[發明專利]一種無線傳感節點的“H”構型能量收集和儲存系統

在審

• 申請號: 201911401311.8
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111049250A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 尤政;戚南劍;王曉峰;莫秦川
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02J7/35
• 分類號: H02J7/35;H02J7/34
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 李富華

本發明公開了屬于無線傳感節點的自供能技術領域的一種無線傳感節點的“H”構型能量收集和儲存系統。該系統由太陽能電池、能量收集接口電路、鋰電池、電容充電DC/DC、超級電容、輸出調節電路組成。其中，能量收集接口電路的輸出分別通過一個二極管與鋰電池以及超級電容連接。鋰電池與單向DC/DC的輸入口連接，單向DC/DC的輸出連接超級電容。超級電容與輸出調節電路的輸入連接。輸出調節電路的輸出為無線傳感節點供電。該能量收集和存儲系統可以收集太陽能，為無線傳感節點長期提供能源。此外，系統采用了“H”構型來提高能量利用效率，并保證了鋰電池不會承擔大功率輸出從而延長了鋰電池使用壽命。

技術領域

本發明屬于無線傳感節點的自供能技術領域，特別涉及一種無線傳感節點的“H”構型能量收集和儲存系統。

背景技術

無線傳感網絡在國防安全、智能交通、智慧醫療、智慧農業等領域都有著廣泛的應用。而隨著傳感器技術和電子技術的發展，無線傳感網絡技術也在逐漸走向成熟。無線傳感網絡由大量的無線傳感節點組成，而供能模塊是決定無線傳感節點能否正常工作的重要組成部分。

無線傳感節點的傳統供電方法是采用一次性電池。但由于節點的數量龐大且多分布在野外等較為惡劣的環境，電池電量耗盡后難以人為進行更換，因此造成一次型電池供電的無線傳感節點壽命十分有限。節點工作的環境中往往存在著多種可以利用的能量，包括：太陽能、風能、振動能、熱能、電磁能等等。如果能夠將這些能量收集起來供節點使用，就可以大大延長節點的工作壽命。因此，近年來，環境自供電的無線傳感節點得到越來越多的關注。

在各種環境能量中，太陽能的能量密度最高，且其收集技術發展十分成熟，因而成為自供能無線傳感節點領域的研究熱點。由于太陽能受到時間和天氣的影響，有較大的波動，為了保證節點能夠持續穩定工作，需要能量儲存模塊將收集到的太陽能儲存起來，在輸入太陽能不足時供節點使用。典型的能量儲存器件包括鋰電池和超級電容兩種，它們分別具有能量密度大和功率密度大的特點。兩者組合構成的復合儲能系統有助于延長鋰電池的壽命。

專利CN 105680548 B公開了一種無線傳感器的自供能裝置，能夠綜合利用太陽能、風能、溫差能進行發電，但是該方案對于儲能模塊沒有進行詳細介紹。

專利CN 108418252 A公開了一種無線傳感器的混合能量收集裝置和運行方法，可以收集太陽能和風能為無線傳感節點供電。該裝置雖然同時使用了電容和鋰電池來儲能，但是其電容與鋰電池直接連接，難以充分發揮電容的儲能特性，且系統的能量分配方式不受控制。

如何設計自供電無線傳感節點中能量收集部分、超級電容、鋰電池和其他部分的連接方式，對于發揮不同儲能器件的優勢，延長鋰電池的壽命以及提高系統的能量利用效率，具有重要的意義。

發明內容

本發明的目的是提出一種無線傳感節點的“H”構型能量收集和儲存系統，其特征在于，采用了超級電容和鋰電池復合儲能，所述無線傳感節點的“H”構型能量收集和儲存系統由能量收集模塊、能量存儲模塊和輸出調節電路組成；其中，能量收集模塊由太陽能電池和能量收集接口電路串聯組成；能量存儲模塊由鋰電池、單向DC/DC以及超級電容串聯組成；具體連接為：太陽能電池的正極連接能量收集接口電路，能量收集接口電路輸出的一路通過二極管D1連接到單向DC/DC的輸入端和鋰電池正極，鋰電池負極接地；另一路通過二極管D2連接到單向DC/DC的輸出端和超級電容的正端，超級電容的負端接地；然后超級電容的正端與輸出調節電路的輸入連接，輸出調節電路的輸出為無線傳感節點供電；

在該“H”構型的能量收集和儲存系統中，當太陽能功率充足時，能量收集接口的輸出通過二極管D2直接連接輸出調節電路為無線傳感節點供電，多余的能量通過二極管D1為鋰電池及超級電容充電；當太陽能功率不足時，超級電容為輸出調節電路補充供電，同時鋰電池也通過單向DC/DC為超級電容充電。