[0001] 本发明涉及同位素电池技术领域，尤其涉及一种应用于水下传感器网络的复合型辐伏电池装置及其运行控制方法。

[0002] 水下传感器网络是构成水下环境立体监测系统的重要组成部分，它由大量具有感知外部环境、计算和通信能力的传感器网络节点组成，各节点被分布在指定的区域，执行连
续的协同监测任务，随着世界各国对海洋开发和利用步伐的加快，对海洋信息的连续实时
监测有着重要的意义。

[0003] 目前，水下传感器网络节点大都使用蓄电池，存在使用寿命短、需定期更换、维护不方便等问题。此外，光伏布局在水面，利用线缆为传感器节点供电，受海面环境影响大且
无法保证传感器隐蔽性。

[0004] 这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。

[0025] 以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

[0026] 同位素辐伏特电池具有长期免维护、不依赖环境、能量密度高、体积小重量轻等特点，是解决水下传感器网络节点供电瓶颈问题的理想能源形式。然而，同位素辐伏特电池也
有功率密度低、稳态输出功率小等问题，其供电功率通常在毫瓦以下，显然无法满足传感器
网络节点瞬时功率达到几十瓦甚至百瓦的需求。因此需要结合不同形式能源特点，从电池
装置组合、各能源间运行控制方法等方面入手，研制出一种兼具长期免维护、体积小重量轻
与输出功率高等特点的复合型辐伏电池装置，以满足水下传感器网络节点供电需求。

[0027] 如图1所示，本发明提供一种复合型辐伏电池装置，包含：辐光伏电池1，微弱能量采集器2和蓄电池组3，所述辐光伏电池1以低功率形式持续产生电能，所述微弱能量采集器
2收集所述辐光伏电池1产生的电能，并将电能存储到所述蓄电池组3中，所述微弱能量采集
器2控制所述蓄电池组3为水下传感器网络节点4提供电能。

[0028] 辐光伏电池是通过同位素衰变释放的能量转变为光能，光再通过光伏电池转变为电能。辐光伏电池使用的同位素半衰期一般长达数十年，可以源源不断的提供能量，因此具
备长期免维护的特点。

[0029] 如图2所示，所述辐光伏电池1包含：设置在结构件(图中未显示)上的放射性同位素101、闪烁波导102和光伏电池103，所述放射性同位素101和闪烁波导102通过螺钉固定在
结构件中央，共同构成辐致发光器件，所述光伏电池103固定在结构件四周，上下两面则预
留用于辐致发光器件和光伏电池的安装，通过四面环绕最大限度利用辐光源的光能，结构
紧凑，空间利用率高，实现复合型辐伏电池装置的体积小重量轻。

[0030] 如图1所示，所述微弱能量采集器2包含：微能量采集模块201、充放电管理模块202和升压变换器203，所述微能量采集模块201用于收集所述辐光伏电池1产生的电能，所述升
压变换器203用于将所述微能量采集模块2收集的电能的电压转换至所述蓄电池组3充电所
需的电压值，并将所述蓄电池组3放出的电能的电压转换至所述水下传感器网络节点4所需
的电压值，所述充放电管理模块202包含充电控制器和放电控制器，用于对所述蓄电池组3
的充电过程和放电过程进行监控。

[0031] 在本实施例中，所述蓄电池组3采用长寿命锂电池，锂电池的寿命大于等于10年。

[0032] 本发明提供的复合型辐伏电池装置通过激发发电——涓流充电——短时放电等过程为水下传感器网络节点提供电能，解决了辐伏电池功率密度低、稳态输出功率小等问
题。

[0033] 所述复合型辐伏电池装置的运行控制方法包含以下步骤：

[0034] 步骤1：辐光伏电池1中的放射性同位素101的辐射源衰变产生贝塔粒子照射辐射致光材料，其受激发后释放窄波段绿色荧光光能，光伏电池103中的半导体材料受荧光照
射，通过光生伏特效应持续不断提供电能。

[0035] 步骤2：微弱能量采集器2中的微能量采集模块201收集所述辐光伏电池1产生的电能，升压变换器203对辐光伏电池1产生的电能的电压进行转换，使其与蓄电池组3充电所需
电压(28V～32V)匹配。

[0036] 步骤3：充电控制器控制对所述蓄电池组3的恒流恒压充电，并具有过充、过压等保护功能。

[0037] 步骤4：放电控制器采集所述蓄电池组3的电压，并计算其荷电态(剩余电量)。当蓄电池组3的电压高于某一阈值(当采用8个3.5V～4V的单体电池串联时，阈值设定为32V)且
蓄电池组3的荷电态为100％显示蓄电池组3为满电状态时，则充放电管理模块202中的逻辑
电路控制蓄电池组3短时放电，升压变换器203对蓄电池组3放出的电能进行转换，使其与水
下传感器网络节点(载荷)所需电压匹配。

[0038] 步骤5：当蓄电池组电压低于某一阈值且蓄电池组3的荷电态显示蓄电池组欠电时，充放电管理模块202中的逻辑电路控制蓄电池组3停止放电，充电控制器立即为其充电。

[0039] 如图3所示，所述充放电管理模块202中的采样电路通过采集辐光伏电池1的输出电压电流和蓄电池组3的充放电电压、电流、荷电态、温度等，通过逻辑电路判断应该进入何
种工作模式：

[0040] 1、根据辐光伏电池1的设计参数，其存在最大功率点，若蓄电池组3的充放电电压、电流偏离辐光伏电池1的最大功率点，则充放电管理模块202中的驱动信号产生电路控制微
弱能量采集器2进入能量收集模式，mppt控制算法调控能量管理，使蓄电池组3的充放电电
压、电流与辐光伏电池1的最大功率点相匹配；

[0041] 2、若蓄电池组3的充放电电压、电流与辐光伏电池1的最大功率点相匹配，则驱动信号产生电路控制微弱能量采集器2进入充电模式；

[0042] 3、若蓄电池组3充满电，则驱动信号产生电路控制微弱能量采集器2进入放电模式，根据需求控制放电功率；

[0043] 4、当蓄电池组3的温度、电压、电流等出现异常时，进入对应的保护模式，发出警报并断开蓄电池组3与其他硬件的电路连接。

[0044] 图4显示了复合型辐伏电池装置的供电特性，辐光伏电池可持续输出功率约3mW，为长寿命锂电池持续涓流充电，或者为外部的微型传感器供电(改时段长达数个小时)。当
传感器网络节点需要瞬时大功率工作时，复合型辐伏电池装置可按照最大100W的功率短时
间(2‑3s)输出，满足传感器网络节点瞬时功率达到几十瓦甚至百瓦的需求。

[0045] 本发明提供的一种复合型辐伏电池装置，兼具长期免维护、体积小重量轻与输出功率高等特点，以满足水下传感器网络节点供电需求。

[0046] 需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位
或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特
定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、
“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0047] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0048] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的
多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。