一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法。SSHI虽然很大程度的提高了转换效率，但是对环境中的微振动却很难收集。本发明专利技术一种微尺度振动能量收集系统，包括压电发电装置、同步采集电路、高频开关电路、存储电感L1、整流收集电路和控制器。高频开关电路包括光电耦合器、第一MOS管M1和第二MOS管M2。同步采集电路包括第一R‑C移相电路、第二R‑C移相电路、第一过零比较器、第二过零比较器和异或门。本发明专利技术通过在压电发电装置为存储电感L1充电时，重复多次切断压电发电装置与存储电感L1之间的连接，使得存储电感L1产生浪涌电压，从而达到整流收集电路的采集阈值，从而利用微尺度振动实现发电。

A microscale vibration energy collection system and its energy capture method

【技术实现步骤摘要】
一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法
本专利技术属于能量回收利用
，具体涉及一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法。
技术介绍
随着传感器应用技术的飞速发展，现在已经研发出了纳瓦功率传感器，极大的促进了传感器系统的发展。这些进步无疑解决了能量收集领域的一大关键问题，特别是在微振动领域。由于环境中的微尺度振动所带来的能量较小，所以收集这部分能量往往被忽略。但是随着纳瓦级传感器的出现，其几乎不消耗功率，所以收集微振动所产生的能量并将所收集的能量供给这些低功耗的传感器等一些负载变得可行。目前，针对标准桥式整流接口电路电能转换效率低的问题，人们在其基础上通过引入开关环节提出了同步开关整流接口电路。其基本思想是：在标准桥式整流接口电路中加入一个同步开关和电感，当压电振子达到最大振幅位置时压电材料内部存储电荷最多，此时开关闭合，使电感与压电材料的寄生电容形成LC振荡回路将内部电荷提取出来，从而能明显提高转换效率。这种接口电路即SSHI。其虽然很大程度的提高了转换效率，但是对环境中的微振动却很难收集。对此，为了能够收集微振动能量，在原有并联同步开关接口电路(P-SSHI)中将同步开关位置进行调整，提出了一种利用电感振荡诱导同步开关的新型接口电路(S3HI)。与传统SSHI的最佳开关持续时间相比，其主要特征是通过故意缩短开关持续时间来使电感器中产生突然的电流过渡。因此，会导致极高的振荡电压，其值可以超过阀值电压，进而可以将电能传递到存储电容之中。由于这种现象，即使在微尺度振动幅度下，也可以保证有效的收集能力。这种方法虽然实现了对微振动能量的收集，但是因为其切换持续时间减短，在每次切换时电感器都不可避免地会受到一系列能量损失。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法。本专利技术一种微尺度振动能量收集系统，包括压电发电装置、同步采集电路、高频开关电路、存储电感L1、整流收集电路和控制器。所述的高频开关电路包括光电耦合器、第一MOS管M1和第二MOS管M2。光电耦合器的第一输入端接电阻R5的一端，第二输入端接数字地线，第二输出端接模拟地线，第一输出端接电阻R6的一端、第一MOS管M1及第二MOS管M2的源极。电阻R6的另一端接第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极及外部电压VCC。电阻R5远离光电耦合器的那端接控制器的PWM输出端连接。第一MOS管M1、第二MOS管M2的漏极分别为高频开关电路的第一开关接线端、第二开关接线端。所述的高频开关电路的第一开关接线端接压电发电装置的第一个输出端，第二开关接线端接存储电感L1的一端。存储电感L1的另一端接压电发电装置的第二个输出端。整流收集电路的第一输入端、第二输入端与存储电感L1的两端分别连接。所述的同步采集电路包括第一R-C移相电路、第二R-C移相电路、第一过零比较器、第二过零比较器和异或门。第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的移相输入端均接压电发电装置的第一个输出端。第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的移相输出端与第一过零比较器、第二过零比较器的第一输入端分别连接。第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的地线端、第一过零比较器、第二过零比较器的第二输入端及压电发电装置的第二个输出端连接在一起。第一过零比较器、第二过零比较器的输出端与异或门的两个输入端分别连接。异或门的输出端与控制器的触发信号输入端连接。作为优选，所述的高频开关电路还包括电阻R7、电感L3和第一电流传感器。电阻R7的一端接光电耦合器的第一输出端，另一端接电感L3的一端。电感L3的另一端接第一电流传感器的一端。第一电流传感器的另一端接外部电压VCC。作为优选，所述的整流收集电路包括能量收集芯片。能量收集芯片的型号为LTC3588-2。能量收集芯片的VIN引脚接电容C5及电容C6的一端，CAP引脚接电容C7的一端。电容C6及电容C7的另一端均接模拟地线。能量收集芯片的SW引脚接电感L2的一端，Vout引脚接电感L2的另一端，GND引脚接模拟地线。能量收集芯片的PZ1引脚、PZ2引脚分别为整流收集电路的第一输入端、第二输入端。能量收集芯片的Vout引脚为整流收集电路的电压输出端。作为优选，所述的控制器采用型号为STM32L0x0的单片机。第一过零比较器及第二过零比较器的型号为LM324。异或门的型号为74L86。第一MOS管M1及第二MOS管M2的型号均为AOL1482。作为优选，第一R-C移相电路的移相角度为90°，第二R-C移相电路的移相角度小于90°。作为优选，第一R-C移相电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2。电容C1的一端为第一R-C移相电路的移相输入端，另一端接电阻R1和电容C2的一端。电容C2的另一端与电阻R2的一端连接在一起，作为第一R-C移相电路的移相输出端。电阻R1与电阻R2的另一端连接在一起，作为第一R-C移相电路的地线端。第二R-C移相电路包括电阻R3、电阻R4、电容C3和电容C4。电容C3的一端为第二R-C移相电路的移相输入端，另一端接电阻R3和电容C4的一端。电容C4的另一端与电阻R4的一端连接在一起，作为第二R-C移相电路的移相输出端。电阻R3与电阻R4的另一端连接在一起，作为第二R-C移相电路的地线端。该微尺度振动能量收集系统的能量俘获方法具体如下：步骤一、压电发电装置发生振动，产生的电压达到最大时，第一过零比较器、第二过零比较器先后输出一个高电平到异或门；异或门在输入为一个高电平、一个低电平时，向控制器输出高电平。步骤二、当控制器接收到同步采集电路发来的高电平后，控制器向高频开关电路发送PWM波信号。高频开关电路在PWM波信号的控制下持续连通和断开压电发电装置与存储电感L1。当压电发电装置、存储电感L1连通时，压电发电装置向存储电感L1充电。压电发电装置、存储电感L1断开时，存储电感L1两端的电压升高，整流收集电路采集存储电感L1内的电能并输出。作为优选，PWM波信号的周期占空比为85％～95％。PWM波信号的持续时长为L1为存储电感L1的电感值；Cp为压电发电装置的压电常数。作为优选，PWM波信号的周期确定方法如下：步骤一、在整流收集电路与负载Rs之间串联上第二电流传感器，并联上电压传感器。步骤二、设定候选周期集合TQ＝{T1,T2,...,Tn}；步骤三、向压电发电装置施加周期、幅值确定的交变力，使得压电发电装置的输出电压呈周期性的变化。在压电发电装置的n次输出电压到达峰值时，控制器分别输出周期为T1,T2,...,Tn的PWM波信号；各段PWM波信号的持续时长相等。第二电流传感器、电压传感器分别检测n段PWM波信号输出的过程中，负载Rs的电压和电流，并传输给控制器。控制器根据电压和电流计算出n个平均发电功率。取n个平均发电功率中最大的那个平均发电功率对应的周期，作为最终的PWM波信号周期。作为优选，控制器通过最佳{0，1}开关状态序列来输出PWM波；确实最佳{0，1}开关状态序列的方法如下：步骤一、控制器根据目标PWM波信号的周期、占空比、持续时长生成m个{0，1}开关状态序列。步骤二、控制器分别向高频开关电路输出m个序列；第一电流传感器分别检测m个序列输出时，流经电感L3的电流；得到m个电流变化曲线；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微尺度振动能量收集系统，包括压电发电装置、存储电感L1、整流收集电路和控制器，其特征在于：还包括同步采集电路和高频开关电路；所述的高频开关电路包括光电耦合器、第一MOS管M1和第二MOS管M2；光电耦合器的第一输入端接电阻R5的一端，第二输入端接数字地线，第二输出端接模拟地线，第一输出端接电阻R6的一端、第一MOS管M1及第二MOS管M2的源极；电阻R6的另一端接第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极及外部电压；电阻R5远离光电耦合器的那端接控制器的PWM输出端连接；第一MOS管M1、第二MOS管M2的漏极分别为高频开关电路的第一开关接线端、第二开关接线端；所述的高频开关电路的第一开关接线端接压电发电装置的第一个输出端，第二开关接线端接存储电感L1的一端；存储电感L1的另一端接压电发电装置的第二个输出端；整流收集电路的第一输入端、第二输入端与存储电感L1的两端分别连接；所述的同步采集电路包括第一R‑C移相电路、第二R‑C移相电路、第一过零比较器、第二过零比较器和异或门；第一R‑C移相电路、第二R‑C移相电路的移相输入端均接压电发电装置的第一个输出端；第一R‑C移相电路、第二R‑C移相电路的移相输出端与第一过零比较器、第二过零比较器的第一输入端分别连接；第一R‑C移相电路、第二R‑C移相电路的地线端、第一过零比较器、第二过零比较器的第二输入端及压电发电装置的第二个输出端连接在一起；第一过零比较器、第二过零比较器的输出端与异或门的两个输入端分别连接；异或门的输出端与控制器的触发信号输入端连接。...

【技术特征摘要】
1.一种微尺度振动能量收集系统，包括压电发电装置、存储电感L1、整流收集电路和控制器，其特征在于：还包括同步采集电路和高频开关电路；所述的高频开关电路包括光电耦合器、第一MOS管M1和第二MOS管M2；光电耦合器的第一输入端接电阻R5的一端，第二输入端接数字地线，第二输出端接模拟地线，第一输出端接电阻R6的一端、第一MOS管M1及第二MOS管M2的源极；电阻R6的另一端接第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极及外部电压；电阻R5远离光电耦合器的那端接控制器的PWM输出端连接；第一MOS管M1、第二MOS管M2的漏极分别为高频开关电路的第一开关接线端、第二开关接线端；所述的高频开关电路的第一开关接线端接压电发电装置的第一个输出端，第二开关接线端接存储电感L1的一端；存储电感L1的另一端接压电发电装置的第二个输出端；整流收集电路的第一输入端、第二输入端与存储电感L1的两端分别连接；所述的同步采集电路包括第一R-C移相电路、第二R-C移相电路、第一过零比较器、第二过零比较器和异或门；第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的移相输入端均接压电发电装置的第一个输出端；第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的移相输出端与第一过零比较器、第二过零比较器的第一输入端分别连接；第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的地线端、第一过零比较器、第二过零比较器的第二输入端及压电发电装置的第二个输出端连接在一起；第一过零比较器、第二过零比较器的输出端与异或门的两个输入端分别连接；异或门的输出端与控制器的触发信号输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种微尺度振动能量收集系统，其特征在于：所述的高频开关电路还包括电阻R7、电感L3和第一电流传感器；电阻R7的一端接光电耦合器的第一输出端，另一端接电感L3的一端；电感L3的另一端接第一电流传感器的一端；第一电流传感器的另一端接外部电压。3.根据权利要求1所述的一种微尺度振动能量收集系统，其特征在于：所述的整流收集电路包括能量收集芯片；能量收集芯片的型号为LTC3588-2；能量收集芯片的VIN引脚接电容C5及电容C6的一端，CAP引脚接电容C7的一端；电容C6及电容C7的另一端均接模拟地线；能量收集芯片的SW引脚接电感L2的一端，Vout引脚接电感L2的另一端，GND引脚接模拟地线；能量收集芯片的PZ1引脚、PZ2引脚分别为整流收集电路的第一输入端、第二输入端；能量收集芯片的Vout引脚为整流收集电路的电压输出端。4.根据权利要求1所述的一种微尺度振动能量收集系统，其特征在于：所述的控制器采用型号为STM32L0x0的单片机；第一过零比较器及第二过零比较器的型号为LM324；异或门的型号为74L86；第一MOS管M1及第二MOS管M2的型号均为AOL1482。5.根据权利要求1所述的一种微尺度振动能量收集系统，其特征在于：第一R-C移相电路的移相角度为90°，第二R-C移相电路的移相角度小于90°。6.根据权利要求1所述的一种微尺度振动能量收集系统，其特征在于：第一R-C移相电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2；电容C1的一端为第一R-C移相电路的移相输入端，另一端接电阻R1和电容C2的一端；电容C2的另一端与电阻R2的一端连接在一起，作为第一R-C移相电路的移相输出端；...

【专利技术属性】
技术研发人员：许明，何龙，陈国金，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33