本發(fā)明屬于系統(tǒng)供電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于無線傳感器結(jié)點的兩級能源存儲系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無線傳感器在基礎(chǔ)設(shè)施、高危環(huán)境監(jiān)測和國防等領(lǐng)域應(yīng)用的日益增多，傳統(tǒng)利用電池來提供電源的方法已經(jīng)不能滿足供電的需求，隨著從傳感器節(jié)點所處的環(huán)境提取和收集能量技術(shù)的進一步發(fā)展，采用環(huán)境能量收集技術(shù)來專門供電或作為補充供電方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為可能。

如果傳感器系統(tǒng)所處的環(huán)境能夠獲得的能量有限且是不連續(xù)的，而其中的間隔時間又較長，那么，存儲在鋰電池或超級電容器上的能量將由于傳感器反復(fù)進入正常工作狀態(tài)以及鋰電池或超級電容本身的漏電而消耗殆盡。一般來說，系統(tǒng)對于能量存儲元件的要求是當(dāng)傳感器信號收發(fā)系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)進入正常工作狀態(tài)時，啟動時間越短越好。如果儲能元件的初始電壓為零，那么，一旦有可收集的能量時，儲能元件的容值越小充電速度就越快或電壓上升速度越快，被收集的能量就能夠及時地為傳感器信號收發(fā)系統(tǒng)提供工作電壓，使其盡快進入工作狀態(tài)；另一方面，如果儲能元件的容值越小，其存儲的總?cè)萘烤驮缴伲焕谠跓o能量可收集時較長時間給系統(tǒng)供電，即持續(xù)時間較短；具有低漏電性能的可充電電池如鋰電池比較適合作為儲能元件，但鋰電池的充電次數(shù)也就是使用壽命是有限的(如果每天充放電一次，鋰電池的使用壽命不超過2年)，并且需要設(shè)計專門的充放電控制電路；超級電容的使用壽命可以超過10年(可充放電50萬次以上)，且廣泛應(yīng)用于無線傳感器系統(tǒng)，但是超級電容的漏電流又比可充電電池大，容值越大漏電流越大，電壓越高漏電越大；當(dāng)電容電壓接近極限電壓時，漏電呈現(xiàn)指數(shù)型增加現(xiàn)象。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于無線傳感器結(jié)點的兩級能源存儲系統(tǒng)。

為此，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種用于無線傳感器結(jié)點的兩級能源存儲系統(tǒng)，包括第一級儲能單元和第二級儲能單元；第二級儲能單元并聯(lián)在第一級儲能單元的兩端；

第一級儲能單元包括第一電容Cs1，第一電容Cs1的一端同時接到環(huán)境能源收集系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)結(jié)點負(fù)載，第一電容Cs1的另一端接地；

第二級儲能單元包括晶體管Mp、晶體管Mn、電感L、第二電容Cs2、第三電容Cs3、第四電容Cs4、第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、第三開關(guān)SW3、第四開關(guān)SW4、第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6、第七開關(guān)SW7、第八開關(guān)SW8、PWM控制器；晶體管Mp的源級接到環(huán)境能源收集系統(tǒng)，晶體管Mp的柵極接到PWM控制器，晶體管Mp的漏極依次將電感L、第二電容Cs2、第一開關(guān)SW1、第三電容Cs3、第六開關(guān)SW6、第四電容Cs4、第八開關(guān)SW8串聯(lián)在一起，第八開關(guān)SW8的另一端接地；晶體管Mn的柵極連接到PWM控制器，晶體管Mn的漏極連接到晶體管Mp的漏極，晶體管Mn的源極接地；第四開關(guān)SW4的一端接地，另一端接在第二電容Cs2和第一開關(guān)SW1之間的線路上；第五開關(guān)SW5的一端接地，另一端接第三電容Cs3和第六開關(guān)SW6之間的線路上；第二開關(guān)SW2并聯(lián)在由第一開關(guān)SW1和第三電容Cs3組成的串聯(lián)電路的兩端；第三開關(guān)SW3并聯(lián)在由第二電容Cs2和第一開關(guān)SW1組成的串聯(lián)電路的兩端；第七開關(guān)SW7并聯(lián)在由第二電容Cs2、第一開關(guān)SW1、第三電容Cs3、第六開關(guān)SW6組成的串聯(lián)電路的兩端。

所述的第一電容Cs1的容值大小為10uF左右，第二電容Cs2、第三電容Cs3、第四電容Cs4均為超級電容，且其容值大小分別為4F、2F和1F左右。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該用于無線傳感器結(jié)點的兩級能源存儲系統(tǒng)根據(jù)傳感器所處環(huán)境能源的可獲得性，實時選擇連接第二級儲能元件的大小、數(shù)量和連接方式，達到最佳的有效能量存儲和再利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的用于無線傳感器結(jié)點的兩級能源存儲系統(tǒng)的電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明，但下述實施例絕非對本發(fā)明有任何限制。

如圖1所示，所述的用于無線傳感器結(jié)點的兩級能源存儲系統(tǒng)包括第一級儲能單元和第二級儲能單元；第二級儲能單元并聯(lián)在第一級儲能單元的兩端；

第一級儲能單元包括第一電容Cs1，第一電容Cs1的一端同時接到環(huán)境能源收集系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)結(jié)點負(fù)載，第一電容Cs1的另一端接地；

第二級儲能單元包括晶體管Mp、晶體管Mn、電感L、第二電容Cs2、第三電容Cs3、第四電容Cs4、第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、第三開關(guān)SW3、第四開關(guān)SW4、第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6、第七開關(guān)SW7、第八開關(guān)SW8、PWM控制器；晶體管Mp的源級接到環(huán)境能源收集系統(tǒng)，晶體管Mp的柵極接到PWM控制器，晶體管Mp的漏極依次將電感L、第二電容Cs2、第一開關(guān)SW1、第三電容Cs3、第六開關(guān)SW6、第四電容Cs4、第八開關(guān)SW8串聯(lián)在一起，第八開關(guān)SW8的另一端接地；晶體管Mn的柵極連接到PWM控制器，晶體管Mn的漏極連接到晶體管Mp的漏極，晶體管Mn的源極接地；第四開關(guān)SW4的一端接地，另一端接在第二電容Cs2和第一開關(guān)SW1之間的線路上；第五開關(guān)SW5的一端接地，另一端接第三電容Cs3和第六開關(guān)SW6之間的線路上；第二開關(guān)SW2并聯(lián)在由第一開關(guān)SW1和第三電容Cs3組成的串聯(lián)電路的兩端；第三開關(guān)SW3并聯(lián)在由第二電容Cs2和第一開關(guān)SW1組成的串聯(lián)電路的兩端；第七開關(guān)SW7并聯(lián)在由第二電容Cs2、第一開關(guān)SW1、第三電容Cs3、第六開關(guān)SW6組成的串聯(lián)電路的兩端。

所述的第一電容Cs1的容值大小為10uF，第二電容Cs2、第三電容Cs3、第四電容Cs4為超級電容，其容值大小分別為4F、2F和1F。

本發(fā)明提供的用于無線傳感器結(jié)點的兩級能源存儲系統(tǒng)的實施例如下：

假設(shè)從環(huán)境獲得的能量和傳感器結(jié)點負(fù)載消耗的能量相等，圖1中A點的電壓處于一個相對穩(wěn)定值如3.5V；當(dāng)A點的電壓大于3.6V時，說明從環(huán)境可獲得的能量除供給傳感器結(jié)點負(fù)載外還有余量，PWM控制器以開關(guān)降壓方式開始工作，把多余的能量存儲到第二級儲能單元；當(dāng)圖1中A點電壓低于3.3V時，說明從環(huán)境獲得的能量不足以供給負(fù)載，PWM控制器以開關(guān)升壓方式開始工作，再把第二級儲能單元存儲的能量傳送到第一級。

實施例一：當(dāng)圖1中A點的電壓小于或等于3.6V時，此時，第一級儲能單元為無線傳感器網(wǎng)結(jié)點負(fù)載供電；

實施例二：當(dāng)圖1中A點的電壓大于3.6V時，由PWM控制器、晶體管Mp、晶體管Mn和電感L組成的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器以BUCK降壓的方式對第二電容Cs2、第三電容Cs3和第四電容Cs4這些儲能元件進行充電；由于超級電容具有漏電的特性，且漏電量隨容值和電壓值的增大而增加，特別是當(dāng)電容上的電壓接近極限值如2.7V時，漏電量呈現(xiàn)出指數(shù)增加的趨勢；如果一味地增加儲能電容，而當(dāng)環(huán)境能量不足時，收集的能量可能由于漏電而被部分或全部釋放掉了，因此，根據(jù)從周圍環(huán)境獲取能量的實際情況，通過PWM控制器自動控制第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、第三開關(guān)SW3、第四開關(guān)SW4、第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6、第七開關(guān)SW7、第八開關(guān)SW8的關(guān)斷和閉合來調(diào)控第二級儲能單元中等效電容值的大小；一旦圖1中B點的電壓達到極限值2.7V，且此時圖1中A點的電壓大于3.6V時，PWM控制器自動調(diào)控第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、第三開關(guān)SW3、第四開關(guān)SW4、第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6、第七開關(guān)SW7、第八開關(guān)SW8的關(guān)斷和閉合，并按照組合等效電容值從小到大的順序來決定開關(guān)的閉合和斷開，控制開關(guān)的組合狀態(tài)及其等效電容值的大小如表1所示。

實施例三：當(dāng)從外界環(huán)境中收集的能量不能滿足無線傳感器網(wǎng)結(jié)點負(fù)載需求，且圖1中A點電壓下降到一定電壓如3.3V，且系統(tǒng)檢測第二電容Cs2、第三電容Cs3和第四電容Cs4上有電壓時，由PWM控制器、晶體管Mp、晶體管Mn和電感L組成的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器以Boost升壓的工作模式反向工作，把第二電容Cs2、第三電容Cs3和第四電容Cs4上存儲的電能輸送到第一電容Cs1上，保證無線傳感器網(wǎng)結(jié)點負(fù)載正常工作；一旦圖1中A點電壓上升到3.5V時(不能設(shè)置到3.6V，否則，反向輸送到第一電容Cs1上的能量又被重新用于對第二電容Cs2～第四電容Cs4進行充電)，反向工作模式停止，直到圖1中A點電壓再次降低到3.3V；這一過程不斷重復(fù)，直到圖1中B點的電壓最終低于一定的電壓如0.1V，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器將不能夠有效地工作，超級電容上剩余的電能將不能通過以Boost升壓的方式傳輸?shù)降谝浑娙軨s1上；若第二級儲能單元從表1中所示的狀態(tài)14開始向第一電容Cs1提供電能，當(dāng)圖1中B點電壓從2.7V下降到1.0V時，控制開關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到表1所示的狀態(tài)10，這樣，圖1中B點電壓由于等效容值從7F變?yōu)?F而再次上升到1.75V；當(dāng)圖1中B點電壓由于放電再次下降到1V時，控制開關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到表1中的狀態(tài)7，圖1中B點電壓再次上升到1.5V；同理，此后的狀態(tài)依次是狀態(tài)6、狀態(tài)5、狀態(tài)2和狀態(tài)1；當(dāng)圖1中B點電壓下降到0.1V或更低電壓時，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器將不能夠有效地工作，超級等效電容上剩余的電能將不能再被有效地通過PWM控制器、晶體管Mp、晶體管Mn和電感L組成的升壓變換器而傳輸?shù)降谝浑娙軨s1上。

表1