一种多模式能量管理系统及方法与流程

1.本发明涉及能量管理领域，具体涉及一种多模式能量管理系统及方法。


背景技术：

2.能源问题一直是广受全世界关注的问题，随着各种工业活动的发展和生活的需要，大规模的对能源的开采使得世界上的能源储备正在快速消耗，其中消耗最多的就是化石能源，这种不可再生能源对环境的污染极大，同时储备量有限，这使得人类未来的处境堪忧。因此，可持续发展的理念被提出并被广泛认同，发展可持续理念的一个重要的方法就是进行能量采集，实现再生，从而实现可持续的供能，这种能量来源广泛、可再生且无污染。可再生绿色能源产生的电信号类型多样，可分为高电平直流源、低电平直流源、高电平交流源、低电平交流源，且受外部环境影响较大，输出不稳定、不持续，如何有效地对不同的绿色能源进行能量管理一直是制约业界技术突破的瓶颈问题。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种多模式能量管理系统及方法，可以有效地对不同的绿色能源进行能量管理。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
5.第一方面，本发明提供一种多模式能量管理系统，包括第一能量管理电路、第二能量管理电路、第三能量管理电路和第四能量管理电路；所述第一能量管理电路的输入端用于接入高电平直流源，所述第二能量管理电路的输入端用于接入低电平直流源，所述第三能量管理电路的输入端用于接入高电平交流源，所述第四能量管理电路的输入端用于接入低电平交流源，所述第一能量管理电路的输出端、所述第二能量管理电路的输出端、所述第三能量管理电路的输出端以及所述第四能量管理电路的输出端均用于连接负载。
6.第二方面，本发明还提供一种多模式能量管理方法，用于对多模式能量管理系统向负载供电的工作状态进行控制，使所述的多模式能量管理系统工作于多模式复合工作状态或多模式功率流优化工作状态；
7.所述多模式复合工作状态的控制过程包括如下步骤，控制高电平直流源、低电平直流源、高电平交流源以及低电平交流源中的任一种电源或多种电源向负载供电；其中，高电平直流源通过第一能量管理电路向负载供电，低电平直流源通过第二能量管理电路向负载供电，高电平交流源通过第三能量管理电路向负载供电，低电平交流源通过第四能量管理电路向负载供电；
8.多模式功率流优化工作状态的控制过程包括如下步骤，
9.s1，持续使能低电平直流源，使所述低电平直流源通过第二能量管理电路向储能元件b2充电；
10.s2，判断第二控制电路中是否有电源信号输入；若是，则依次执行s3
‑
s5；若否，则依次执行s6
‑
s10；
11.s3，判断高电平直流源输出的电压是否大于储能元件b2输出的电压；若是，则执行s4；若否，则执行s5；
12.s4，利用所述第二控制电路导通高电平直流源，使高电平直流源向第一能量管理电路中的储能元件c7充电，并由储能元件c7向负载供电；
13.s5，利用所述第二控制电路导通储能元件b2，并由所述储能元件b2向负载供电；
14.s6，判断应变检测电路输出的应变值是否大于预先设定的应变阈值；若是，则执行s7；若否，则执行s8；
15.s7，利用第一控制电路导通第一可控开关，使能高电平交流源，且由高电平交流源通过第三能量管理电路向负载供电；
16.s8；判断加速度检测电路检测到的加速度值是否大于预先设定的加速度阈值；若是，则执行s9；若否，则执行s10；
17.s9，利用第一控制电路导通第二可控开关，使能低电平交流源，并使所述低电平交流源通过第四能量管理电路向所述储能元件b2充电，且由所述储能元件b2向负载供电；
18.s10，利用第一控制电路关断第一可控开关和第二可控开关，利用所述储能元件b2向负载供电。
19.本发明的有益效果是：本发明可以将多种不同模式绿色能源的电能进行收集、转化和存储，可以有效收集极微弱的电流、电压，经过能量管理可稳定且有效地向储能元件充电，进而驱动负载稳定工作。
附图说明
20.图1为实施例一中多模式能量管理系统的结构框图；
21.图2为第一能量管理电路的具体结构示意图；
22.图3为第二能量管理电路的具体结构示意图；
23.图4为第三能量管理电路的具体结构示意图；
24.图5为第四能量管理电路的具体结构示意图；
25.图6为实施例二中多模式能量管理系统的结构框图；
26.图7为图6中部分电路的具体结构示意图；
27.图8为电源多路复用电路的具体结构示意图；
28.图9为多模式功率流优化工作状态的控制原理框图；
29.图10为多模式功率流优化工作状态的具体控制流程图；
30.图11为能耗测试曲线图；
31.图12为高电平电源模式下的能量收集测试曲线图；
32.图13为低电平电源模式下的能量收集测试曲线图。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
34.实施例一：
35.如图1所示，一种多模式能量管理系统，包括第一能量管理电路、第二能量管理电
路、第三能量管理电路和第四能量管理电路；所述第一能量管理电路的输入端用于接入高电平直流源，所述第二能量管理电路的输入端用于接入低电平直流源，所述第三能量管理电路的输入端用于接入高电平交流源，所述第四能量管理电路的输入端用于接入低电平交流源，所述第一能量管理电路的输出端、所述第二能量管理电路的输出端、所述第三能量管理电路的输出端以及所述第四能量管理电路的输出端均用于连接负载。
36.其中，高电平直流源、低电平直流源、高电平交流源和低电平交流源是可再生的绿色能源；这里定义的高电平直流为电压大于等于2.0伏特的直流电平，低电平直流为电压大于0且小于2.0伏特的直流电平；高电平交流为交流电压幅值大于等于2.0伏特的交流电平，低电平交流为交流电压幅值大于0且小于2.0伏特的交流电平。
37.多模式能量管理系统位于中游，其作用是将上游的电源(包括高电平直流源、低电平直流源、高电平交流源和低电平交流源)产生的电能进行有效地拾取、转化、存储与分配，使得无论在直流源和交流源输入条件下，系统的输出电压均为标准制式的直流电平，以持续稳定地供给下游的负载使用，负载主要包括负载传感器、芯片和无线传输模组等。多模式能量管理系统的主要应用包括但不限于如下场景的不间断、可持续供电：可穿戴设备、人体健康植入监测、畜禽精细养殖、植物或农作物状态监测、野生动物追踪与保护、偏远地区土木基础设施监测、极端气候地区特种能源、航天探测、恶劣工业现场检测等。
38.基于本实施例中的多模式能量管理系统，其可以工作于多模式复合工作状态，即高电平直流源、低电平直流源、高电平交流源以及低电平交流源中的任一种电源或多种电源向负载供电；其中，高电平直流源通过第一能量管理电路向负载供电，低电平直流源通过第二能量管理电路向负载供电，高电平交流源通过第三能量管理电路向负载供电，低电平交流源通过第四能量管理电路向负载供电。
39.另外，在本具体实施例中，所述第一能量管理电路的输出端通过二极管d100与所述负载连接，所述第二能量管理电路的输出端通过二极管d200与所述负载连接，所述第三能量管理电路的输出端通过二极管d300与所述负载连接，所述第四能量管理电路的输出端通过二极管d400与所述负载连接。在系统的输出端，由于四个二极管(d100
‑
d400)的存在，阻隔了不同电源输出电压的反向回流，所有电源提供的电流均流向负载。
40.在本具体实施例中，如图2所示，所述第一能量管理电路包括型号为s6ae103a的第一芯片u1，还包括带有所述储能元件c7的电荷转移电路；所述高电平直流源的负极接地，所述高电平直流源的正极通过二极管d1连接在所述第一芯片u1的vdd引脚上，所述第一芯片u1的vdd引脚还通过电容c1接地；所述第一芯片u1的ena_comp引脚、stby_ldo引脚、ena_ldo引脚、vin_ldo引脚以及agnd引脚均接地；所述第一芯片u1的vout1连接电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端为所述第一能量管理电路的输出端；所述第一芯片u1的set_voutfb引脚依次通过电阻r2、电阻r3以及电阻r4接地，所述第一芯片u1的set_vouth引脚依次通过所述电阻r3以及所述电阻r4接地，所述第一芯片u1的set_voutl引脚通过所述电阻r4接地；所述第一芯片u1的cin0引脚通过电容c9接地，所述第一芯片u1的cin1引脚分别通过电容c10和电容c11接地，所述第一芯片u1的cin2引脚连接在时序切换开关sw1的动端上，所述时序切换开关sw1的一个静端通过电容c12接地，所述时序切换开关sw1的另一静端分别通过电容c13和电容c14接地；所述第一芯片u1的vint引脚与所述第一芯片u1的int引脚连接，所述第一芯片u1的vint引脚还通过电容c8接地；所述电荷转移电路包括二极管d2、电容c3、电容c4、
电容c5、电容c6以及储能元件c7；所述第一芯片u1的vstore2引脚通过所述储能元件c7接地，所述第一芯片u1的vstore2引脚还通过所述二极管连接在所述第一芯片u1的vstore1引脚上，所述第一芯片u1的vstore1引脚还分别通过所述电容c3、所述电容c4、所述电容c5以及所述电容c6接地。
41.本实施例中电阻和电容的型号为0603贴片，储能元件c7的型号可以为dms3r3224，参数取值220mf；二极管d1的型号可以为1ss417；去耦电容(电容c1)的参数取值为10μf；旁路电容(电容c8)的参数取值为1μf；时序切换开关sw1的型号可以为ssaj120100；电流测定电阻(电阻r1)的参数取值为0ω；调压电阻(电阻r2、电阻r3和电阻r4)的参数取值根据电阻r1另一端的输出电压vdd上下限值进行计算：输出电压上限值：v_h＝[57.5
×
(r3 r4)]/[11.1
×
(r2 r3 r4)]，输出电压下限值：v_l＝(57.5
×
r4)/[11.1
×
(r2 r3 r4)]；时序设置电容(电容c9、电容c10、电容c11、电容c12、电容c13和电容c14)的参数取值根据系统数据传输的时间间隔要求进行计算：时序t0：t0＝0.5455
×
c9
×
109 0.01327，时序t1:t1＝0.5455
×
(c10 c11)
×
109 0.01327，时序t2(时序切换开关sw1下位)：t2＝0.5455
×
c12
×
109 0.01327，时序t3(时序切换开关sw1上位)：t3＝0.5455
×
(c13 c14)
×
109 0.01327。
[0042]
在本具体实施例中，如图3所示，所述第二能量管理电路包括型号为ltc3109的第二芯片u2，还包括电容c15、微型变压器mt1、微型变压器mt2以及输出电平切换开关sw2；所述电容c15连接在所述低电平直流源的正极和负极之间，所述低电平直流源的负极连接在所述第二芯片u2的vina引脚上，所述低电平直流源的正极连接在所述微型变压器mt1的初级线圈的一端，所述微型变压器mt1的初级线圈的另一端连接在所述第二芯片u2的swa引脚上，所述微型变压器mt1的次级线圈的一端接地，所述微型变压器mt1的次级线圈的另一端分别通过泵给电容cp1和泵给电容cp2对应连接在所述第二芯片u2的c1a引脚和c2a引脚上；所述第二芯片u2的vinb引脚连接在所述低电平直流源的正极上；所述微型变压器mt2的初级线圈的一端连接在所述低电平直流源的负极上，所述微型变压器mt2的初级线圈的另一端连接在所述第二芯片u2的swb引脚上，所述微型变压器mt2的次级线圈的一端接地，所述微型变压器mt2的次级线圈的另一端分别通过泵给电容cp3和泵给电容cp4对应连接在所述第二芯片u2的c1b引脚和c2b引脚上；所述输出电平切换开关sw2的动端接地，所述输出电平切换开关sw2的一静端连接在所述第二芯片u2的vs2引脚上，所述输出电平切换开关sw2的另一静端分别连接在所述第二芯片u2的vs1引脚以及vaux引脚上，所述第二芯片u2的vs1引脚以及vaux引脚还均通过电容c16接地；所述第二芯片u2的vstore引脚依次通过电阻r5和电容c17接地；所述第二芯片u2的vout引脚连接在电阻r6的一端，所述电阻r6的另一端为所述第二能量管理电路的输出端，所述电阻r6的另一端通过电容c19接地，所述第二芯片u2的vldo引脚通过电容c18接地，所述第二芯片u2的gnd引脚接地。
[0043]
本实施例中微型变压器mt1和微型变压器mt2的型号可以为lpr6235，参数取值为7.5μh；泵给电容cp1、泵给电容cp2、泵给电容cp3和泵给电容cp4的型号均为0603贴片，泵给电容cp1和泵给电容cp3的参数取值为1nf,泵给电容cp2和泵给电容cp4的参数取值为470pf；储能电容(电容c17)的型号可以为tpsv108m006r0050,参数取值1000μf；储能电容(电容c19)的型号可以为tpsv477m010r0100,参数取值470μf；去耦电容(电容c15和电容c18)和旁路电容(电容c16)的型号为0603贴片，电容c15的参数取值为47μf，电容c18的参数取值为2.2μf，电容c16的参数取值为1μf；输出电平切换开关sw2的型号可以为ssaj120100；
电流测定电阻(电阻r5和电阻r6)的型号为0603贴片，电阻r5和电阻r6的参数取值为0ω。输出电平切换开关sw2位于左位时，系统的输出电压vdd(电阻r6另一端输出的电阻vdd)为3.3v；输出电平切换开关sw2位于右位时，系统输出电压vdd(电阻r6另一端输出的电阻vdd)为5v。
[0044]
在本具体实施例中，如图4所示，所述第三能量管理电路包括型号为ltc3588
‑
1的第三芯片u3；所述高电平交流源的两端分别对应连接在所述第三芯片u3的pz1引脚和pz2引脚上，所述第三芯片u3的vin引脚与cap引脚之间连接有电容c20，所述第三芯片u3的vin引脚还通过电容c21接地，所述第三芯片u3的vin2引脚以及d1引脚均通过电容c22接地，所述第三芯片u3的d0引脚以及gnd引脚接地，所述第三芯片u3的vout引脚为所述第三能量管理电路的输出端，所述第三芯片u3的vout引脚通过电容c23接地，所述第三芯片u3的sw引脚通过电感l1连接在所述第三芯片u3的vout引脚上；所述储能元件b2的负极接地，所述储能元件b2的正极通过二极管d3连接在所述第三芯片u3的vin引脚上。
[0045]
本实施例中，二极管d3的型号可以为ir05h40csptr；电容c20和电容c22的型号为0603贴片，电容c20的参数取值为1μf,电容c22的参数取值为4.7μf；储能电容(电容c21和电容c23)的型号为1206贴片，电容c21的参数取值为100μf,电容c23的参数取值为47μf；电感l1的型号可为srr1260，参数取值10μh；储能元件b2的型号可以为lir2032。系统的输出电压vdd(第三能量管理电路的输出端输出的电压)为3.3v。
[0046]
在本具体实施例中，如图5所示，所述第四能量管理电路包括型号为ltc3109的第二芯片u2以及型号为ltc4070的第四芯片u4，还包括微型变压器mt3、微型变压器mt4、输出电平切换开关sw3以及场效晶体管t1；所述低电平交流源的负极连接在所述第二芯片u2的vina引脚上，所述低电平交流源的正极连接在所述微型变压器mt3的初级线圈的一端，所述微型变压器mt3的初级线圈的另一端连接在所述第二芯片u2的swa引脚上，所述微型变压器mt3的次级线圈的一端接地，所述微型变压器mt3的次级线圈的另一端分别通过泵给电容cp5和泵给电容cp6对应连接在所述第二芯片u2的c1a引脚和c2a引脚上；所述第二芯片u2的vinb引脚连接在所述低电平交流源的正极上；所述微型变压器mt4的初级线圈的一端连接在所述低电平交流源的负极上，所述微型变压器mt4的初级线圈的另一端连接在所述第二芯片u2的swb引脚上，所述微型变压器mt4的次级线圈的一端接地，所述微型变压器mt4的次级线圈的另一端分别通过泵给电容cp7和泵给电容cp8对应连接在所述第二芯片u2的c1b引脚和c2b引脚上；所述输出电平切换开关sw3的动端接地，所述输出电平切换开关sw3的一静端连接在所述第二芯片u2的vs1引脚上，所述输出电平切换开关sw3的另一静端分别连接在所述第二芯片u2的vs2引脚以及vaux引脚上，所述第二芯片u2的vs2引脚以及vaux引脚还均通过电容c24接地；所述第二芯片u2的vldo引脚通过电容c25接地，所述第二芯片u2的gnd引脚接地；所述第二芯片u2的vout引脚连接在电阻r7的一端，所述电阻r7的另一端为所述第四能量管理电路的输出端，所述电阻r7的另一端通过电阻r8连接在所述场效晶体管t1的漏极，所述场效晶体管t1的栅极连接在所述第四芯片u4的lbo引脚上，所述场效晶体管t1的源极分别连接在所述第四芯片u4的ntc引脚以及vcc引脚上，所述储能元件b2的负极接地，所述储能元件b2的正极通过电阻r9连接在所述第四芯片u4的vcc引脚上。
[0047]
本实施例中，微型变压器mt3和微型变压器mt4的型号可以为lpr6235，参数取值为12.5μh；泵给电容cp5、泵给电容cp6、泵给电容cp7和泵给电容cp8的型号均为0603贴片，泵
给电容cp5和泵给电容cp7的参数取值为1nf,泵给电容cp6和泵给电容cp8的参数取值为470pf；去耦电容(电容c25)和旁路电容(电容c24)的型号均为0603贴片，电容c25的参数取值为2.2μf，电容c24的参数取值为1μf；输出电平切换开关sw3的型号可以为ssaj120100；电流测定电阻(电阻r7和电阻r8)的型号为0603贴片，电阻r7和电阻r8的参数取值为0ω；2.5伏特p型金氧半场效晶体管(场效晶体管t1)的型号可以为fdg3289；储能元件b2的型号可以为lir2032。输出电平切换开关sw3位于左位时，系统的输出电压vdd((第四能量管理电路的输出端输出的电压))为4.1v；输出电平切换开关sw3位于右位时，系统输出电压vdd为5v。
[0048]
实施例二：
[0049]
在实施例一的基础上，如图6所示，本发明一种多模式能量管理系统还包括应变检测电路、加速度检测电路、第一控制电路、第二控制电路、第一可控开关、第二可控开关以及储能元件b2；所述应变检测电路以及所述加速度检测电路均连接在所述第一控制电路的输入端上，所述第一可控开关的受控端以及所述第二可控开关的受控端均连接在所述第一控制电路的输出端上，所述高电平交流源和所述第三能量管理电路分别连接在所述第一可控开关的两端，所述低电平交流源和所述第四能量管理电路分别连接在所述第二可控开关的两端；所述低电平直流源通过所述第二能量管理电路与所述储能元件b2连接，所述储能元件b2还分别与所述第三能量管理电路以及所述第四能量管理电路连接；所述储能元件b2以及所述高电平直流源连接在所述第二控制电路的输入端上，所述第二控制电路的输出端与所述第一能量管理电路连接，所述第一能量管理电路内设有储能元件c7。
[0050]
在本具体实施例中，第二能量管理电路分别与所述应变检测电路、加速度检测电路连接，用于给所述应变检测电路和所述加速度检测电路供电。
[0051]
如图7所示，所述第一控制电路包括型号为nrf51822的第五芯片u5，还包括第五芯片外围元件，第五芯片外围元件在此并没有陈列，具体参见图7(第五芯片外围元件包括电容c32
‑
c42、电阻r21、电感l2
‑
l4、晶振x1以及天线ant1)；所述应变检测电路包括应变传感器s1、三个电阻(参见图7中的电阻r17、电阻r18和电阻r19)以及一个运算放大器(参见图7中的运算放大器amp1，运算放大器ampi的两个输入端之间还连接有电阻r20)，所述应变传感器s1和三个电阻依次首尾连接构成桥式电路，所述桥式电路与所述运算放大器连接，所述运算放大器的输出端连接在所述第五芯片u5的p0.00引脚上；所述加速度检测电路包括型号为adxl335的加速度计s2(加速度计s2外围还设有电容c28
‑
c31),所述加速度计s2的xout引脚、yout引脚和zout引脚分别对应连接在所述第五芯片u5的p0.01引脚、p0.02引脚和p0.03引脚上；所述第一可控开关包括可控开关sw4和可控开关sw5，所述可控开关sw4的受控端(on/off引脚)以及所述可控开关sw5的受控端分别对应连接在所述第五芯片u5的p0.08引脚以及p0.09引脚上；所述高电平交流源的两端分别对应连接在所述可控开关sw4的输入端(in引脚)上和所述可控开关sw5的输入端(in引脚)上，所述可控开关sw4的输出端(out引脚)以及所述可控开关sw5的输出端(out引脚)均连接在所述第三能量管理电路上；所述第二可控开关包括可控开关sw6和可控开关sw7，所述可控开关sw6的受控端以及所述可控开关sw7的受控端分别对应连接在所述第五芯片u5的p0.10引脚以及p0.11引脚上；所述低电平交流源的两端分别对应连接在所述可控开关sw6的输入端上和所述可控开关sw7的输入端上，所述可控开关sw6的输出端以及所述可控开关sw7的输出端均连接在所述第四能量管理电路上。其中，应变传感器s1检测应变，加速度计s2检测振动加速度，若达到设定
的阈值，第五芯片u5使能超低损耗开关sw4/sw5或sw6/sw7,使得高电平交流源或低电平交流源分别接入第三能量管理电路或第四能量管理电路。
[0052]
所述第二控制电路包括型号为tps2120的第六芯片u6，还把包括第六芯片外围元件，第六芯片外围元件在此并没有陈列，具体参见图7(第六芯片外围元件包括电容c43和电阻r22
‑
r26)；所述储能元件b2的负极接地，所述储能元件b2的正极连接在所述第六芯片u6的in1引脚上，所述高电平直流源的负极接地，所述高电平直流源的正极连接在所述第六芯片u6的in2引脚上，所述第六芯片u6的out引脚连接在所述第一能量管理电路上。
[0053]
本实施例中，分压电阻(电阻r22、电阻r23、电阻r24和电阻r25)、限流电阻(电阻r26)的型号可以为0603贴片，参数取值r22和r24为23.7kω,r23和r25为5kω、r26为51kω，旁路电容(电容c43)的型号为0603贴片，参数取值c43为0.01μf；；超低损耗开关(可控开关sw4、可控开关sw5、可控开关sw6和可控开关sw7)的型号可以为sip32431；应变传感器(应变传感器s1)的型号可以为bf350
‑
3aa；电阻r17、电阻r18、电阻r19和电阻r20的型号可以为0603贴片，参数取值r17为270ω，r18和r19为100kω,r20为205ω；运算放大器amp1的型号可以为ad627r；加速度计s2的型号可以为adxl335；电容c28、电容c30、电容c31和电容c32的型号可以为0603贴片，参数取值为0.1μf；去耦电容(电容c32、电容c33、电容c34、电容c39和电容c42)的型号可以为0402贴片，参数取值c32、c33、c39和c42为100nf，c34为47nf；旁路电容(电容c35)的型号可以为0402贴片，参数取值为2.2nf；分压电容(电容c40和电容c41)的型号可以为0402贴片,参数取值为12pf；下拉电阻(电阻r21)的型号可以为0402贴片，参数取值为1kω；晶振x1的型号可以为cx2520db；高频隔离电感(电感l2和电感l3)的型号可以为0402贴片,参数取值l2为4.7nh,l3为10nh；天线ant的型号可以为17488910245；阻抗匹配网络电容和电感器件(电容c36、电容c37和电感l4)的型号可以为0402贴片，参数取值c36为2.2pf、c37为1pf、c38为1.5pf、电感l4为3.3nh。
[0054]
实施例三：
[0055]
在实施例二的基础上，本发明一种多模式能量管理系统还包括电源多路复用电路；所述低电平直流源通过所述第二能量管理电路与所述储能元件b2连接，所述储能元件b2以及所述高电平直流源连接在所述电源多路复用电路的输入端上，所述电源多路复用电路的输出端与所述第一能量管理电路连接。
[0056]
由于绿色能源的不稳定性，因此本发明提出了如图8所示的电源多路复用电路，用于选取最优的能量供应路径，实现稳定不间断的能量供给。
[0057]
如图8所示，所述电源多路复用电路包括运放比较器op amp1、p型金氧半场效晶体管p1、p型金氧半场效晶体管p2、p型金氧半场效晶体管p3、p型金氧半场效晶体管p4、n型金氧半场效晶体管n1、n型金氧半场效晶体管n2以及n型金氧半场效晶体管n3；所述储能元件b2的负极接地，所述储能元件b2的正极通过电阻r10连接在所述运放比较器op amp1的正向输入端上，所述运放比较器op amp1的正向输入端还通过电阻r11接地，所述运放比较器op amp1的输出端连接在所述n型金氧半场效晶体管n1的栅极上，所述n型金氧半场效晶体管n1的源极接地，所述n型金氧半场效晶体管n1的源极与漏极之间连接有二极管d6；所述储能元件b2的正极还连接在所述p型金氧半场效晶体管p1的漏极上，所述p型金氧半场效晶体管p1的栅极通过电阻r13连接在所述n型金氧半场效晶体管n1的漏极上，所述p型金氧半场效晶体管p1的栅极与源极之间连接有电阻r12，所述p型金氧半场效晶体管p1的漏极与源极之间
连接有二极管d4；所述p型金氧半场效晶体管p2的栅极通过电阻r13连接在所述n型金氧半场效晶体管n1的漏极上，所述p型金氧半场效晶体管p2的栅极与源极之间连接有电容c26，所述p型金氧半场效晶体管p2的漏极与源极之间连接有二极管d5，所述p型金氧半场效晶体管p2的漏极与所述第一能量管理电路连接；所述高电平直流源的负极接地，所述高电平直流的正极连接在所述p型金氧半场效晶体管p3的漏极上，所述p型金氧半场效晶体管p3的漏极与源极之间连接有二极管d7，所述p型金氧半场效晶体管p3的栅极与源极之间连接有电阻r14，所述p型金氧半场效晶体管p3的栅极通过电阻r15连接在所述n型金氧半场效晶体管n2的漏极上；所述p型金氧半场效晶体管p4的漏极与源极之间连接有二极管d8，所述p型金氧半场效晶体管p4的栅极与源极之间连接有电容c27，所述p型金氧半场效晶体管p4的栅极通过电阻r15连接在所述n型金氧半场效晶体管n2的漏极上，所述p型金氧半场效晶体管p4的漏极与所述第一能量管理电路连接；所述n型金氧半场效晶体管n2的源极接地，所述所述n型金氧半场效晶体管n2的源极和漏极之间连接有二极管d9，所述所述n型金氧半场效晶体管n2的栅极通过电阻r16连接在所述高电平直流的正极上，所述所述n型金氧半场效晶体管n2的栅极还连接在所述n型金氧半场效晶体管n3的漏极上，所述n型金氧半场效晶体管n3的源极接地，所述所述n型金氧半场效晶体管n3的源极和漏极之间连接有二极管d10，所述n型金氧半场效晶体管n3的栅极连接在所述运放比较器op amp1的输出端上。
[0058]
在图8中，低电平直流源处于持续使能的状态，低电平直流源的正极和负极连接入第二能量管理电路，给储能元件b2充电。高电平直流源和储能元件b2接入电源多路复用电路。电源多路复用电路可以根据储能元件b2和高电平直流源的输出电压大小选取能量较为充沛的电源，进而接入第一能量管理电路。电源多路复用电路有一个比较器，后跟逆变器逻辑，以确保只有一组电源(即储能元件b2或高电平直流源)接入第一能量管理电路。
[0059]
实施例四：
[0060]
一种多模式能量管理方法，用于对实施例二中所述的多模式能量管理系统向负载供电的工作状态进行控制，使所述的多模式能量管理系统工作于多模式复合工作状态或多模式功率流优化工作状态；
[0061]
所述多模式复合工作状态的控制过程包括如下步骤，控制高电平直流源、低电平直流源、高电平交流源以及低电平交流源中的任一种电源或多种电源向负载供电；其中，高电平直流源通过第一能量管理电路向负载供电，低电平直流源通过第二能量管理电路向负载供电，高电平交流源通过第三能量管理电路向负载供电，低电平交流源通过第四能量管理电路向负载供电；多模式能量管理系统可工作于任一种单一的电源模式下，也可以工作于任意两种及以上电源模式的组合工况。
[0062]
如图9所示，多模式功率流优化工作状态的控制过程包括如下步骤，
[0063]
s1，持续使能低电平直流源，使所述低电平直流源通过第二能量管理电路向储能元件b2充电；
[0064]
s2，判断第二控制电路中是否有电源信号输入；若是，则依次执行s3
‑
s5；若否，则依次执行s6
‑
s10；
[0065]
s3，判断高电平直流源输出的电压是否大于储能元件b2输出的电压；若是，则执行s4；若否，则执行s5；
[0066]
s4，利用所述第二控制电路导通高电平直流源，使高电平直流源向第一能量管理
电路中的储能元件c7充电，并由储能元件c7向负载供电；
[0067]
s5，利用所述第二控制电路导通储能元件b2，并由所述储能元件b2向负载供电；
[0068]
s6，判断应变检测电路输出的应变值是否大于预先设定的应变阈值；若是，则执行s7；若否，则执行s8；
[0069]
s7，利用第一控制电路导通第一可控开关，使能高电平交流源，且由高电平交流源通过第三能量管理电路向负载供电；
[0070]
s8；判断加速度检测电路检测到的加速度值是否大于预先设定的加速度阈值；若是，则执行s9；若否，则执行s10；
[0071]
s9，利用第一控制电路导通第二可控开关，使能低电平交流源，并使所述低电平交流源通过第四能量管理电路向所述储能元件b2充电，且由所述储能元件b2向负载供电；
[0072]
s10，利用第一控制电路关断第一可控开关和第二可控开关，利用所述储能元件b2向负载供电。
[0073]
结合实施例二中公开的各电路的具体结构，多模式功率流优化工作状态的控制过程具体为：如图10所示，本发明的系统持续使能低电平直流源，低电平直流源通过第二能量管理电路向储能元件b2充电；当第六芯片u6的输入端(引脚in1或引脚in2)有信号时，进行判定，若高电平直流源的输出电压v1大于等于储能元件b2的输出电压v2时，第六芯片u6选择导通高电平直流源，高电平直流源通过第一能量管理电路向储能元件c7充电，储能元件c7进而向负载供电；若高电平直流源的输出电压v1小于储能元件b2的输出电压v2时，第六芯片u6选择导通储能元件b2，储能元件b2进而向负载供电；若第六芯片u6的输入端(引脚in1和引脚in2)无输入信号，则对应变传感器s1检测到的应变值进行判断，若应变传感器s1检测到的应变值大于或等于预设定的应变阈值，即|ε|≥ε_t，则第五芯片u5选择导通可控开关sw4和可控开关sw5，系统使能高电平交流源，高电平交流源通过第三能量管理电路向负载供电；若应变传感器s1检测到的应变值小于预设定的应变阈值，则进行进一步判定，若加速度计s2检测到的加速度幅值大于或等于预设定的加速度幅值阈值，即|a_i|≥a_t(i＝x,y,z),则第五芯片u5选择导通可控开关sw6和可控开关sw7，系统使能低电平交流源，低电平交流源通过第四能量管理电路向储能元件b2充电，储能元件b2进而向负载供电；若加速度计s2检测到的加速度幅值小于预设定的加速度幅值阈值，第五芯片u5选择关断可控开关sw5、可控sw6、可控sw7和可控sw8，由储能元件b2向负载供电。
[0074]
下面，结合上述实施例对本发明进行具体的测试：
[0075]
(1)能耗测试：
[0076]
本发明一种多模式能量管理系统的低损耗主要通过电荷转移电路完成。如图2所示，电荷转移电路包括二极管d2、储能元件c7、储能电容(电容c3、电容c4、电容c5和电容c6)。储能元件c7为超级电容器，其等效串行电阻一般较大(约为200ω)，而储能电容(电容c3、电容c4、电容c5和电容c6)为普通储能电容，其等效串行电阻很小(约为1mω),单向导通二极管d2确保电荷只能由储能元件c7向普通储能电容(电容c3、电容c4、电容c5和电容c6)流通，而向负载供电时的损耗却由普通储能电容(电容c3、电容c4、电容c5和电容c6)承担，因而可以极大程度减低由于超级电容器(储能元件c7)等效串行电阻大而导致的内部高损耗问题。图11为含电荷转移电路和不含电荷转移电路的测试对比结果，含电荷转移电路的多模式能量管理系统相较于不含电荷转移电路的多模式能量管理系统，在负载进行无线数
据通讯时，多模式能量管理系统输出端电压的压降只有0.15v，而不含电荷转移电路的多模式能量管理系统的压降大于2v,可见本发明技术的多模式能量管理系统可以在低损耗的情况下稳定工作。本实施例中，二极管d2的型号可以为pmeg3010ej；储能元件c7的型号可以为dms3r3224，参数取值220mf；电容c3、电容c4、电容c5和电容c6的型号可以为1206贴片，参数取值为100μf。
[0077]
(2)高电平电源模式下的能量收集测试：
[0078]
图12为多模式能量管理系统工作在高电平电源模式下的能量收集测试结果。图12(a)示出了绿色能量源为高电平直流源(供应给多模式能量管理系统的输入电压为3v)时的能量管理系统的有效收集电流，即绿色能量源供应给多模式能量管理系统的输入电流。此处以光伏薄膜电池为例，其输入多模式能量管理系统的电流值随光照度变化，在光照度70lx条件下，其电流值约为40μa。图12(b)示出来绿色能量源为高电平直流源(供应给多模式能量管理系统的输入电压为3v)，经过多模式能量管理系统后，供给储能元件c7的充电电流(展示600ms的测试结果)。图12(c)显示了绿色能量源为高电平直流源(供应给多模式能量管理系统的输入电压为3v)，经过多模式能量管理系统后，供给储能元件c7的充电电流，此处以光伏薄膜电池为例，可见在6ms时间内的充电周期随光照强度变化，但是无论光照强度如何变化，其充电电流幅值均可大于1.0ma，可以确保储能元件c7的稳定工作。测试结果表明，本发明的多模式能量管理系统可以有效收集极微弱的电流(量级为μa)，经过能量管理可稳定且有效地向储能元件充电，进而驱动负载稳定工作。
[0079]
(3)低电平电源模式下的能量收集测试
[0080]
图13为多模式能量管理系统工作在低电平电源模式下的能量收集测试结果。图13(a)示出了绿色能量源为低电平直流源(供应给多模式能量管理系统的输入电压为0.06v，如实线所示)时的多模式能量管理系统的输入电流，即绿色能量源供应给多模式能量管理系统的输入电流。图13(b)示出了绿色能量源为低电平直流源(供应给多模式能量管理系统的输入电压为0.06v)时，经过多模式能量管理系统后供给负载的输出电压和输出电流。结果表明：本发明多模式能量管理系统可以有效收集极微弱的电压(量级为mv)，经过多模式能量管理系统的拾取、转化、存储与分配，可以输出高电平直流电压，并满足负载所需的瞬时大电流(如图13(b)测试结果所示，瞬时负载电流可达13.5ma)。在本测试实施例中，负载为瞬时功耗高达50mw的蓝牙无线数据通讯模块。
[0081]
综上所述，本发明的多模式能量管理系统可以对高电平直流源、低电平直流源、高电平交流源和低电平交流源四种绿色能源的有效管理，使其工作于多模式复合工作状态或多模式功率流优化工作状态，在具有较低损耗的同时可以有效收集极微弱的电流、电压，进而输出持续、稳定的电源供负载工作。
[0082]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。