一種振動能源采集系統技術方案

本發明專利技術提出了一種振動能源采集系統，該系統主要由振動能源采集器和能源管理電路及其保護電路組成。其中振動能源采集器采用壓電式能量采集器，其原理是直接將周圍環境中的振動能量轉化為電能的裝置。所述的能源管理電路主要由AC/DC轉換電路模塊、IC控制電路模塊、升壓電路模塊和保護電路組成。本發明專利技術能夠成功將環境中振動能量轉化為電能并存儲于電池組或者可充電的超級電容中；采用最大功率點跟蹤法(MPPT)提高振動能量采集系統效率。若在能源采集過程中電池組溫度過高或者電池組電壓或者電流處于飽和狀態，IC控制電路模塊將關閉電池組充電狀態。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微型電源領域，其特征在于對環境中的各種振動機械能量進行采集，并將采集的能量轉化為電能儲存于儲能元件中。主要目的是用于小型無線傳感器網絡及其它低功耗器件供電，提高能源的利用率。
技術介紹
近年來，隨著微電子技術和無線技術的發展，電子設備和無線傳感器進入了小型、低功耗化的時代。通常情況下，這些設備都是依靠傳統的電池來提供能量，如鎳氫電池、鋰聚合物電池等。但是，傳統電池存在一些缺點，一是相對于微型傳感器其體積仍然較大；二是供能壽命有限，使用一段時間后需要更換或者充電，對于放置在氣候惡劣或者遙遠地區的無線傳感器而言，這是個很嚴重的制約條件。目前，從環境中提取未利用能源(溫差、振 動等)的能源采集技術，正日益成為各種應用領域中有力的競爭方案。工業的發展正向著微電子化、微功耗化、自動化方面快速的發展，這就導致了環境能源采集的迅猛發展。現在各種微處理器控制的植入式裝置、嵌入式裝置、分布式系統、無線傳感器、無線通信設備都朝著MEMS (微電子機械系統)發展。開發一種可以長時間使用、將周圍環境中各種能源轉化為電能的微能源自采集與供能系統，是人們期待解決的重要問題，具有廣闊的應用前景。另一方面，雖然在短期的時間內，微能源采集系統還不能完全取代所有領域所使用的電池或供電系統，但其還是憑借其無需更換電池或持續時間可達數年、低功耗、自采集與自供能、綠色環保等眾多優勢，將會成為用戶和工業生產的選擇。因此，將環境周圍的各種振動能源轉化為電能的振動能源采集系統，一直是人們希望解決的問題，具有廣泛的實用價值。
技術實現思路
本專利技術目的在于設計了一種振動能源采集系統，從而解決了周圍環境中振動能源采集供電的問題。本專利技術采用的技術方案如下振動能源采集系統主要由振動能源采集器、能源管理電路及其存儲能量元件組成。其中所述的振動能源采集器采用壓電式能量采集器，其原理直接將周圍環境中的振動機械能量轉化為電能的裝置。所述方案中，振動能源采集系統能源管理電路主要由AC/DC轉換電路模塊、boost升壓電路模塊和IC控制電路模塊組成。其中AC/DC轉換電路模塊采用場效應管和電壓比較器組成的整流電路大大降低系統功率損耗；b00st升壓電路模塊采用場效應管作為開關控制的基本升壓電路模塊；IC控制電路模塊主要由低功耗的微控制器組成。所述方案中，振動能源采集系統儲存能量元件由可充電電池組或者可充電超級電容組成。上述方案中，振動能源采集系統能量采集過程如下振動能源采集器將周圍環境中的各種振動機械能量轉化為電能，轉化的電壓經過AC/DC整流電路模塊整流輸出直流電壓；直流電壓經過boost升壓電路模塊將電壓升高存儲于電池組中，IC控制電路模塊通過采樣整流輸出的電壓和電流，通過最大功率跟蹤點法(MPPT)控制脈沖波形占空比調節輸出電壓。所述振動能源采集系統的總體工作流程如下振動能源采集器將周圍環境中的各種振動機械能量轉化為電能，轉化的電壓經過AC/DC整流電路模塊整流輸出直流電壓；直流電壓經過boost升壓電路模塊將電壓升高存儲于電池組中，IC控制電路模塊通過采樣整流輸出的電壓和電流，通過最大功率跟蹤點法(MPPT)控制脈沖波形占空比調節輸出電壓，使輸出電壓穩定；經過升壓模塊的輸出電壓經過濾波電容存儲于可充電電池組中。所述振動能源采集系統還包括電池組電壓信號采樣，采樣信號經過運算放大器輸入IC控制電路模塊，IC控制電路模塊通過輸入信號判斷電池組是否達到飽和電壓。若電池組電壓達到飽和電壓，IC控制電路模塊產生一個中斷信號關閉充電開關電路，以保護系 統安全。所述振動能源采集系統還包括熱敏電阻采樣電池底部溫度，采樣溫度信號經過運算放大器輸入IC控制電路模塊，IC控制電路模塊通過輸入信號判斷電池溫度是否達到額定溫度。若電池溫度達到電池額定溫度，IC控制電路模塊產生一個中斷信號關閉充電開關電路，以保護系統安全。所述振動能源采集系統還包括電池組電流信號采樣，采樣信號經過運算放大器輸入IC控制電路模塊，IC控制電路模塊通過輸入信號判斷電池組電流是否達到飽和電流。若電池組電流達到飽和電流，IC控制電路模塊產生一個中斷信號關閉充電開關電路，以保護系統安全。本專利技術具有以下優點(I)降低成本振動能源采集系統能夠將周圍環境中的振動機械能量轉化為電能儲存于可充電電池組或者是超級電容中，其采集的電能可以為低功耗的元器件供電，降低了傳統布設電源線的成本和更換電池所需的日常維護成本。(2)元器件低功耗振動能源采集系統AC/DC整流電路模塊、IC控制電路模塊和boost升壓電路模塊都采用低功耗器件，降低了系統功率損耗。(3)提高能源轉換效率振動能源采集系統采用最大功率點跟蹤法(MPPT)控制PWM脈沖波形占空比調節升壓模塊輸出電壓，使系統能量轉換效率大大提高。(4)管理方便當儲能元件(如電池)的能量密度增加到一定程度時，會使得其成為類似于炸藥一樣的器件，運用低功耗微控制器管理儲能元件的充電問題，避免爆炸一類的安全問題發生。附圖說明圖I為本專利技術提出的總體結構框圖。圖2為本專利技術提出的總體流程圖。具體實施方式圖I為振動能源采集系統的結構框圖。該振動能源采集系統設計包括振動能源采集器、AC/DC轉換電路模塊、boost升壓電路模塊、IC控制電路模塊和電池組等。本專利技術具體實施方式如圖2所示，其振動能源采集系統的總體工作流程如下所述振動能源采集器將周圍環境中的各種振動機械能量轉化為電能，轉化的電壓經過AC/DC整流電路模塊整流輸出直流電壓；直流電壓經過boost升壓電路模塊將電壓升高存儲于電池組中，IC控制電路模塊通過采樣整流輸出的電壓和電流，通過最大功率跟蹤點法(MPPT)控制脈沖波形占空比調節輸出電壓，使輸出電壓穩定；經過升壓模塊的輸出電壓經過濾波電容存儲于可充電電池組中。所述振動能源采集系統還包括電池組電壓信號采樣，采樣信號經過運算放大器輸入IC控制電路模塊，IC控制電路模塊通過輸入信號判斷電池組是否達到飽和電壓。若電池組電壓達到飽和電壓，IC控制電路模塊產生一個中斷信號關閉充電開關電路，以保護系·統安全。所述振動能源采集系統還包括熱敏電阻采樣電池底部溫度，采樣溫度信號經過運算放大器輸入IC控制電路模塊，IC控制電路模塊通過輸入信號判斷電池溫度是否達到額定溫度。若電池溫度達到電池額定溫度，IC控制電路模塊產生一個中斷信號關閉充電開關電路，以保護系統安全。所述振動能源采集系統還包括電池組電流信號采樣，采樣信號經過運算放大器輸入IC控制電路模塊，IC控制電路模塊通過輸入信號判斷電池組電流是否達到飽和電流。若電池組電流達到飽和電流，IC控制電路模塊產生一個中斷信號關閉充電開關電路，以保護系統安全。權利要求1.振動能源采集系統，其特征在于由振動能源采集器和能源管理電路組成。所述的振動能源采集器是利用壓電效應來實現振動機械能量向電能轉換的發電機，它能將振動機械能轉換成電能的裝置。其特點在于振動能源采集器能夠將周圍環境中的振動機械能轉換為電能，因此從理論上講，避免了經常更換系統電源的目的，提高能源利用率。2.根據權利要求書I所述的振動能源采集系統，其特征在于所述的振動能源采集器和能源管理電路組成。所述的能源管理電路其特征在于主要由IC控制電路模塊、AC/DC轉換電路模塊、boost升壓電路模塊和保護本文檔來自技高網...

【技術保護點】
振動能源采集系統，其特征在于由振動能源采集器和能源管理電路組成。所述的振動能源采集器是利用壓電效應來實現振動機械能量向電能轉換的發電機，它能將振動機械能轉換成電能的裝置。其特點在于振動能源采集器能夠將周圍環境中的振動機械能轉換為電能，因此從理論上講，避免了經常更換系統電源的目的，提高能源利用率。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：樸昌浩，
申請(專利權)人：樸昌浩，滕慶，祿盛，
類型：發明
國別省市：