一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統與方法

2023-05-18 08:33:11 1

一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統與方法
【專利摘要】一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統與方法，包括太陽能電池、分壓電路、基準電壓電路，還包括保護二極體A、保護二極體B、充電保護器、能量存儲器、能量分配管理控制電路、輔助存儲器、穩壓器、MEMS無線傳感器。本發明相對於傳統的方法，具有電路簡單、容易實現片上集成，能在光照和無光照條件下工作，適合於在片上集成的MEMS傳感器節點中使用。
【專利說明】一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統與方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於光電技術應用領域，具體涉及一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統與方法。

【背景技術】
[0002]隨著微電子技術及MEMS傳感器技術的發展，MEMS無線傳感器節點的功耗越來越小(激活狀態功耗為幾mW，休眠狀態功耗為幾十μ W)，而且激活狀態所佔時間較短，節點長期工作在休眠狀態。使用傳統的電源技術為MEMS無線傳感器節點供電，其直接限制無線傳感器節點的微型化。另外，考慮到無線傳感器節點通常用於對邊遠地區環境及有毒有害物質的監測等，後續的維護較為困難。為此，轉換環境能量為MEMS無線傳感器節點供電是擴大和延長無線傳感器節點工作壽命的主要途徑。其中，由於太陽能具有分布廣泛、能量密度大、無汙染和光伏電池易於與電路集成等特點，因此，研究光電微能源為MEMS無線傳感器節點供電成為了一種重要的選擇。
[0003]在專利「一種光伏能源與傳感器節點集成的自供電微系統」介紹了一種在光伏能源中，利用專用鋰離子電池充電保護晶片ΜΑΧ1811作為充電保護電路，實現對鋰離子電池的充電保護的方法。在專利「光伏微能源系統中對鋰離子電池合理充電的方法及裝置」中，介紹了一種利用單片機控制的脈衝式為鋰離子電池充電的方法。以上光電微能源的能量存儲控制方式，其控制系統較為複雜，自身功耗較大，達到十幾mW，其適合於為功耗幾十mW的無線傳感器節點供電，光伏微能源採用電路板方式集成。
[0004]但是，隨著微電子技術及MEMS傳感器技術的發展，MEMS無線傳感器節點的功耗越來越小(激活狀態功耗為幾mW，休眠狀態功耗為幾十μ W)，而且激活狀態所佔時間較短，節點長期工作在休眠狀態。其平均功耗在μ W級。因此，光伏微能源的片上集成已成為MEMS微型化的必然要求。但是，複雜的能量管理方案由於電路系統複雜及自身功耗較大等特點，難於與太陽能電池實現片上集成。因此，先前介紹的光伏微能源系統的能量存儲管理模式不適合在片上集成光伏微能源系統中使用。
[0005]目前，能長期在光照和無光照條件下為MEMS無線傳感器節點供電的片上集成光電微能源能量轉換、存儲及保護控制系統及其控制方法研究沒有相關的報導。


【發明內容】

[0006]本發明的目的正是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能長期在光照和無光照條件下為MEMS無線傳感器節點供電的片上集成光電微能源能量轉換、存儲及分配的控制系統與控制方法。
[0007]一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統，包括太陽能電池、分壓電路、基準電壓電路，本發明特徵在於:還包括保護二極體Α、保護二極體Β、充電保護器、能量存儲器、能量分配管理控制電路、輔助存儲器、穩壓器、MEMS無線傳感器；
[0008]其中，太陽能電池用於轉換太陽能為電能；
[0009]保護二極體A用於防止太陽能電池在充電保護器導通時太陽能電池短路；
[0010]充電保護二極體B用於防止充電保護時能量存儲器輸出端被短路放電；
[0011 ] 能量存儲器用於在太陽光照和MEMS傳感器休眠狀態時存儲太陽能電池輸出能量，在MEMS傳感器激活狀態時與輔助能量存儲混合為MEMS傳感器供電；
[0012]充電保護器在能量存儲器充滿時導通，將光伏電池輸出旁路，光伏電池停止對能量存儲器充電；
[0013]分壓電路為能量分配控制電路提供控制輸入信號；
[0014]基準電壓電路為能量分配控制電路提供基準控制電壓；
[0015]能量分配控制電路通過控制輸入信號實時監測能量存儲器的充電電壓，能量存儲器充滿時，能量分配控制單元輸出充電保護控制信號，控制充電保護器導通；
[0016]輔助能量存儲器主要用於在MEMS無線傳感器節點激活狀態時，與能量存儲器並聯為傳感器節點供電；
[0017]穩壓器主要用於為MEMS無線傳感器節點提供穩定工作電壓。
[0018]上述組成器件的連接關係為:
[0019]太陽能電池經保護二極體A同時與充電保護器的一端和保護二極體B的一端相連，充電保護器的另一端與能量分配控制器的一端相連，保護二極體B的另一端同時與能量存儲器、分壓電路、能量分配控制器、基準電壓電路、穩壓器的一端相連，分壓電路的一端與能量分配控制器一端相連，基準電壓電路的一端與能量分配控制器一端相連，穩壓器的一端與MEMS傳感器的一端相連，太陽能電池的負極同時與分壓電路、基準電壓電路、充電保護器、能量存儲器、能量分配管理控制電路、輔助存儲器、穩壓器、MEMS無線傳感器的負極相連。
[0020]本發明能量分配管理控制電路由NM0S場效應管T2、T3、T4，以及PM0S場效應管Τ3、Τ4組成，NM0S場效應管Τ2、Τ3、Τ4的開啟電壓為1.5V，溝道的長寬比為2:4，PM0S場效應管Τ3、Τ4的夾斷電壓為-2.5V，溝道的長寬比為1:1，充電保護器由PM0S場效應管1\構成，?\的夾斷電壓為-1.5V;
[0021]一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統的控制方法:
[0022]首先，在太陽光照條件下，利用MEMS無線傳感器工作休眠狀態，實現太陽能量的轉換、存儲和能量存儲器的充電保護控制，在MEMS無線傳感器節點工作在激活狀態時，光伏電池、能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，其次，在無太陽光照條件下，能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，與採用單一的能量存儲器供電方式相比，其能有效提高輸出峰值功率、減小存儲器內部損耗、延長供電時間；
[0023]為提高能量轉換、存儲效率和實現能量存儲器的充電保護控制，集成無線傳感器光電微能源能量控制系統具備五種工作狀態，即:能量存儲、混合供電、充電保護、並聯供電和能量轉存；
[0024]太陽光照條件下，當無線傳感器節點工作在休眠狀態時，光伏微能源能量控制系統工作在能量存儲狀態，太陽能電池輸出為能量存儲器和輔助存儲器充電，並同時為傳感器節點供電，太陽能電池輸出電流等於能量存儲器、輔助存儲器的充電電流、能量控制系統所需自身工作電流及無線傳感器節點工作電流之和，各電流關係如下式所示:
[0025]Is = Iec+Icc+Ics+Irs (1)
[0026](1)式中Is為太陽能電池輸出電流，Ie。為微電池充電電流，I。。為輔助存儲器充電電流，1。3為能量控制系統所需自身工作電流，為無線傳感器工作在休眠狀態工作電流；根據能量存儲器的電壓特性，合理設計太陽能電池的開路電壓，能保證太陽能電池工作在最大功率點附近，使其具有較大的輸出轉換效率；
[0027]光照條件下，當無線傳感器節點工作在激活狀態時，系統工作在混合供電狀態，太陽能電池、能量存儲器、輔助存儲器同時為傳感器節點供電，電流之間的關係如下式所示:
[0028]Ira = Ie+Ic+Is-1cs ⑵
[0029](2)式中，1。3為能量管理系統所需自身工作電流，Ira為無線傳感器節點工作在激活狀態電流，Is太陽能電池輸出電流，Ie能量存儲器輸出電流，I。輔助存儲器輸出電流，在混合供電條件下，由於輔助存儲器(電容器)支路阻抗較小，為傳感器節點提供的電流較大，因此，混合供電模式能有效提高能量存儲器輸出峰值功率、減小內部損耗和延長供電時間；
[0030]光照條件下，當能量存儲器充滿時，光伏微能源能量管理系統工作在充電保護狀態，此時，充電保護器導通，太陽能電池輸出經保護二極體A旁路，停止為能量存儲充電，同時，保護二極體B截止，防止能量存儲器經充電保護器放電，在能量存儲器的充電保護狀態，能量存儲器、輔助存儲器同時並聯為傳感器節點供電，能量存儲器與輔助存儲器並聯為MEMS無線傳感器節點供電，各電流之間的關係如下式所示:
[0031]Irs = Ies+Icd-1cs (3)
[0032](3)式中，Is為太陽能電池輸出電流，Ies為能量存儲器放電電流，Icd為輔助存儲器放電電流，Ics為能量管理系統所需自身工作電流，Irs為無線傳感器工作在休眠狀態工作電流；
[0033]無光照條件下，太陽能電池輸出電壓電流較小，保護二極體A和保護二極體B截止，當MEMS無線傳感器器節點工作在激活狀態時，能量控制系統工作在並聯供電狀態，能量存儲器及輔助存儲器同時為MEMS無線傳感器節點供電，能量存儲器放電電流、輔助存儲器放電電流並聯為無線傳感器節點供電，電流之間的關係如下式所示:
[0034]Ira = Ie_Ics+Ic (4)
[0035](4)式中，1。3為能量控制系統所需自身工作電流，IM為無線傳感器工作在激活狀態工作電流，Ie能量存儲器放電電流、I。輔助存儲器放電電流；
[0036]無光照條件下，當無線傳感器器節點工作在休眠狀態時，能量控制系統工作在能量轉存狀態，能量存儲器一方面為輔助存儲器充電，另一方面為無線傳感器節點供電，能量存儲器放電流、輔助存儲器能量儲存電流和無線傳感器節點工作電流之間的關係如下式所示:
[0037]Ie = Irs+Ics+Icc (5)
[0038](5)式中，Ics為能量控制系統所需自身工作電流，Ie能量存儲器放電電流、I。。輔助存儲器能量儲存電流，Irs無線傳感器節點工作在休眠狀態工作電流。
[0039]本發明的有益效果是，本發明的內容在於為MEMS無線傳感器節點設計一種片上集成、低功耗光電微能源能量控制系統與控制方法。本發明的能量控制方法結合MEMS無線傳感器節點的功耗特性(激活狀態功耗為幾mW，休眠狀態功耗為幾十μ W，激活狀態所佔時間較短，節點長期工作在休眠狀態)，一方面實現對光伏電池輸出能量的存儲、傳輸、充電保護及節點供電管理，並通過合理控制太陽能電池工作電壓實現對能量的轉換控制，有效提高了能量的利用效率和減小了太陽能電池的面積。另一方面在MEMS無線傳感器節點工作在激活狀態時，能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，與採用單一的能量存儲器供電方式相比，其能有效提高輸出峰值功率、減小存儲器內部損耗、延長供電時間等。
[0040]本發明能量控制方法包括五個工作狀態:能量存儲、混合供電、充電保護、並聯供電和能量轉存五個狀態。
[0041]能量管理方法
[0042]根據光伏微能源能量管理系統的結構，為提高太陽能量的轉換、存儲及傳輸效率，確保MEMS無線傳感器節點長期、穩定工作。結合不同光照條件，設計了光伏微能源系統的能量管理方案。
[0043](1)能量存儲狀態原理
[0044]太陽光照條件下，當無線傳感器節點工作在休眠狀態時，光伏微能源能量管理系統工作在能量存儲狀態，太陽能電池輸出為能量存儲器和輔助存儲器充電，並同時為傳感器節點供電。能量存儲狀態下系統能量傳輸等效模型如圖2所示。
[0045]圖2中，能量存儲器等效為電源E，輔助存儲器等效為電容器C，能量管理系統等效為R。,，MEMS無線傳感器節點等效為電阻Rs，太陽能電池輸出電流等於能量存儲器、輔助存儲器的充電電流、能量管理系統所需自身工作電流及無線傳感器節點工作電流之和，如下式所
[0046]Is = Iec+Icc+Ics+Irs (1)
[0047]上式中Is為太陽能電池輸出電流，Ie。為微電池充電電流，I。。為輔助存儲器充電電流，Ics為能量管理系統所需自身工作電流，Irs為無線傳感器工作在休眠狀態工作電流。另夕卜，根據能量存儲器的電壓特性，合理設計太陽能電池，確保太陽能電池工作在最大功率點附近，確保其具有較大的輸出轉換效率。
[0048](2)混合供電狀態原理
[0049]光照條件下，當無線傳感器節點工作在激活狀態時，系統工作在混合供電狀態，太陽能電池、能量存儲器、輔助存儲器同時為傳感器節點供電。混合供電狀態下系統能量傳輸等效電路模型如圖3所示。
[0050]圖3中，太陽能電池輸出電流Is，能量存儲器放電電流Ie，輔助存儲器放電電流I。，混合為無線傳感器供電。各電流之間的關係如下式所示。
[0051]Ira = Ie+Ic+IS_IcS ⑵
[0052]上式中，1。3為能量管理系統所需自身工作電流，Ira為無線傳感器節點工作在激活狀態電流。
[0053]在混合供電條件下，由於輔助存儲器(電容器)支路阻抗較小，為傳感器節點提供的電流較大。因此，混合供電模式能有效提高能量存儲器輸出峰值功率、減小內部損耗和延長供電時間。
[0054](3)充電保護狀態工作原理:
[0055]光照條件下，能量存儲器充滿時，光伏微能源能量管理系統工作在充電保護狀態。充電保護開關k導通，太陽能電池輸出經保護二極體A(D1)旁路，停止為能量存儲充電。同時，保護二極體B截止，防止能量存儲器經充電保護開關k放電。在能量存儲器的充電保護狀態，能量存儲器、輔助存儲器同時並聯為傳感器節點供電。充電保護狀態下系統能量傳輸等效電路模型如圖4所示。
[0056]圖4中，太陽能電池輸出電流為Is，微電池放電電流為Ies、輔助存儲器放電電流為Icd, Ics為能量管理系統所需自身工作電流，無線傳感器工作在休眠狀態工作電流為1?。能量存儲器與輔助存儲器並聯為MEMS無線傳感器節點供電。各電流之間的關係如下式所示:
[0057]Irs = Ies+Icd-1cs (3)
[0058](4)並聯供電狀態原理
[0059]無光照條件下，太陽能電池輸出電壓電流較小，保護二極體A和保護二極體B截止。在MEMS無線傳感器器節點工作在激活狀態時，能量管理系統工作在並聯供電狀態，能量存儲器及輔助存儲器同時為MEMS無線傳感器節點供電。系統能量傳輸等效模型如圖5所示。
[0060]圖5中，能量存儲器放電電流Ie、輔助存儲器放電電流I。並聯為無線傳感器節點供電。各電流之間的關係如下式所示
[0061]Ira = Ie-1cs+Ic ⑷
[0062]上式中，1。3為能量管理系統所需自身工作電流，Ira為無線傳感器工作在激活狀態工作電流。
[0063](5)能量轉存狀態原理
[0064]無線傳感器器節點工作在休眠狀態時，能量管理系統工作在能量轉存狀態，能量存儲器一方面為輔助存儲器充電，另一方面同時為無線傳感器節點供電。能量轉存狀態下，系統能量傳輸等效模型如圖6所示。
[0065]圖6中，能量存儲器放電電流Ie、輔助存儲器能量儲存電流I。。，Irs無線傳感器節點工作在休眠狀態工作電流。各電流之間的關係如下式所示
[0066]Ie = Irs+Ics+Icc (5)
[0067]上式中，Ics為能量管理系統所需自身工作電流。
[0068]根據不同工作狀態下，對光伏微能源能量管理系統工作方案的分析，所示設計的光伏微能源能量管理方案，一方面實現太陽能量的轉換、存儲和能量存儲器的充電保護，其通過合理控制太陽能電池工作電壓實現對能量的轉換控制，同時，利用傳感器節點工作狀態的變化控制能量的存儲與傳輸，有效提高了能量的利用效率和減小了太陽能電池的面積。另一方面在MEMS無線傳感器節點工作在激活狀態時，能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，與採用單一的能量存儲器供電方式相比，其能有效提高輸出峰值功率、減小存儲器內部損耗、延長供電時間。
[0069]能量存儲式集成光伏微能源系統及分析
[0070]1、能量存儲式集成光伏微能源設系統
[0071]為實現光電微能源的能量轉換、存儲和分配及片上集成要求，設計的光伏微能源能量管理電路系統如圖7所示。
[0072]在圖7中，為簡化系統片上集成製備工藝，太陽能電池採用矽太陽能電池結構。能量存儲器為固態薄膜鋰離子電池，其製備工藝與集成電子器件的製備工藝具有較好的兼容性，有利於光伏微能源系統的片上集成。固體薄膜鋰離子電池(微電池)正常工作電壓為3.5V-4.2V，在充電條件下，由於受內阻和極化電阻的影響，固體薄膜鋰離子電池的電壓在3.7V-4.4V，電池容量與無線傳感器節點無光照條件下工作時間等有關。根據電路中保護二極體DpD2和固體薄膜鋰離子電池工作特性，設計的太陽能電池輸出開路電壓為7V，其最大功率點對應電壓在4.9V左右。太陽能電池實際工作電壓控制在4.3V-5.1V之間，最大功率點附近，使其具有較大的輸出功率，且輸出能量能被有效存儲。
[0073]充電保護開關電路由場效應管1\、肖特基二極體DpD2組成，場效應管?\的工作狀態受能量分配控制電路控制，其開啟電壓\為1.5V。二極體01』2在固體薄膜鋰離子電池充電中導通，在固體薄膜鋰離子電池充滿時截止。Di用於防止1\導通時太陽能電池輸出端被短路。D2用於防止1\導通時固體薄膜鋰離子電池被短路放電。
[0074]分壓器由電阻&和R2組成，在電阻R2上產生一個與固體薄膜鋰離子電池變化一致的電壓。電壓參考電路由電阻R3和二個串聯二極體D3、D4組成，用於產生1.5V參考電壓，有利於簡化系統片上集成工藝。能量分配控制電路由NM0S場效應管T2、Τ3、Τ4和PMOS場效應管T5、T6組成。為保障系統的正常工作，要求NM0S場效應管Τ2、Τ3、Τ4的開啟電壓VT為1.5V，且溝道的長寬比為2:4，PM0S場效應管T5、Τ6的夾斷電壓VP為-2.5V，且溝道的長寬比為1:1。
[0075]輔助能量存儲器為電容器，採用M0S電容器工藝設計，有利於簡化系統片上集成的工藝，根據M0S電容器的相關原理，電容器容量C = 5 μ F時，電容器面積S。= 0.15cm2。穩壓電路由一個電阻r4和四個二極體d5、d6、d7、d8串聯組成。
[0076]太陽能電池的輸出端與二極體D1的正極連接，D1的負極同時與二極體D2的正極和場效應管T1的漏極相接，D2的負極同時與固體薄膜鋰離子電池E的正極、電阻R1的一端、場效應管T5源極、場效應管T6源極、電阻R3的一端、電容器C的一端和電阻R4的一端相接，T1的柵極同時與T3的漏極、T5的漏極和T5、T6的柵極相連，R1的另一端同時與R2的一端和T3的柵極相連，T2的柵極與漏極同時與T3源極、T4源極相連，T4的柵極同時與R3的另一端、二極體D3的正極相連，T4的漏極與T6管的漏極相連，二極體D3的負極與二極體D4的正極相連，電阻R4另一端同時與MEMS無線傳感器節點電源正極端、二極體D5的正極相連，二極體D5的負極與二極體D6的正極相連，二極體D6的負極與二極體D7的正極相連，太陽能電池的負極同時與T1管的源極、固體薄膜鋰離子電池E的負極、電阻R的另一端、T1管的源極、二極體D4的負極、電容C的另一端、二極體D8的負極和MEMS無線傳感器節點的電源負極相連。
[0077]2、能量存儲式光伏微能源特性實驗及分析
[0078]按照設計太陽能電池的輸出電壓變化範圍(4.3V-5.1V)對設計系統各部分的工作特性進行了實驗分析。
[0079]太陽能電池為固態薄膜鋰離子電池充電期間，太陽能電池的電壓變化特性如圖8所示。
[0080]從圖8中可已看出，在薄膜鋰離子電池充電期間，其充電電壓達到4.3V後，隨著充電電壓的升高，充電保護開關(場效應管T1)逐漸導通，太陽能電池輸出電壓被逐漸降低，固態薄膜鋰離子電池充電進入涓流充電狀態，當鋰離子電池充電電壓達到4.4V時，太陽能電池電壓為4.7V，受保護二極體D2的導通電壓(0.3V)限制，太陽能電池停止對微電池充電,達到防止微電池過充電的目的。
[0081]在充電過程電壓參考電路的變化如圖9所示，其輸出電壓基本穩定在1.5V。
[0082]固體薄膜鋰離子電池充電中，能量分配控制電路的輸出電壓如圖10所示，隨薄膜鋰離子電池充電電壓的升高控制電路輸出電壓逐漸升高，控制充電保護開關的導通狀態。
[0083]在傳感器節點休眠狀態，微能源系統輸出電壓如圖11所示。微電池充電電壓在3.7V-4.7V之間變化時，輸出電壓在3.065V-3.238V間變化。其源效應為3.9%，具有較好的穩定性。
[0084]總之，根據上面的仿真及分析結果可以看出，仿真分析結果與理論分析結果一致，所設計的能量存儲式集成光伏微能源系統滿足設計要求。
[0085]根據MEMS無線傳感器節點的功耗特點，研究了片上集成光伏微能源的能量管理方案和設計了集成光伏微能源系統，並對所設計系統的特性進行了分析。根據有無光照條件，所提出的能量管理方案由能量存儲、混合供電、充電保護、並聯供電和能量轉存五個狀態組成，實現對能量的存儲、傳輸和供電管理。所設計的集成光電能量存儲系統由太陽能電池、充電保護開關電路、固態薄膜鋰離子電池、分壓電路、參考電路和能量分配控制電路、輔助能量存儲器和穩壓電路等組成。系統所選用器件具有較好的片上集成工藝兼容性。設計系統中採用旁路法實現對固態薄膜鋰離子過充電保護，具有電路簡單的特點。同時，根據系統各部分工作電壓特性，合理設計太陽能電池參數，能確保太陽能電池工作在最大輸出功率點附近，使其具有較大的輸出轉換效率及功率。另外，在MEMS無線傳感器節點工作在激活狀態，固態薄膜鋰離子電池與輔助存儲器(電容器)並聯為傳感器節點供電，有效提高輸出峰值功率、減小存儲器內部損耗、延長存儲能量供電時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0086]圖1是本發明光伏微能源能量控制系統結構圖；
[0087]圖2是能量存儲狀態能量傳輸等效模型圖；
[0088]圖3是混合供電狀態能量傳輸等效模型圖；
[0089]圖4是充電保護狀態下能量傳輸等效模型圖；
[0090]圖5是並聯供電狀態能量傳輸等效模型圖；
[0091]圖6是能量轉存狀態能量傳輸等效模型圖；
[0092]圖7是光伏微能源能量管理電路系統結構圖；
[0093]圖8是太陽能電池輸出電壓變化圖；
[0094]圖9是參考電路電壓變化圖；
[0095]圖10是能量分配控制電路的輸出電壓變化圖；
[0096]圖11是微能源系統輸出電壓變化圖。

【具體實施方式】
[0097]一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統，包括太陽能電池、分壓電路、基準電壓電路，本發明特徵在於:還包括保護二極體A、保護二極體B、充電保護器、能量存儲器、能量分配管理控制電路、輔助存儲器、穩壓器、MEMS無線傳感器；
[0098]其中，太陽能電池用於轉換太陽能為電能；
[0099]保護二極體A用於防止太陽能電池在充電保護器導通時太陽能電池短路；
[0100]充電保護二極體B用於防止充電保護時能量存儲器輸出端被短路放電；
[0101]能量存儲器用於在太陽光照和MEMS傳感器休眠狀態時存儲太陽能電池輸出能量，在MEMS傳感器激活狀態時與輔助能量存儲混合為MEMS傳感器供電；
[0102]充電保護器在能量存儲器充滿時導通，將光伏電池輸出旁路，光伏電池停止對能量存儲器充電；
[0103]分壓電路為能量分配控制電路提供控制輸入信號；
[0104]基準電壓電路為能量分配控制電路提供基準控制電壓；
[0105]能量分配控制電路通過控制輸入信號實時監測能量存儲器的充電電壓，能量存儲器充滿時，能量分配控制單元輸出充電保護控制信號，控制充電保護器導通；
[0106]輔助能量存儲器主要用於在MEMS無線傳感器節點激活狀態時，與能量存儲器並聯為傳感器節點供電；
[0107]穩壓器主要用於為MEMS無線傳感器節點提供穩定工作電壓。
[0108]上述組成器件的連接關係為:
[0109]太陽能電池經保護二極體A同時與充電保護器的一端和保護二極體B的一端相連，充電保護器的另一端與能量分配控制器的一端相連，保護二極體B的另一端同時與能量存儲器、分壓電路、能量分配控制器、基準電壓電路、穩壓器的一端相連，分壓電路的一端與能量分配控制器一端相連，基準電壓電路的一端與能量分配控制器一端相連，穩壓器的一端與MEMS傳感器的一端相連，太陽能電池的負極同時與分壓電路、基準電壓電路、充電保護器、能量存儲器、能量分配管理控制電路、輔助存儲器、穩壓器、MEMS無線傳感器的負極相連。
[0110]本發明能量分配管理控制電路由NM0S場效應管T2、T3、T4，以及PM0S場效應管Τ3、Τ4組成，NM0S場效應管Τ2、Τ3、Τ4的開啟電壓為1.5V，溝道的長寬比為2:4，PM0S場效應管Τ3、Τ4的夾斷電壓為-2.5V，溝道的長寬比為1:1，充電保護器由PM0S場效應管1\構成，?\的夾斷電壓為-1.5V;
[0111]一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統的控制方法:
[0112]首先，在太陽光照條件下，利用MEMS無線傳感器工作休眠狀態，實現太陽能量的轉換、存儲和能量存儲器的充電保護控制，在MEMS無線傳感器節點工作在激活狀態時，光伏電池、能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，其次，在無太陽光照條件下，能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，與採用單一的能量存儲器供電方式相比，其能有效提高輸出峰值功率、減小存儲器內部損耗、延長供電時間；
[0113]為提高能量轉換、存儲效率和實現能量存儲器的充電保護控制，集成無線傳感器光電微能源能量控制系統具備五種工作狀態，即:能量存儲、混合供電、充電保護、並聯供電和能量轉存；
[0114]太陽光照條件下，當無線傳感器節點工作在休眠狀態時，光伏微能源能量控制系統工作在能量存儲狀態，太陽能電池輸出為能量存儲器和輔助存儲器充電，並同時為傳感器節點供電，太陽能電池輸出電流等於能量存儲器、輔助存儲器的充電電流、能量控制系統所需自身工作電流及無線傳感器節點工作電流之和，各電流關係如下式所示:
[0115]Is = Iec+Icc+Ics+Irs (1)
[0116](1)式中Is為太陽能電池輸出電流，1%為微電池充電電流，I。。為輔助存儲器充電電流，1。3為能量控制系統所需自身工作電流，為無線傳感器工作在休眠狀態工作電流；根據能量存儲器的電壓特性，合理設計太陽能電池的開路電壓，能保證太陽能電池工作在最大功率點附近，使其具有較大的輸出轉換效率；
[0117]光照條件下，當無線傳感器節點工作在激活狀態時，系統工作在混合供電狀態，太陽能電池、能量存儲器、輔助存儲器同時為傳感器節點供電，電流之間的關係如下式所示:
[0118]Ira = Ie+Ic+IS_IcS⑵
[0119](2)式中，Ics為能量管理系統所需自身工作電流，Ira為無線傳感器節點工作在激活狀態電流，Is太陽能電池輸出電流，Ie能量存儲器輸出電流，I。輔助存儲器輸出電流，在混合供電條件下，由於輔助存儲器(電容器)支路阻抗較小，為傳感器節點提供的電流較大，因此，混合供電模式能有效提高能量存儲器輸出峰值功率、減小內部損耗和延長供電時間；
[0120]光照條件下，當能量存儲器充滿時，光伏微能源能量管理系統工作在充電保護狀態，此時，充電保護器導通，太陽能電池輸出經保護二極體A旁路，停止為能量存儲充電，同時，保護二極體B截止，防止能量存儲器經充電保護器放電，在能量存儲器的充電保護狀態，能量存儲器、輔助存儲器同時並聯為傳感器節點供電，能量存儲器與輔助存儲器並聯為MEMS無線傳感器節點供電，各電流之間的關係如下式所示:
[0121]Irs = Ies+Icd-1cs (3)
[0122](3)式中，Is為太陽能電池輸出電流，Ies為能量存儲器放電電流，U為輔助存儲器放電電流，Ics為能量管理系統所需自身工作電流，Irs為無線傳感器工作在休眠狀態工作電流；
[0123]無光照條件下，太陽能電池輸出電壓電流較小，保護二極體A和保護二極體B截止，當MEMS無線傳感器器節點工作在激活狀態時，能量控制系統工作在並聯供電狀態，能量存儲器及輔助存儲器同時為MEMS無線傳感器節點供電，能量存儲器放電電流、輔助存儲器放電電流並聯為無線傳感器節點供電，電流之間的關係如下式所示:
[0124]Ira = m ⑷
[0125](4)式中，1。3為能量控制系統所需自身工作電流，IM為無線傳感器工作在激活狀態工作電流，Ie能量存儲器放電電流、I。輔助存儲器放電電流；
[0126]無光照條件下，當無線傳感器器節點工作在休眠狀態時，能量控制系統工作在能量轉存狀態，能量存儲器一方面為輔助存儲器充電，另一方面為無線傳感器節點供電，能量存儲器放電流、輔助存儲器能量儲存電流和無線傳感器節點工作電流之間的關係如下式所示:
[0127]Ie = Irs+Ics+Icc (5)
[0128](5)式中，Ics為能量控制系統所需自身工作電流，Ie能量存儲器放電電流、I。。輔助存儲器能量儲存電流，Irs無線傳感器節點工作在休眠狀態工作電流。
【權利要求】
1.一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統，包括太陽能電池、分壓電路、基準電壓電路，其特徵在於:還包括保護二極體A、保護二極體B、充電保護器、能量存儲器、能量分配管理控制電路、輔助存儲器、穩壓器、MEMS無線傳感器； 其中，太陽能電池用於轉換太陽能為電能； 保護二極體A用於防止太陽能電池在充電保護器導通時太陽能電池短路； 保護二極體B用於防止充電保護時能量存儲器輸出端被短路放電； 能量存儲器用於在太陽光照和MEMS傳感器休眠狀態時存儲太陽能電池輸出能量，在MEMS傳感器激活狀態時與輔助能量存儲混合為MEMS傳感器供電； 充電保護器在能量存儲器充滿時導通，將光伏電池輸出旁路，光伏電池停止對能量存儲器充電； 分壓電路為能量分配控制電路提供控制輸入信號； 基準電壓電路為能量分配控制電路提供基準控制電壓； 能量分配控制電路通過控制輸入信號實時監測能量存儲器的充電電壓，能量存儲器充滿時，能量分配控制單元輸出充電保護控制信號，控制充電保護器導通； 輔助能量存儲器用於在MEMS無線傳感器節點激活狀態時，與能量存儲器並聯為傳感器節點供電； 穩壓器用於為MEMS無線傳感器節點提供穩定工作電壓。 上述組成器件的連接關係為: 太陽能電池經保護二極體A同時與充電保護器的一端和保護二極體B的一端相連，充電保護器的另一端與能量分配控制器的一端相連，保護二極體B的另一端同時與能量存儲器、分壓電路、能量分配控制器、基準電壓電路、穩壓器的一端相連，分壓電路的一端與能量分配控制器一端相連，基準電壓電路的一端與能量分配控制器一端相連，穩壓器的一端與MEMS傳感器的一端相連，太陽能電池的負極同時與分壓電路、基準電壓電路、充電保護器、能量存儲器、能量分配管理控制電路、輔助存儲器、穩壓器、MEMS無線傳感器的負極相連。
2.如權利要求1所述一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統，其特徵在於:能量分配管理控制電路由NMOS場效應管T2、T3、T4,以及PMOS場效應管T3、T4組成，NMOS場效應管T2、T3> T4的開啟電壓為1.5V，溝道的長寬比為2:4，PMOS場效應管T3、T4的夾斷電壓為-2.5V，溝道的長寬比為1:1，充電保護器由PMOS場效應管T1構成，T1的夾斷電壓為-1.5V。
3.根據權利要求1所述的一種集成無線傳感器光電微能源能量控制系統的控制方法，其特徵在於: 首先，在太陽光照條件下，利用MEMS無線傳感器工作休眠狀態，實現太陽能量的轉換、存儲和能量存儲器的充電保護控制，在MEMS無線傳感器節點工作在激活狀態時，光伏電池、能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，其次，在無太陽光照條件下，能量存儲器與輔助存儲器並聯為傳感器節點供電，與採用單一的能量存儲器供電方式相比，其能有效提高輸出峰值功率、減小存儲器內部損耗、延長供電時間； 為提高能量轉換、存儲效率和實現能量存儲器的充電保護控制，集成無線傳感器光電微能源能量控制系統具備五種工作狀態，即:能量存儲、混合供電、充電保護、並聯供電和能量轉存； 太陽光照條件下，當無線傳感器節點工作在休眠狀態時，光伏微能源能量控制系統工作在能量存儲狀態，太陽能電池輸出為能量存儲器和輔助存儲器充電，並同時為傳感器節點供電，太陽能電池輸出電流等於能量存儲器、輔助存儲器的充電電流、能量控制系統所需自身工作電流及無線傳感器節點工作電流之和，各電流關係如下式所示:
Is = Iec+Icc+Ics+Irs ⑴ (1)式中Is為太陽能電池輸出電流，Ie。為微電池充電電流，I。。為輔助存儲器充電電流，Ics為能量控制系統所需自身工作電流，Irs為無線傳感器工作在休眠狀態工作電流；根據能量存儲器的電壓特性，合理設計太陽能電池的開路電壓，能保證太陽能電池工作在最大功率點附近，使其具有較大的輸出轉換效率； 光照條件下，當無線傳感器節點工作在激活狀態時，系統工作在混合供電狀態，太陽能電池、能量存儲器、輔助存儲器同時為傳感器節點供電，電流之間的關係如下式所示:
Ira = Ie+Ic+Is_Ics (2) (2)式中，1。3為能量管理系統所需自身工作電流，Im為無線傳感器節點工作在激活狀態電流，Is太陽能電池輸出電流，Ie能量存儲器輸出電流，I。輔助存儲器輸出電流，在混合供電條件下，由於輔助存儲器支路阻抗較小，為傳感器節點提供的電流較大，因此，混合供電模式能有效提高能量存儲器輸出峰值功率、減小內部損耗和延長供電時間； 光照條件下，當能量存儲器充滿時，光伏微能源能量管理系統工作在充電保護狀態，此時，充電保護器導通，太陽能電池輸出經保護二極體A旁路，停止為能量存儲充電，同時，保護二極體B截止，防止能量存儲器經充電保護器放電，在能量存儲器的充電保護狀態，能量存儲器、輔助存儲器同時並聯為傳感器節點供電，能量存儲器與輔助存儲器並聯為MEMS無線傳感器節點供電，各電流之間的關係如下式所示:
Irs les+Icd Ics (3) (3)式中，Is為太陽能電池輸出電流，Ies為能量存儲器放電電流，Icd為輔助存儲器放電電流，Ics為能量管理系統所需自身工作電流，Irs為無線傳感器工作在休眠狀態工作電流； 無光照條件下，太陽能電池輸出電壓電流較小，保護二極體A和保護二極體B截止，當MEMS無線傳感器器節點工作在激活狀態時，能量控制系統工作在並聯供電狀態，能量存儲器及輔助存儲器同時為MEMS無線傳感器節點供電，能量存儲器放電電流、輔助存儲器放電電流並聯為無線傳感器節點供電，電流之間的關係如下式所示: Ira = m ⑷ (4)式中，1。3為能量控制系統所需自身工作電流，Im為無線傳感器工作在激活狀態工作電流，Ie能量存儲器放電電流、I。輔助存儲器放電電流； 無光照條件下，當無線傳感器器節點工作在休眠狀態時，能量控制系統工作在能量轉存狀態，能量存儲器一方面為輔助存儲器充電，另一方面為無線傳感器節點供電，能量存儲器放電流、輔助存儲器能量儲存電流和無線傳感器節點工作電流之間的關係如下式所示:
Ie = Irs+Ics+Icc (5) (5)式中，1。3為能量控制系統所需自身工作電流，能量存儲器放電電流、I。。輔助存儲器能量儲存電流，Irs無線傳感器節點工作在休眠狀態工作電流。
【文檔編號】H02J7/35GK104467147SQ201410705592
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】何永泰, 肖麗仙 申請人:楚雄師範學院