一种基于能量捕获的电源管理系统

本发明涉及可再生能源领域，具体涉及一种基于能量捕获的电源管理系统。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，可穿戴设备越来越多地走进人们的生活。利用可穿戴式的下肢助力装置和肩负背包等能量捕获装置为可穿戴的电子设备供电也成为人们关注的热点。然而，根据最近的能量捕获相关技术专利cn202221799615.1一种下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼的内容，现能量捕获装置存在以下不足：能量捕获装置发电机的原始输出电压会随着人体的周期运动而变化，无法直接对电池或者一些用电设备供电；在使用者没有进行运动时，能量捕获装置无法对用电设备供电；不同的可穿戴设备对供电电压的需求不同，能量捕获装置无法对多种用电设备提供不同等级的供电电压。由于上述原因，传统的能量捕获装置没有一种完善的电源管理系统。因此，有必要寻找一种新的方法，既可以高效地将能量捕获装置产生的能量储存起来，同时还能根据负载的需求调节输出电压。

技术实现思路

1、本发明公开了一种基于能量捕获的电源管理系统，包括电能调理装置、电路控制装置与电能输出装置。电能调理装置包括整流桥、降压斩波电路与串联式稳压器等。电路控制装置包括充电端继电器和输出端继电器等。电能输出装置包括sepic斩波电路、旋钮电位器等。本发明运用于可再生能源捕获中。电能调理装置接在能量捕获装置的电机两端，用于将电机的原始输出电压调整为储能电池组充电所需的电压。电路控制装置接在电能调理装置的后端，用于判断各电池组的电压大小和执行电池组间的切换逻辑。电能输出装置接在电路控制装置的下一级，可通过旋转电位器上的旋钮来调节电池组的输出电压。针对目前能量捕获装置无法高效地储存捕获到的能量的问题，本发明通过电路控制装置和多个控制回路，按照电池的充电特性将能量捕获装置产生的电能储存到储能电池组中，并且能够根据需求智能切换电路和调节输出电压。整个系统实现能量捕获的实用性、高效性、科学性。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种基于能量捕获的电源管理系统，包括电能调理装置、电路控制装置和电能输出装置；

4、所述电能调理装置与电路控制装置级联；所述电路控制装置与电能输出装置级联；

5、所述电能调理装置连接能量捕获装置和用以收集能量的储能电池组，将能量捕获装置的发电机的原始输出电压转化为储能电池组充电所需的电压；

6、所述电路控制装置根据采集到的各点电位信息，执行比较和判断逻辑，控制其内部的mos管以及各继电器的导通状态，从而控制整个基于能量捕获的电源管理系统的运行状态；

7、所述电能输出装置根据电位器旋钮的位置调整输出电压的大小。

8、进一步地，所述电路控制装置包括充电电流控制回路、充电电压控制回路和输出电压控制回路；所述电能调理装置和电能输出装置根据电路控制装置发送的控制信号分别给储能电池组和负载端提供设置的充电电压和输出电压；所述电路控制装置根据储能电池组的剩余电量选择充电电流控制回路、充电电压控制回路或输出电压控制回路进行导通；整个系统实现能量捕获的实用性、高效性、科学性。

9、进一步地，所述电能调理装置包括整流桥、lc滤波电路、降压斩波电路和串联式稳压器；

10、所述整流桥与能量捕获装置的发电机连接；所述整流桥与lc滤波电路串联；所述lc滤波电路与降压斩波电路级联；所述降压斩波电路与串联式稳压器级联；当能量捕获装置开始运作时，发电机产生的初始电压通过所述整流桥变为直流电；所述lc滤波电路使得整流后的电压波形更加平稳；所述降压斩波电路中的mos管根据接收到的电路控制装置中的充电电流控制回路或者充电电压控制回路发送的pwm脉冲信号，对电压进行斩波，使其满足电池充电特性对于恒流或者恒压的要求；所述串联式稳压器将输入给电路控制装置的充电电压限制在充电安全的范围内。

11、进一步地，所述电路控制装置包括精密电阻、精密电阻电压检测模块、第一储能电池组电压检测模块、第二储能电池组电压检测模块、差分放大器、第一单刀双掷继电器、第二单刀双掷继电器、第一储能电池组、第二储能电池组和继电器电源；

12、所述精密电阻与差分放大器的输入端并联；所述精密电阻电压检测模块与差分放大器的输出端并联；所述第一储能电池组电压检测模块与第一储能电池组并联；所述第二储能电池组电压检测模块与第二储能电池组并联；所述第一单刀双掷继电器的控制信号输入端与电路控制装置的充电电压控制回路连接，电池输入端与第一储能电池组并联；所述第二单刀双掷继电器的控制信号输入端与电路控制装置的充电电压控制回路连接，电池输入端与第二储能电池组并联；所述继电器电源与第一单刀双掷继电器和第二单刀双掷继电器的电源端连接；所述精密电阻和差分放大器用于检测处于充电状态的储能电池组的充电电流并将结果输出到电路控制装置的充电电流控制回路，用于控制电池的恒流充电过程；所述精密电阻电压检测模块和第二储能电池组电压检测模块分别检测第一储能电池组和第二储能电池组的电压并将结果输出到电路控制装置的充电电压控制回路，用于控制电池的恒压充电过程和使电压较低的储能电池组进入充电状态，电压较高的储能电池组进入放电状态；所述第一单刀双掷继电器和第二单刀双掷继电器分别用于控制第一储能电池组和第二储能电池组的接入；所述继电器电源给第一单刀双掷继电器和第二单刀双掷继电器的信号输入端提供电压信号。

13、进一步地，电能输出装置包括旋钮电位器电压检测模块、sepic斩波电路、分压电阻、旋钮电位器和负载；

14、所述旋钮电位器电压检测模块与旋钮电位器并联；所述sepic斩波电路的输入端与第一单刀双掷继电器和第二单刀双掷继电器的输出端连接，输出端与分压电阻的第一端连接；所述分压电阻的第二端与旋钮电位器的第一端连接；所述负载与sepic斩波电路的输出端并联；所述旋钮电位器电压检测模块用于检测电位器两端的电压并将结果输出到输出电压控制回路；所述sepic斩波电路中的mos管根据接收到的输出电压控制回路的pwm脉冲信号，对电压进行斩波，使其满足负载的需求；所述分压电阻和旋钮电位器给输出电压控制回路提供反馈电压；通过旋转电位器上的旋钮，可改变输入到输出电压控制回路的反馈电压，输出电压控制回路再根据得到的差值对sepic斩波电路发送相应的pwm脉冲，控制输出电压的大小。

15、进一步地，充电电流控制回路读取精密电阻电压检测模块的输出信号i，将i与差分放大器电压增益的倒数做积得到电池组充电电流的真实值；将储能电池组充电的参考充电电流与充电电流的真实值做差，对得到的偏移量进行pid计算，并通过pwm发生器产生控制降压斩波电路的pwm，使得电池组充电电流的真实值准确跟踪参考充电电流。

16、进一步地，充电电压控制回路通过逻辑运算比较第一储能电池组电压检测模块、第二储能电池组电压检测模块分别测得的第一储能电池组的电压ub1、第二储能电池组的电压ub2的大小，给第一单刀双掷继电器和第二单刀双掷继电器发送信号，电压较高的储能电池组所连接的单刀双掷继电器的上桥臂导通，下桥臂断开，该储能电池组进入充电状态，电压较低的储能电池组所连接的单刀双掷继电器的上桥臂断开，下桥臂导通，该储能电池组进入放电状态；将参考充电电压与串联式稳压器和单刀双掷继电器上的压降du与ub1、ub2中的较大值做差，对得到的偏移量进行pid计算，并通过pwm发生器产生控制降压斩波电路的pwm，使得电池组充电电压的真实值准确跟踪参考充电电流。

17、进一步地，输出电压控制回路读取旋钮电位器的电压ur，将电压恒值与ur做差，对得到的偏移量进行pid计算，并通过pwm发生器产生控制降压斩波电路的pwm，使得旋钮电位器的阻值进而改变分压电阻与旋钮电位器的分压比，调节电能输出装置的输出电压。

18、进一步地，所述充电电流控制回路、充电电压控制回路和输出电压控制回路均由代码实现。

19、相比于现有技术，本发明的优点在于：

20、针对能量捕获装置的储能电池无法同时充电和对外供电的问题，本发明引入了2个储能电池组，并通过2个单刀双掷继电器和充电电压控制回路判断电池组间电压的大小和控制电池组充电端和输出端的接入。

21、针对目前能量捕获装置无法高效地储存捕获到的能量的问题，本发明在对电池组的充电电路中引入了dc-dc转换技术和多个反馈回路，电路能够自动将能量捕获装置电机的原始输出电压高效地转变为储能电池组在充电过程中不同时刻所需的充电电压。整个系统实现能量捕获的实用性、高效性、科学性。