持继电器的状态，达到储能系统与dc
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dc电路间的通断。磁保持继电器由脉冲信号触发后改变当前状态并保持，直到下一个触发脉冲信号来临，这使得磁保持继电器消耗的功率极低。
26.所述dc
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dc电路主要由dc
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dc转换器构成，通过转换器内部的变换电路得到负载所需电压，为兼顾重负载和轻负载的dc
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dc转化效率，制定了pwm
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pfm自适应dc
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dc变换策略。重负载下使用pwm变换策略，响应速度快，纹波小；轻负载下使用pfm变换策略，功耗低、损耗小，转换效率更高。在pfm工作模式下还设计有快速pfm、轻pfm模式两种模式。轻负载和重负载之间频换切换时自动转换为快速pfm模式，瞬态响应性能更好；超轻负载甚至待机时采用轻pfm模式，进一步降低损耗，提高效率。dc
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dc电路设计时，采用蒙特卡分析方法对电路的所有器件进行特性波动分析，将计算结果与电路分析结合，实现降低电路波动，提高效率的目标。
27.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。