專利名稱：一種超級電容作為儲能介質的物機的制作方法
技術領域：
一種超級電容作為儲能介質的物機技術領域[0001]本實用新型涉及物聯網中的智能器件，具體涉及一種采用超級電容替代鋰電池作 為儲能介質的物機。
背景技術：
[0002]“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(tǒng)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。[0003]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 終端構建成一個智能化的局域物聯系統(tǒng)，給局域物聯系統(tǒng)配置相應的互聯網接口，連接到 互聯網上，便實現互聯網向物聯網的拓展。[0004]移動網絡的快速發(fā)展，適用于人的移動終端一手機用戶發(fā)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 使用一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樣快速發(fā)展的瓶頸之一是物機使用的電池。[0005]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(jiān)視真實物體的狀況。電源是真實物體所有監(jiān)視設 備或系統(tǒng)的動力，因此，電源故障(停電)的監(jiān)測及報警是物機必備的功能。[0006]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(fā)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(tǒng)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[0007](I)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；[0008](2)鋰電池的放電效率與環(huán)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(huán)境的應用。[0009]超級電容是近年發(fā)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(huán)保等特點，在電動汽車、新能源等領域的應 用日益廣泛。[0010]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[0011]①⑤超級電容具有超寬的溫度適用范圍，通?？梢赃_到一40°C 85°C ;而一般電 池是[0012]-20°C 60°C。；②超級電容大電流充放電性能優(yōu)越，功率密度(Power Density)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L1-1on電池的500倍，是N1-MH和N1-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。雖然超級電容有許多優(yōu)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一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(guī)電容和電池之間的專門市場，隨著更多新應用的發(fā)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?zhèn)浞莨虘B(tài)硬盤(SSD)、電池供電的便攜式工業(yè)和醫(yī)療設備、工業(yè)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(fā)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。由于生產工藝的限制，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(tài)。過電壓狀態(tài)將縮短超級電容的壽命，嚴重時會發(fā)生爆炸，而處于欠電壓狀態(tài)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是一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(jié)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(jié)超級電容上的電壓相等。但仔細分析LTC3226的電壓鉗位電路，發(fā)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一個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(tǒng)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(wěn)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(wěn)壓器造成浪費。②LTC3226的價格偏高。

實用新型內容針對以上問題本實用新型提供了一種充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環(huán)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(jié)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實用新型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(tǒng)、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(tǒng)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(tài)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(tài)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(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)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。所述的電源系統(tǒng)包括電源端子、電源適配模塊、超級電容管理模塊、電壓監(jiān)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(wěn)定的5V到超級電容管理模塊、電壓監(jiān)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(jiān)測電路輸出電源適配模塊的輸出狀態(tài)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、Zigbee模塊和WIFI模塊的電源。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。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(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關、恒壓電路；[0037]5V與充電電路、穩(wěn)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(wěn)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。[0038]所述的充電電路由E4、P3、E5和R6組成，E4的正端與P3的VCC相連并接到+5V， E4的負端與地連接；P3的FB和BAT與E5正端相連輸出4. 2V，P3的TEMP、GND、E5的負端、 R6的一端相連并接到地，P3的IR與R6的另一端相連。[0039]所述的平衡電路由P6、P7、P8、P9、R13、R14、R15、R16組成，BAT+連接到P7的 S、R13的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端連到P6的VIN,P6的OUT連到P7的G、 R14的另一端，P6的VSS與CA的負端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相連，R15的 另一端與P8的VIN相連，P8的OUT連到P9的G、R16的另一端，P8的VSS與CB的負端、P9 的D相連并連接到地；超級電容由CA和CB組成；[0040]所述的穩(wěn)壓電路由El、P1、Rl、R2、E2、Cl、R3組成，El的正端與Pl的IN和EN相 連并接到+5V，Pl的ADJ與Rl的一端、R2的一端相連；P1的OUT與R2的另一端、E2的正 端、Cl的一端、R3的一端相連輸出4. 2V穩(wěn)壓電源，Pl的GND與El的負端、Rl的另一端、E2 的負端、Cl的另一端、R3的另一端相連并接到地；[0041]所述的自動切換模塊由P4和R7組成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G與R7 的一端相連并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4. 2V，P4的D接到BAT+ ；[0042]所述的控制開關由P2、R4、R5、E3組成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G與R5 的一端相，連，P2的S與R4的一端相連并接到4. 2V，P4的D與E3的正端相連輸出BATT， E3的負端接地，R4的另一端與R5另一端相連接到PCCTL ；[0043]所述的恒壓電路由R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7 組成，P5 采用 SIPEX 的SP6650配置外圍器件提供恒定3. 3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相連與E6的正端、R9的一 端、R8的一端相連接到4. 2V, R9的另一端與C2的一端相連，C2的另一端接地，P5的LX與L 的一端、RlO的一端相連，L的另一端與C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相連并輸出3. 3V, RlO的另一端與C3的另一端、RlI的一端相連，Rll的另一端與P5的FB、R12的一端、E7的 負端、P5的PGND、P5的GND相連并接到地。[0044]有益效果本實用新型的電源系統(tǒng)是物機的動力之源，超級電容管理模塊是電源 系統(tǒng)的儲能介質，當電源系統(tǒng)的輸入失電后，物機依靠超級電容管理模塊的儲能完成短信 報警。采用超級電容管理模塊而不是鋰電池進行儲能，使物機不僅適用惡劣環(huán)境，而且克服 了鋰電池充電壽命的限制。[0045]本實用新型的超級電容管理模塊將5V輸入電壓通過變換和儲能輸出具有后備的3.3V和可控制輸出的VBAT (3. 6-4. 2V)。儲能介質使用兩節(jié)2. 7V的超級電容替代單節(jié)鋰電 池，克服鋰電池作為物機儲能介質在壽命和低溫方面的缺陷。


[0046]圖1為本實用新型物機的組成框圖；[0047]圖2為本實用新型的超級電容管理模塊的組成框圖；[0048]圖3為本實用新型具體實施案例圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的描述。如圖1所示，一種超級電容作為儲能介質的物機，包括電源系統(tǒng)、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(tǒng)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(tài)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(tài)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(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)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。所述的電源系統(tǒng)，包括電源端子、電源適配模塊、超級電容管理模塊、電壓監(jiān)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(wěn)定的5V到超級電容管理模塊、電壓監(jiān)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VBAT (3. 6-4. 2V);電壓監(jiān)測電路輸出電源適配模塊的輸出狀態(tài)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。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。微處理器微處理器由SIPEX的SP6650提供穩(wěn)定3. 3V，SP6650的電壓輸入范圍為2. 7V到6. 5V。微處理器選用STC12LE32S2，其省電模式所需電流在2mA。當超級電容供電，發(fā)送報警短信后超級電容的電壓為3. 6V，可用于微處理器待機的超級電容容量為15Fx(3. 6V-2. 7V)=13. 5As ;因此，微處理器的待機時間為13. 5As/2mA=13. 5*1000/2=6750s=l. 87H。如圖1、2所示，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(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關、恒壓電路；5V與充電電路、穩(wěn)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(wěn)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。超級電容兩節(jié)2. 7V的超級電容串聯的容量計算，為了縮小物機的總體體積，選擇合適的超級電容容量是關鍵。為了保證物機在外部失電后依靠超級電容儲能發(fā)送短信 報警信號，最多發(fā)送16條報警短信。經測試發(fā)送I條報警短信的平均時間為1. 5s，連續(xù) 發(fā)送的平均時間為2. 2s，因此，發(fā)送16條報警短信的時間為35. 2s，物機在發(fā)送短信時 所需平均電流為250mA。35. 2sX250mA=8800mAs=8. 8As。物機發(fā)送短信的電壓范圍為4.2V-3. 6V=0. 6V ;兩節(jié)串聯超級電容的容量為8. 8As/0. 6V=14. 67F，取整為15F。因此，單 節(jié)超級電容選擇為30F。[0061]如圖3所示，各部分的主要IC型號是充電電路(CN3068)、穩(wěn)壓電路 (MIC29302BU)、自動切換模塊和控制開關(IRF7416)、恒壓電路(SP6650)、平衡電路 (XC61CN2202MR 和 XP161A1355PR)。[0062]充電電路(CN3068):從成本控制設計，根據VBAT(3. 6-4. 2V)的要求，選擇使用成 熟的單節(jié)鋰電池充電集成電路。實驗驗證國產500毫安USB接口兼容的鋰電池充電集成 電路CN3068完全滿足設計需要。[0063]CN3068是可以對單節(jié)可充電鋰電池進行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內 部包括功率晶體管，應用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。CN3068只需要極少 的外圍元器件，并且符合USB總線技術規(guī)范，非常適合于便攜式應用的領域。熱調制電路可 以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時候將芯片溫度控制在安全范圍內。充電電 流通過一個外部電阻設置。當輸入電壓掉電時，CN3068自動進入低功耗的睡眠模式，此時 電池的電流消耗小于3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監(jiān)控 以及充電狀態(tài)/充電結束狀態(tài)指示等功能。CN3068采用8管腳小外形封裝(S0P8)。[0064]雖然CN3068有內部固定4. 2V的恒壓充電電壓和可以通過一個外部的電阻調節(jié)恒 壓充電電壓兩種模式，但在實際使用中當使用外部電阻調整恒壓充電電壓時，由于芯片內 部和外部的溫度不一致及芯片生產時的工藝偏差等原因，可能導致輸出電壓的精度變差和 溫度系數變大。同時，因需外接電阻不僅增加材料、裝配成本，更重要的是增加了調試的難 度。因此，在本實用新型中采用CN3068內部固定4. 2V的恒壓充電電壓模式。[0065]平衡電路(XC61CN2202MR和 XP161A1355PR):[0066]選擇采用兩節(jié)2. 7V的超級電容串聯，現有兩節(jié)2. 7V超級電容串聯模組采用電壓 比較器、NM0SFET和電阻來實現平衡電路，但在電壓比較器的選擇上選用2. 6V的比較器，因 此，兩節(jié)2. 7V超級電容串聯模組的電壓為2. 6x2=5. 2V，不符合物機4. 2V。TOREX的XC61C 系列高精度、低功耗電壓比較器的精度為±2%，電壓檢測范圍從1.6V到6V，步進O.1V，工 作電壓范圍O. 7V到10. 0V。XC61C型號的選擇的指標計算[0067](I) 電壓檢測值[0068]根據XC61C的精度為±2%，CN3068的充電電壓為4. 2V，即[0069]兩節(jié)串聯超級電容的最高電壓4. 2Vx (1+2%) =4. 284V ；[0070]兩節(jié)串聯超級電容的最低電壓4. 2Vx (1-2%) =4. 116V ；[0071]為了保證兩節(jié)串聯超級電容的最高電壓達到4. 2V，因此，單節(jié)的電壓檢測值應該 為4. 284V/2=2. 142V。[0072](2) XC61C 型號確定[0073]XC61C的型號根據電壓檢測范圍從1. 6V到6V，步進O.1V來確定的，因此我們選擇 2. 2V最為合適。具體型號為XC61CN2202MR。[0074]XP161A1355PR 是 N MOS 功率開關，與 XC61CN2202MR 配合使用，由 XC61CN2202MR 的輸出控制XP161A1355PR導通，實現兩節(jié)級電容串聯模組的平衡充電。如圖2、3所示，本實用新型具體實施案例包括充電電路、平衡電路、超級電容、穩(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關、恒壓電路；充電電路由E4、P3、E5和R6組成，E4的正端與、P3的VCC相連并接到+5V，E4的負端與地連接；P3的FB和BAT與E5正端相連輸出4. 2V，P3的TEMP、GND、E5的負端、R6的一端相連并接到地，P3的IR與R6的另一端相連；平衡電路由P6、P7、P8、P9、R13、R14、R15、R16 組成，BAT+ 連接到 P7 的 S、R13的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端連到P6的VIN，P6的OUT連到P7的G、R14的另一端，P6的VSS與CA的負端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相連，R15的另一端與P8的VIN相連，P8的OUT連到P9的G、R16的另一端，P8的VSS與CB的負端、P9的D相連并連接到地；超級電容由CA和CB組成；穩(wěn)壓電路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3組成，El的正端與Pl的IN和EN相連并接到+5V，P1的ADJ與Rl的一端、R2的一端相連；P1的OUT與R2的另一端、E2的正端、Cl的一端、R3的一端相連輸出4. 2V穩(wěn)壓電源，Pl的GND與El的負端、Rl的另一端、E2的負端、Cl的另一端、R3的另一端相連并接到地；自動切換模塊由P4和R7組成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G與R7的一端相連并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4. 2V，P4的D接到BAT+ ；控制開關由P2、R4、R5、E3組成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G與R5的一端相，連，P2的S與R4的一端相連并接到4. 2V，P4的D與E3的正端相連輸出BATT，E3的負端接地，R4的另一端與R5另一端相連接到PCCTL ；恒壓電路由R8、R9、C2、E6、P5、L、RIO、C3、Rll、R12、E7 組成，P5 采用 SIPEX 的SP6650配置外圍器件提供恒定3. 3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相連與E6的正端、R9的一端、R8的一端相連接到4. 2V, R9的另一端與C2的一端相連，C2的另一端接地，P5的LX與L的一端、RlO的一端相連，L的另一端與C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相連并輸出3. 3V,RlO的另一端與C3的另一端、RlI的一端相連，Rll的另一端與P5的FB、R12的一端、E7的負端、P5的PGND、P5的GND相連并接到地。本實用新型具備以下優(yōu)點① 本實用新型采用手機鋰電池充電管理芯片實現對兩節(jié)超級電容串聯兩端電壓的限制，根據GSM模塊VBAT輸入電壓范圍要求，控制其充電電壓在4. 2V。而這種充電管理芯片不僅出貨量大，而且售價低。② 本實用新型采用電壓比較器和MOSFET來實現兩節(jié)超級電容串聯時的平衡充電電路，根據物機對兩節(jié)超級電容串聯兩端充電電壓限制在4. 2V，我們可以選擇定電壓的比較器，不僅精度高，而且價格也好。③本實用新型采用MOSFET實現物機在選擇電源或超級電容供電的自動切換，為微處理器提供3. 3V不間斷電源，通過微處理器控制給GSM模塊VBAT提供3. 6-4. 2V的電源，電源供電時為4. 2V，超級電容供電時為3. 6-4. 2V。[0089]④本實用新型采用微處理器控制GSM模塊VBAT的目的是當微處理器檢測到GSM 模塊異常，[0090]熱啟動不能成功時，可以通過控制GSM模塊VBAT的下電和上電，實現GSM模塊的 冷啟動，確保物機工作正常。[0091]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不限制于本實用新型，對于本領 域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之 內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的權利要求范圍之內。
權利要求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(tǒng)、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(tǒng)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(tài)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(tài)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(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)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1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(tǒng)包括電源端子、電源適配模塊、超級電容管理模塊、電壓監(jiān)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(wěn)定的5V到超級電容管理模塊、電壓監(jiān)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(jiān)測電路輸出電源適配模塊的輸出狀態(tài)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、Zigbee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(wěn)壓電路、自動切換模塊、控制開關、恒壓電路； 5V與充電電路、穩(wěn)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(wěn)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，其特征在于所述的充電電路由E4、P3、E5和R6組成，E4的正端與P3的VCC相連并接到+5V，E4的負端與地連接；P3的FB和BAT與E5正端相連輸出4. 2V，P3的TEMP、GND、E5的負端、R6的一端相連并接到地，P3的IR與R6的另一端相連。
6.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，其特征在于所述的平衡電路由 P6、P7、P8、P9、R13、R14、R15、R16 組成，BAT+連接到 P7 的 S、R13 的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端連到P6的VIN，P6的OUT連到P7的G、R14的另一端，P6的VSS與CA的負端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相連，R15的另一端與P8的VIN相連，P8的OUT連到P9的G、R16的另一端，P8的VSS與CB的負端、P9的D相連并連接到地；超級電容由CA和CB組成。
7.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，其特征在于所述的穩(wěn)壓電路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3組成，El的正端與Pl的IN和EN相連并接到+5V，P1的ADJ與Rl的一端、R2的一端相連；P1的OUT與R2的另一端、E2的正端、Cl的一端、R3的一端相連輸出4. 2V穩(wěn)壓電源，Pl的GND與El的負端、Rl的另一端、E2的負端、Cl的另一端、R3的另一端相連并接到地。
8.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，其特征在于所述的自動切換模塊由P4和R7組成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G與R7的一端相連并接到+5V, R7的另一端接地，P4的S接到4. 2V，P4的D接到BAT+。
9.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，其特征在于所述的控制開關由P2、R4、R5、E3組成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G與R5的一端相，連，P2的S與R4的一端相連并接到4. 2V，P4的D與E3的正端相連輸出BATT，E3的負端接地，R4的另一端與R5另一端相連接到PCCTL。
10.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，其特征在于所述的恒壓電路由 R8、R9、C2、E6、P5、L、RIO、C3、Rll、R12、E7 組成，P5 采用 SIPEX 的 SP6650 配置外圍器件提供恒定3. 3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相連與E6的正端、R9的一端、R8的一端相連接到4. 2V, R9的另一端與C2的一端相連，C2的另一端接地，P5的LX與L的一端、RlO的一端相連，L的另一端與C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相連并輸出3. 3V，RlO的另一端與C3的另一端、RlI的一端相連，Rll的另一端與P5的FB、R12的一端、E7的負端、P5的PGND, P5的GND相連并接到地。
專利摘要一種超級電容作為儲能介質的物機，其電源系統(tǒng)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(tài)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(tài)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(jiān)測GSM模塊的狀態(tài)信號掌握GSM模塊運行情況，發(fā)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。
文檔編號H02J15/00GK202840653SQ20122051215
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權日2012年10月8日
發(fā)明者劉鎮(zhèn)陽, 李文鋒, 許建華, 陸敬筠, 王養(yǎng)森, 孫偉, 王偉, 劉辰成, 劉德田 申請人:南京覓丹電子信息有限公司