一种用于无线传感器结点的两级能源存储系统的制作方法

本发明属于系统供电技术领域，特别涉及一种用于无线传感器结点的两级能源存储系统。

背景技术：

随着无线传感器在基础设施、高危环境监测和国防等领域应用的日益增多，传统利用电池来提供电源的方法已经不能满足供电的需求，随着从传感器节点所处的环境提取和收集能量技术的进一步发展，采用环境能量收集技术来专门供电或作为补充供电方式的无线传感器网络已成为可能。

如果传感器系统所处的环境能够获得的能量有限且是不连续的，而其中的间隔时间又较长，那么，存储在锂电池或超级电容器上的能量将由于传感器反复进入正常工作状态以及锂电池或超级电容本身的漏电而消耗殆尽。一般来说，系统对于能量存储元件的要求是当传感器信号收发系统从睡眠状态进入正常工作状态时，启动时间越短越好。如果储能元件的初始电压为零，那么，一旦有可收集的能量时，储能元件的容值越小充电速度就越快或电压上升速度越快，被收集的能量就能够及时地为传感器信号收发系统提供工作电压，使其尽快进入工作状态；另一方面，如果储能元件的容值越小，其存储的总容量就越少，不利于在无能量可收集时较长时间给系统供电，即持续时间较短；具有低漏电性能的可充电电池如锂电池比较适合作为储能元件，但锂电池的充电次数也就是使用寿命是有限的(如果每天充放电一次，锂电池的使用寿命不超过2年)，并且需要设计专门的充放电控制电路；超级电容的使用寿命可以超过10年(可充放电50万次以上)，且广泛应用于无线传感器系统，但是超级电容的漏电流又比可充电电池大，容值越大漏电流越大，电压越高漏电越大；当电容电压接近极限电压时，漏电呈现指数型增加现象。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于无线传感器结点的两级能源存储系统。

为此，本发明技术方案如下：

一种用于无线传感器结点的两级能源存储系统，包括第一级储能单元和第二级储能单元；第二级储能单元并联在第一级储能单元的两端；

第一级储能单元包括第一电容Cs1，第一电容Cs1的一端同时接到环境能源收集系统和无线传感网结点负载，第一电容Cs1的另一端接地；

第二级储能单元包括晶体管Mp、晶体管Mn、电感L、第二电容Cs2、第三电容Cs3、第四电容Cs4、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8、PWM控制器；晶体管Mp的源级接到环境能源收集系统，晶体管Mp的栅极接到PWM控制器，晶体管Mp的漏极依次将电感L、第二电容Cs2、第一开关SW1、第三电容Cs3、第六开关SW6、第四电容Cs4、第八开关SW8串联在一起，第八开关SW8的另一端接地；晶体管Mn的栅极连接到PWM控制器，晶体管Mn的漏极连接到晶体管Mp的漏极，晶体管Mn的源极接地；第四开关SW4的一端接地，另一端接在第二电容Cs2和第一开关SW1之间的线路上；第五开关SW5的一端接地，另一端接第三电容Cs3和第六开关SW6之间的线路上；第二开关SW2并联在由第一开关SW1和第三电容Cs3组成的串联电路的两端；第三开关SW3并联在由第二电容Cs2和第一开关SW1组成的串联电路的两端；第七开关SW7并联在由第二电容Cs2、第一开关SW1、第三电容Cs3、第六开关SW6组成的串联电路的两端。

所述的第一电容Cs1的容值大小为10uF左右，第二电容Cs2、第三电容Cs3、第四电容Cs4均为超级电容，且其容值大小分别为4F、2F和1F左右。

与现有技术相比，该用于无线传感器结点的两级能源存储系统根据传感器所处环境能源的可获得性，实时选择连接第二级储能元件的大小、数量和连接方式，达到最佳的有效能量存储和再利用率。

附图说明

图1为本发明提供的用于无线传感器结点的两级能源存储系统的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，所述的用于无线传感器结点的两级能源存储系统包括第一级储能单元和第二级储能单元；第二级储能单元并联在第一级储能单元的两端；

第一级储能单元包括第一电容Cs1，第一电容Cs1的一端同时接到环境能源收集系统和无线传感网结点负载，第一电容Cs1的另一端接地；

第二级储能单元包括晶体管Mp、晶体管Mn、电感L、第二电容Cs2、第三电容Cs3、第四电容Cs4、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8、PWM控制器；晶体管Mp的源级接到环境能源收集系统，晶体管Mp的栅极接到PWM控制器，晶体管Mp的漏极依次将电感L、第二电容Cs2、第一开关SW1、第三电容Cs3、第六开关SW6、第四电容Cs4、第八开关SW8串联在一起，第八开关SW8的另一端接地；晶体管Mn的栅极连接到PWM控制器，晶体管Mn的漏极连接到晶体管Mp的漏极，晶体管Mn的源极接地；第四开关SW4的一端接地，另一端接在第二电容Cs2和第一开关SW1之间的线路上；第五开关SW5的一端接地，另一端接第三电容Cs3和第六开关SW6之间的线路上；第二开关SW2并联在由第一开关SW1和第三电容Cs3组成的串联电路的两端；第三开关SW3并联在由第二电容Cs2和第一开关SW1组成的串联电路的两端；第七开关SW7并联在由第二电容Cs2、第一开关SW1、第三电容Cs3、第六开关SW6组成的串联电路的两端。

所述的第一电容Cs1的容值大小为10uF，第二电容Cs2、第三电容Cs3、第四电容Cs4为超级电容，其容值大小分别为4F、2F和1F。

本发明提供的用于无线传感器结点的两级能源存储系统的实施例如下：

假设从环境获得的能量和传感器结点负载消耗的能量相等，图1中A点的电压处于一个相对稳定值如3.5V；当A点的电压大于3.6V时，说明从环境可获得的能量除供给传感器结点负载外还有余量，PWM控制器以开关降压方式开始工作，把多余的能量存储到第二级储能单元；当图1中A点电压低于3.3V时，说明从环境获得的能量不足以供给负载，PWM控制器以开关升压方式开始工作，再把第二级储能单元存储的能量传送到第一级。

实施例一：当图1中A点的电压小于或等于3.6V时，此时，第一级储能单元为无线传感器网结点负载供电；

实施例二：当图1中A点的电压大于3.6V时，由PWM控制器、晶体管Mp、晶体管Mn和电感L组成的双向DC/DC转换器以BUCK降压的方式对第二电容Cs2、第三电容Cs3和第四电容Cs4这些储能元件进行充电；由于超级电容具有漏电的特性，且漏电量随容值和电压值的增大而增加，特别是当电容上的电压接近极限值如2.7V时，漏电量呈现出指数增加的趋势；如果一味地增加储能电容，而当环境能量不足时，收集的能量可能由于漏电而被部分或全部释放掉了，因此，根据从周围环境获取能量的实际情况，通过PWM控制器自动控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8的关断和闭合来调控第二级储能单元中等效电容值的大小；一旦图1中B点的电压达到极限值2.7V，且此时图1中A点的电压大于3.6V时，PWM控制器自动调控第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8的关断和闭合，并按照组合等效电容值从小到大的顺序来决定开关的闭合和断开，控制开关的组合状态及其等效电容值的大小如表1所示。

实施例三：当从外界环境中收集的能量不能满足无线传感器网结点负载需求，且图1中A点电压下降到一定电压如3.3V，且系统检测第二电容Cs2、第三电容Cs3和第四电容Cs4上有电压时，由PWM控制器、晶体管Mp、晶体管Mn和电感L组成的双向DC/DC转换器以Boost升压的工作模式反向工作，把第二电容Cs2、第三电容Cs3和第四电容Cs4上存储的电能输送到第一电容Cs1上，保证无线传感器网结点负载正常工作；一旦图1中A点电压上升到3.5V时(不能设置到3.6V，否则，反向输送到第一电容Cs1上的能量又被重新用于对第二电容Cs2～第四电容Cs4进行充电)，反向工作模式停止，直到图1中A点电压再次降低到3.3V；这一过程不断重复，直到图1中B点的电压最终低于一定的电压如0.1V，双向DC/DC转换器将不能够有效地工作，超级电容上剩余的电能将不能通过以Boost升压的方式传输到第一电容Cs1上；若第二级储能单元从表1中所示的状态14开始向第一电容Cs1提供电能，当图1中B点电压从2.7V下降到1.0V时，控制开关的状态转变到表1所示的状态10，这样，图1中B点电压由于等效容值从7F变为3F而再次上升到1.75V；当图1中B点电压由于放电再次下降到1V时，控制开关的状态转变到表1中的状态7，图1中B点电压再次上升到1.5V；同理，此后的状态依次是状态6、状态5、状态2和状态1；当图1中B点电压下降到0.1V或更低电压时，双向DC/DC转换器将不能够有效地工作，超级等效电容上剩余的电能将不能再被有效地通过PWM控制器、晶体管Mp、晶体管Mn和电感L组成的升压变换器而传输到第一电容Cs1上。

表1