CN102386671B - 用于无线通信***的电源设备和方法及传感器组件 - Google Patents

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Abstract

用于无线通信***的电源设备，其包括连接到发电机(12)的输入端(11)，存储所接收到电力的可再充电电池，以及电力调节器(4)。可再充电电池(13，13A)是低漏电流型。提供可再充电电池充电的管理和控制电路(17，18)以限制所述电池的放电深度。供电方法包括限制(50)充电电流、限制(52)放电电流、以及控制可再充电电池的放电深度(53)。当可再充电电池或缓冲电容器(15A)上的充电低于预定值(V2)时，禁止电力供应。

Description

用于无线通信***的电源设备和方法及传感器组件
技术领域
本发明涉及一种用于无线通信***的电源设备，其包括：
-输入端，其连接到发电机，
-蓄电装置，其存储所接收到的电力，以及
-电力管理装置。
本发明还涉及一种传感器组件，其包括：
-测量物理量的传感器，
-连接到所述传感器的处理电路，用于处理所测量的物理量的测量数据，
-用于无线通信的射频发送器，以及
-用于无线通信***的电源设备。
本发明还涉及一种用于无线通信***的供电方法。
背景技术
用于无线通信***的已知电源设备一般包括蓄电装置。在已知方法中，蓄电装置是可放电电池、可再充电电池或大容量电容器。在独立(autonomous)设备中，通常由光电池或小面板提供电力。
图1示出了这种设备1的框图。在该电源设备1中，供电发电机2经由电压和/或电流调节器4为蓄电装置3供电。然后所存储的电力提供给传感器模块5，以运行处理电路6、物理量传感器7以及射频发送器8。发电机优选地由光电池组成。
专利申请WO2009021828描述了一种这种类型的独立电源设备。专利申请EP1742373也公开了一种这种类型的设备，但是其具有双存储元件，以快速获得所积累的电力。
在已知的电源设备中，存储装置通常是高值电容器，例如电化电容器或超级电容器。在其他设备中，也使用大容量可再充电电池。
这些高值电容器元件或可再充电电池具有电流和电压充电和放电特性，该特性能够使通信电路和相关传感器的电子电路正确工作。但是这些元件具有一个重要缺点，即它们具有大的漏电流，由此放电时间相对较短。特殊地，当发电机是光电发电机时，非常有必要每天对存储装置再充电。因此在例如几周的长时间没有得到光照之后，这些元件不能使传感器立即可用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源设备，及用于无线通信***、可使其在长时间没有电源之后仍然可以工作的方法，以及包括这种电源设备的传感器组件。
根据本发明的一种用于无线通信***的电源设备，其包括：
-输入端，其连接到发电机，
-蓄电装置，其存储所接收到的电力，以及
-电力管理装置。
包括：
-第一存储装置，其由具有低漏电流的可再充电电池组成，以及
-第一存储装置的充电的管理和控制装置，其限制所述电池的放电深度。
所述放电深度优选地控制为限定在小于5％。
在优选实施例中，所述具有低漏电流的可再充电电池是锂扣式电池。
优选地，该设备包括具有低漏电流和大放电电流的第二存储装置。所述具有低漏电流和大放电电流的第二存储装置优选地包括至少一个陶瓷型电容器。
该设备优选地包括第一限流器，其连接在所述输入端和所述第一存储装置之间，以限制或中断所述第一充电装置中的充电电流的流动。
在特殊实施例中，该设备包括第二限流器，其连接在所述第一存储装置和所述第二存储装置之间，以限制所述第一存储装置中的放电电流的流动。
优选地，该设备包括当存储装置上的电压下降到低于预定电压时用于在输出端中断电力供应的装置。
优选地，该设备包括连接到输入端的光电型发电机。
根据本发明的一种传感器组件，其包括：
-测量物理量的传感器，
-连接到所述传感器的处理电路，用于处理所测量的物理量的测量数据，以及
-用于无线通信的射频发送器，
包括如前面所述的电源设备为所述传感器、所述处理电路和/或所述射频发送器供电，只要所述第一或第二存储装置的电压高于预定值，传感器、测量数据的处理和/或射频发送的工作就被间歇触发。
根据本发明的一种用于无线通信***的供电方法，其包括：
-限制第一存储装置中的充电电流，
-限制第一存储装置中的放电电流，
-控制第一存储装置中的放电深度，以及
-当存储装置的充电低于预定值时，停止电力供应。
有益地，所述放电深度控制为限定在小于5％。
该方法优选地包括由所述第一存储装置的受限放电电流对所述第二存储装置进行充电。
在特殊实施例中，该方法包括对被供电电路的循环处理，包括：
-激活至少一个测量传感器，
-处理由所述至少一个传感器提供的数据，
-传送射频消息，以及
-在预定时间段期间切换所述至少一个传感器、所述至少一个发送器和所述数据处理器进入深度待机。
附图说明
由以下对于本发明特殊实施例的具体说明，其他优点和特征将变得更明显，在附图中显示的仅是用于非限定的示例。
-图1示出了现有技术的设备的框图；
-图2示出了根据本发明实施例的电源设备的框图；
-图3示出了在根据本发明第二实施例的设备中使用的蓄电池的寿命相对放电深度的曲线图；
-图4示出了在根据本发明第二实施例的设备中使用的蓄电池的充电和放电的控制的曲线图；
-图5示出了根据本发明实施例的电源设备和传感器组件的详图；
-图6A至图6D示出了根据本发明实施例的电源设备和传感器组件工作的时序图；
-图7示出了根据本发明实施例的第一方法的流程图；
-图8示出了根据本发明实施例的用于传感器组件的第二方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的一种设备，其使用具有低漏电流的可再充电电池。这种电池尤其是锂扣式电池，但是其与用于大功率电源中的锂离子电池技术上非常不同。锂扣式可再充电电池通常用于为存储器或非工作时间段的计算机时钟的电源设计的低电流。这些电池具有非常低的漏电流，但是考虑到其具有非常高的内部电阻器，它们不被设计为接收大的充电或放电电流。典型地，在这些电池中流动的电流必须小于1mA。
有利地，在根据本发明的设备中，将限制具有低漏电流的可再充电电池的放电深度，从而保证相当长的工作寿命，例如几年。这种类型电池的非常低的漏电流大约是每年3％。因此其远低于电池或超级电容器类型的其他蓄电元件的漏电流。
由此，用于无线通信***的电源设备10包括连接到发电机12的输入端11、存储接收到的电力的蓄电装置、以及电力调节装置。图2示出了根据本发明实施例的电源设备的框图。在该设备中，第一存储装置13由具有低漏电流的可再充电电池13A组成。为了限制电池的充电，第一限流器14连接在输入端11和电池之间。第一限流器14限制电流或切断所述第一存储装置的充电电流的流动。当电池的充电电压值达到预定的高阈值时，第一限流器14还能限制该电池的充电电压。图2中的设备还包括具有低漏电流和大放电电流的第二存储装置15。所述具有低漏电流和大放电电流的第二存储装置优选地由至少一个陶瓷型电容器15A制成。为了限制电池13A的放电，第二限流器16连接在电池和具有低漏电流的第二存储装置15之间。第二限流器16限制所述第一存储装置的放电电流的流动。
根据本发明的实施例，该设备包括处理电路17，其管理和控制第一存储装置13的充电，以限制所述具有低漏电流的电池的放电深度。例如所述放电深度被控制为限定在5％。当存储装置13和/或15上的电压下降到小于预定电压时，还通过用于切断输出端19上的电力供应的装置18来控制所述放电深度。所述用于切断的装置18连接在存储装置15和传感器5的电源输出端19之间。
在根据图2框图的设备中，光电发电机12连接到输入端11，经由第一限流器14为具有低漏电流的锂扣式电池13A供电。所述电池13A经由限制放电电流的第二限流器16为电容器15A供电。此后电容器15A能够为具有大电流的传感器5的电路供电，使其在传感器7、处理电路6和射频发送器8的预定时间段期间工作。如果电池上的电压不再充足，开关18能够停止向传感器电路的电力供应，从而保存所述电池的寿命。
通过传感器组件的超弱平均值消耗限制电池13A在发电机12不工作时间段期间的放电深度。在光电发电机12的实例中，元件的放电时间段是一个晚上。在一个晚上期间，电池13A的放电深度由此限制为其额定容量的几个百分点的最大值，典型地为大约0.1至5％。
图3示出了根据本发明第二实施例的设备中使用的蓄电池的寿命相对放电深度的曲线图20。该曲线图20示出了锂扣式电池的充放电周期数相对所述电池的放电深度。选择将电池13A的放电深度限制为几个百分点能够获得非常高的充放电周期数，例如大约8000。通过曲线图20上的区域21标记出了该选择。
图4示出了根据本发明第二实施例的设备中使用的蓄电池的充电和放电的曲线图23。例如，在时刻t1和时刻t2之间，由光电发电机12为电池充电。该充电发生在白天或光电发电机被照射时。在该充电期间限制电池中的电流。然后在时刻t2，电池上的电压达到预定高值V1。此后第一限流器限制电池上的电压。在时刻t3，发电机不再供电，并且电池由于黑暗和传感器的测量和传送射频信息的工作而放电。这些时间段在例如时刻t4、t5、t8触发。
在这些时刻电容器15A上的电压70由于传感器模块5在测量和射频发送期间的消耗而暂时下降。此后电容器上的电压缓慢地通过第二限流器16从电池13A再充电，同时传感器模块5处于待机状态。如果电容器15A上的电压70达到低值V2，电压监控器17打开开关18以防止传感器模块5在欠电压情况下非最佳运行，并且同时防止电池13A由于完全放电而损坏。电压监控器17保持开关18打开，直到电容器15A上的电压增加到足够传感器模块5正常运行的预定值V3。在给出的实例中，随着光电发电机12再次被照射并在时刻t7再次开始产生电力，在时刻t8达到电压V3。
如果电压到达低值V2，则电池停止放电。V1和V2之间的差被监控为具有受限制的放电深度。有利地，该放电深度为大约2至5％。
图5示出了根据本发明实施例的电源设备和传感器组件的详图。光电发电机连接在输入端11上。连接在第一输入端30和第一调节器14之间的二极管30与发电机串联，以防止任何电流放电至发电机。第一电流和电压调节器14包括与连接到其源极的电阻器32串联的场效应晶体管31。晶体管的控制栅极通过电阻器33连接到电阻器32的另一端，从而由晶体管执行电流限制。晶体管还连接到处理电路7，以执行电压限制或调节，由晶体管32以自主方式执行电流限制。电池13A连接第一调节器14的负荷侧和基线34。处理电路17从电池13A接收电压信号，以特别地执行电压调节。
第二调节器16连接到电池13A。该第二调节器16包括与连接到其源极的电阻器36串联的场效应晶体管35。晶体管的控制栅极连接到电阻器32的另一端，从而由晶体管以自主方式执行电流限制。电容器15A连接第二调节器16的负荷侧和基线34。
场效应晶体管31和35优选地是能在限流器组件中自主偏置的耗尽型晶体管。
用于切断输出端19上的电源的装置18连接电容器15的负载侧。它们包括串联连接在基线34上的固态开关如MOSFET场效应晶体管37。该固态开关由具有磁滞的集成电压比较器38控制。该比较器包括内部电压参考值，比较电阻分压桥39的电压部分与所述参考值。比较器输出端和输入端之间的电阻器40确定磁滞的幅值。
图5的传感器组件还包括测量物理量的传感器7A、连接到所述传感器以处理所测量的物理量的测量数据的处理电路6A、以及用于无线通信的射频发送器8A。这些元件由前面所述的电源设备供电。只要电池13A或电容器15A上的电压大于预定值，所述传感器、测量数据的处理和/或射频发送的工作就被间歇触发。在图5中，由处理电路6A控制间歇期，处理电路6A触发传感器7A和发送器8A的电力供应。
图6A至图6D示出了根据本发明实施例的电源设备和传感器组件工作的时序图。在图6A中，曲线41示出了CO2气体传感器的动作。该动作起始于时刻t10，并由图6D的曲线44所表示的处理电路6A的处理器的动作所触发。在时刻t11，二氧化碳气体传感器的动作停止，数据传送到处理电路6A，并且传感器例如温度传感器的动作由曲线42表示，并由处理器触发。在时刻t12，处理器能改变传感器的工作模式。在时刻t14，传感器已完成它们的功能，并且处理电路处理待传送的数据。此后在时刻t14，处理电路触发数据传送。在传送结束时，即时刻t15，处理电路命令切换至相关电路的待机或深度待机状态。例如，其命令断开传感器和发送器的电力供应连接，或将后者切换至深度待机。
图7示出了根据本发明实施例的第一方法的流程图。步骤50执行限制如电池13A的第一存储装置中的充电电流。此后在步骤51中，当电压达到预定高值V1时，切断电池中的充电电流。步骤52执行限制如电池13A的第一存储装置中的放电电流。步骤53执行控制电池中的放电深度，从而保证非常大的充放电周期数。有利地，放电深度被控制为限定在5％。传感器由于间歇工作的低平均值消耗和电池的低漏电流也使得可以自然地限制放电深度，而不需要中断正常的日常工作。
步骤54通过电池13A的受限放电电流执行如缓冲电容器15A的第二存储装置的充电。在步骤55中，执行以缓冲电容器15A中充电的电力为传感器电路供电。步骤56当存储装置的充电低于预定值时激活停止电力供应。此后当电池13A或电容器15A的充电达到预定低阈值V2时切断电路的电力供应。
图8示出了根据本发明实施例的用于传感器组件的第二方法的流程图。该方法包括启动设备的电力供应的步骤60和初始化步骤61。此后循环或周期处理被供电的电路包括下述步骤。激活至少一个测量传感器的步骤62特别地执行二氧化碳气体或温度的测量。由所述至少一个传感器所提供的数据的处理步骤63处理和格式化测量数据。步骤64执行射频消息的传送。此后步骤65命令在预定时间段期间将(多个)传感器、发送器和数据处理电路切换至待机或深度待机状态。
提出上述方案例如用于给出最佳实施方式的目的。但是其他方案也是可能的。例如，处理电路17、6A和/或7A可以一起分组在单个电路中。前面所述的发电机可以是光电电池，但其他发电机是可能的，例如热电、感应、机械或风力发电机。
在根据本发明实施例的设备所使用的电池中，存在至少包括日本三洋电气公司(SANYO)或瓦尔塔公司(VARTA)的ML 1220型蓄电池。

Claims (8)

1.一种用于无线通信***的电源设备，其包括；
-输入端(11)，其连接到发电机(12)，
-蓄电装置(3)，其存储所接收到的电力，以及
-电力管理装置(4)，
其特征在于，该电源设备包括：
-第一存储装置(13，13A)，其由具有低漏电流的可再充电电池组成；
-第一存储装置的管理和控制装置(17，18)，其限制所述可再充电电池的放电深度；
-第二存储装置(15，15A)，具有低漏电流和大放电电流；
-限流器(16)，连接在所述第一存储装置(13，13A)和所述第二存储装置(15，15A)之间，限制所述第一存储装置中的放电电流的流动；
-另一限流器(14，31，32，33)，连接在所述输入端(11)和所述第一存储装置(13，13A)之间，以限制或切断所述第一存储装置(13，13A)中充电电流的流动；以及
-当第一存储装置或第二存储装置(13，13A，15，15A)上的电压下降到低于预定电压(V2)时，切断输出端(19)上的电力供应的装置(18，37-40)；
其中所述可再充电电池是锂扣式电池；
其中所述限流器(16)包括串联的场效应晶体管(35)和电阻器(36)，其中，该场效应晶体管(35)的控制栅极连接到该电阻器(36)的一端，该场效应晶体管(35)的源极连接到该电阻器(36)的另一端，使得该场效应晶体管(35)以自主方式执行限流。
2.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于所述放电深度被控制为限定在小于5％。
3.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于具有低漏电流和大放电电流的所述第二存储装置(15，15A)包括至少一个陶瓷型电容器(15A)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电源设备，其特征在于它包括连接到输入端(11)的光电型发电机(12)。
5.一种传感器组件，包括：
-测量物理量的传感器(7，7A)，
-连接到所述传感器的处理电路(6，6A)，用于处理所测量的物理量的测量数据，以及
-用于无线通信的射频发送器(8，8A)，
其特征在于它包括根据权利要求1至4任一项所述的电源设备，以为所述传感器(7，7A)、所述处理电路(6，6A)和/或所述射频发送器(8，8A)供电，只要所述第一或第二存储装置的电压高于预定电压(V2)，所述传感器、测量数据的处理和/或射频发送的工作被间歇触发。
6.一种用于无线通信***的供电方法，其特征在于它包括：
-限制(50)第一存储装置(13，13A)中的充电电流，
-通过限流器(16)限制(52)第一存储装置(13，13A)中的放电电流，其中所述限流器(16)包括串联的场效应晶体管(35)和电阻器(36)，其中，该场效应晶体管(35)的控制栅极连接到该电阻器(36)的一端，该场效应晶体管(35)的源极连接到该电阻器(36)的另一端，使得该场效应晶体管(35)以自主方式执行限流；
-控制第一存储装置(13，13A)中的放电深度(53)，
-通过所述第一存储装置(13，13A)的受限制的放电电流对第二存储装置(15，15A)进行充电(54)；以及
-当第一存储装置或者第二存储装置的充电低于预定电压(V2)时，禁止(56)电力供应；
其中第一存储装置(13，13A)由具有低漏电流的可再充电电池组成，并且所述可再充电电池是锂扣式电池。
7.根据权利要求6所述的供电方法，其特征在于所述放电深度被控制为限定在小于5％。
8.根据权利要求6至7任一项所述的供电方法，其特征在于它包括被供电的电路的循环处理，其包括：
-激活(62)至少一个测量传感器，
-通过处理电路处理(63)由所述至少一个测量传感器提供的数据，
-通过至少一个发送器传送(64)射频消息，以及
-在预定时间段期间将所述至少一个测量传感器、所述至少一个发送器和所述处理电路切换(65)至深度待机。
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