一種超級電容作為儲能介質的物機制造技術

一種超級電容作為儲能介質的物機，其電源系統為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源，GSM模塊的UART、控制信號和狀態信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另一邊與微處理器UART、控制信號和狀態信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監測GSM模塊的狀態信號掌握GSM模塊運行情況，發現GSM模塊通信異常及時通過控制信號進行處理，包括對GSM模塊實施冷啟動，微處理器與485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊之間采用的UART和控制信號連接。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及物聯網中的智能器件，具體涉及ー種采用超級電容替代鋰電池作為儲能介質的物機。
技術介紹
“物聯網概念”是在“互聯網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念，實現人與物、物與物之間信息互通。把傳感器裝備到各種真實物體上使其具有智慧，智慧物體通過嵌入式系統運行特定程序感知自身和外部信息，感知過程是人與物、物與物進行信息互通的過程。智慧物體使用RS422 / 485總線、現場總線、CAN總線、ZigBee技術等連接智能化終端構建成ー個智能化的局域物聯系統，給局域物聯系統配置相應的互聯網接ロ，連接到 互聯網上，便實現互聯網向物聯網的拓展。移動網絡的快速發展，適用于人的移動終端一手機用戶發展迅猛，手機的功能在不斷增強，移動互聯已得到普及，當今的人們已經離不開手機。智慧物體的出現，必然需要使用ー種合適于智慧物體使用的移動終端設備一物機，物機與手機最大的差別是使用的對象，造成物機不能像手機一祥快速發展的瓶頸之ー是物機使用的電池。物機是利用GSM網絡，以GSM模塊為核心，配置MCU、通信接口和電源等應用于真實物體的移動通信終端設備，物機雖然是移動通信終端設備，但其安裝后是相對固定的。物機對于人來說是遠程受控終端，反映遠程監視真實物體的狀況。電源是真實物體所有監視設備或系統的動力，因此，電源故障(停電)的監測及報警是物機必備的功能。物機最初沿用手機采用鋰電池作為儲能介質，通過實際應用的驗證，發現物機使用鋰電池作為儲能介質是不可取的。如在城市路燈電纜防盜報警中使用物機報警，最終由于鋰電池低溫不夠、完全充放電次數少等，使得物機在實際應用過程中故障太多，維修量巨大；在家居安防報警系統中也由于鋰電池問題降低了設備的可靠性，鋰電池成為物機推廣應用的主要瓶頸之一，主要原因是 (1)鋰電池完全沖放電次數只能在300次左右，制約了設備的壽命，造成后期設備的維護量巨大，以至于阻礙了設備進行大面積推廣應用； (2)鋰電池的放電效率與環境溫度有很大關系，對于室外全天候應用的設備無法解決低溫環境的應用。超級電容是近年發展快速的種大容量儲能元件，和普通電池相比，具有功率密度高、充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環保等特點，在電動汽車、新能源等領域的應用日益廣泛。針對物機這種真實物體使用的移動終端設備，超級電容完全可以取代鋰電池作為物機的儲能介質，二者的比較如下 ①⑤超級電容具有超寬的溫度適用范圍，通常可以達到一 40°C 85°C ;而一般電池是 -20°C 60°C。；②超級電容大電流充放電性能優越，功率密度(PowerDensity)是鋰離子電池的數十倍以 上； ③超級電容充放電時間短，充電電路簡單，無需限流和充放電控制回路，無記憶效應。二次電池受充放電電流限制，充電時間長，一般需幾小時到十幾小時，而雙電層電容器不受充電電流限制，可快速充電，幾秒到幾十秒即可充滿； ④超級電容具有超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和 Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續使用可達68年。雖然超級電容有許多優點，但是超級電容在物機中的應用，還存在著如下問題 如何采用超級電容取代鋰電池應用到物機，突破因鋰電池局限導致物機在實際應用中 可靠性低的瓶頸，這是本領域技術研究的方向。物機是手機拓展應用到智慧物體的產物，其固定安裝于智慧物體之上，隨智慧物體的移動而移動，具有相對固定的特點；智慧物體與物機之間以數據通信為主，兼顧語音和視頻；由于智慧物體的智慧不夠，物機需要具備自檢測GSM網絡、電源的能力，對故障能實現自修復或報警，實現這些功能，儲能介質是物機必備的。已知物機的儲能介質是電池，手機使用的儲能介質ー鋰電池是物機設計者沿用的依據。雖然有關手機上使用鋰電池的配套充放電器件都非常成熟，但由于物機與手機的使用對象不同，也就是說物機的使用對象是智慧物體，手機的使用對象是人，智慧物體的智慧目前還無法與人相比，導致手機上普遍使用的鋰電池在物機上應用存在嚴重的缺陷，成為提升物機可靠性指標的瓶頸。超級電容一直用于常規電容和電池之間的專門市場，隨著更多新應用的發現，這一專門市場也在不斷增長。在數據存儲應用中，超級電容正在取代電池，包括3. 3V內存備份固態硬盤(SSD)、電池供電的便攜式エ業和醫療設備、エ業警報器以及智能功率計。物機中GSM模塊的VBAT采用3. 4V到4. 5V的單電源供電。在一些情況下，信號傳輸的猝發會導致電壓跌落，這時電流損耗的峰值會達到2k,因此，電源必須能提供足夠到2A的電流。由于超級電容的電壓值很低(3V以下)，單個超級電容不能滿足物機中GSM模塊所需電壓要求(3. 4V到4. 5V)，因此，需要兩個超級電容進行串聯才能滿足。由于生產エ藝的限制，超級電容在制造過程中無法做到材質的絕對均勻，導致各個超級電容單體參數的分散性。兩個串聯工作的超級電容，不同超級電容單體上電壓存在差別，即過電壓和欠電壓兩種不健康狀態。過電壓狀態將縮短超級電容的壽命，嚴重時會發生爆炸，而處于欠電壓狀態的超級電容器，其容量不能充分利用，存在浪費。所以對物機使用的2個串聯超能電容組必須引入均壓技術，以提高超級電容組的可靠性和利用率，并延長超級電容的使用壽命。一種簡單的解決方案是使用凌力爾特超級電容充電器方案，LTC3226是ー款無電感的超級電容充電器，具有備份的電源通路控制器，使用2. 5-5. 5V的輸入電源給兩節串聯的超級電容充電，并充電至2. 5-5. 3V的可編程超級電容充電電壓。該器件的自動容量平衡和電壓鉗位功能可保持兩節超級電容上的電壓相等。但仔細分析LTC3226的電壓鉗位電路，發現它不適合在物機中應用，主要是 ① LTC3226充電泵配備用于將任意超級電容兩端的電壓限制為ー個2. 65V的最大可容許 預設電壓的電路。利用它來解決物機使用超級電容作為存儲介質的充電是可行的，但如果從物機電源系統總體考慮，由于LTC3226是通用器件，對于物機參數確定的應用，不僅需要通過阻容計算、調試后，才能確定LTC3226的外圍電路配置，而且使用LTC3226的LDO穩壓器的功率小等原因無法滿足物機的供電需求，不使用LTC3226的LDO穩壓器造成浪費。②LTC3226的價格偏高。
技術實現思路
針對以上問題本專利技術提供了一種充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環保的 超級電容作為儲能介質的物機。物機采用超級電容而不是鋰電池作為儲能介質，提出解決兩節超級電容串聯在物機中應用的低成本方法。為了解決以上問題本專利技術提供了一種超級電容作為儲能介質的物機，其特征在于包括電源系統、微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊、三極管隔離電路； 電源系統為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源，GSM模塊的UART、控制信號和狀態信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另一邊與微處理器UART、控制信號和狀態信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監測GSM模塊的狀態信號掌握GSM模塊運行情況，發現GSM模塊通信異常及時通本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超級電容作為儲能介質的物機，其特征在于：包括電源系統、微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊、三極管隔離電路；電源系統為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源，GSM模塊的UART、控制信號和狀態信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另一邊與微處理器UART、控制信號和狀態信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監測GSM模塊的狀態信號掌握GSM模塊運行情況，發現GSM模塊通信異常及時通過控制信號進行處理，包括對GSM模塊實施冷啟動，微處理器與485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊之間采用的UART和控制信號連接。

【技術特征摘要】
1.一種超級電容作為儲能介質的物機，其特征在于包括電源系統、微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊、三極管隔離電路； 電源系統為微處理器、GSM模塊、485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊和三極管隔離模塊提供所需電源，GSM模塊的UART、控制信號和狀態信號與三極管隔離電路的一邊相連，三極管隔離電路的另一邊與微處理器UART、控制信號和狀態信號相連，由三極管隔離電路解決GSM模塊和微處理器之間信號電平匹配，微處理器通過監測GSM模塊的狀態信號掌握GSM模塊運行情況，發現GSM模塊通信異常及時通過控制信號進行處理，包括對GSM模塊實施冷啟動，微處理器與485模塊、Zigbee模塊、WIFI模塊之間采用的UART和控制信號連接。2.根據權利要求I所述的一種超級電容作為儲能介質的物機，其特征在于所述的電源系統包括電源端子、電源適配模塊、超級電容管理模塊、電壓監測電路、復位電路、降壓電路、選擇電路； 外接電源通過電源端子輸入到電源適配模塊，電源適配模塊輸出穩定的5V到超級電容管理模塊、電壓監測電路、復位電路和降壓電路；超級電容管理模塊向微處理器、三極管隔離電路和選擇電路提供不間斷的恒壓電源3. 3V，通過微處理器控制輸出滿足GSM模塊和三極管隔離電路所需的VBAT3. 6-4. 2V ；電壓監測電路輸出電源適配模塊的輸出狀態到微處理器；復位電路根據電源適配模塊的輸出產生微處理器的復位信號；降壓電路在電源適配模塊輸出時提供恒壓電源3. 3V給選擇電路；選擇電路通過微處理器控制選擇不間斷的恒壓電源3. 3V或恒壓電源3. 3V作為485模塊、Zugbee模塊和WIFI模塊的電源。3.根據權利要求2所述的一種超級電容作為儲能介質的物機，其特征在于所述的485模塊由光電隔離電路、DC/DC隔離電路、485芯片、接口、485端子組成，選擇電路輸出的電源與DC/DC隔離電路的輸入和光電隔離電路相連；DC/DC隔離電路的輸出與光電隔離電路、485芯片和接口相連；光電隔離電路的信號輸入與微處理器相連，光電隔離電路的信號輸出與485芯片的信號輸入相連；485芯片的輸出與接口的輸入相連；接口的輸出與485端子相連，485端子與地相連。4.根據權利要求2所述的一種超級電容作為儲能介質的物機，其特征在于所述的超級電容管理模塊，包括充電電路、平衡電路、超級電容、穩壓電路、自動切換模塊、控制開關、恒壓電路； 5V與充電電路、穩壓電路和自動切換模塊相連，充電電路的輸出與平衡電路相連，平衡電路的輸出與超級電容和自動切換模塊相連；穩壓電路的輸出與控制開關、恒壓電路和自動切換模塊相連；控制開關的輸出VBAT是受控制的；恒壓電路輸出恒定的3. 3V。5.根據權利要求4所述的一種超級電容作為儲能介質的物機，其特征在于所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉鎮陽，李文鋒，許建華，陸敬筠，王養森，孫偉，王偉，劉辰成，劉德田，
申請(專利權)人：南京覓丹電子信息有限公司，
類型：發明
國別省市：