CN101636854A - 用于对电容性负载放电的方法 - Google Patents

Abstract

用于存储电容性电源释放的电能的方法，实施例包括：在电源中构成容性负载并且在所述电源的输出电压超过阈值并且被检测到达到峰值后，闭合在电容性电源和电压转换模块之间的开关。转换模块包括电感器和串联连接的蓄电装置并且进一步可以包括并联连接在电感器和蓄电装置两端的二极管。用于存储电容性电源释放的电能的设备，该设备包括的实施例具有：配置为产生输出电压的电容性电源；连接到所述电源的开关；连接到所述开关的电感器；连接到所述电感器的蓄电装置；以及控制器，该控制器构造为在所述电源的输出电压超过阈值并且被检测到达到峰值后闭合所述开关。

Description

用于对电容性负载放电的方法

技术领域

【0001】本发明一般地涉及电能存储并且更特别地涉及存储电容性负载释放的电能。

背景技术

【0002】从间歇性机械扰动中获得能量对为远程传感器以及多种其他类型装置供电有很大价值。即使扰动在任意给定频率下相对不明显并且不产生大量的能量，但如果适当的转换装置可用的话，在较宽频谱上收集的总能量仍可以足够供电。压电换能器由具有能够将机械力变换为输出电能的性质的材料制成。在压电装置中，当制造该装置的材料经受应变时正电荷和负电荷相分离，并在材料两端生成电压。

【0003】一般地，所生成的电信号的振幅是压电装置的尺寸和施加到该压电装置的应力或压力水平的函数。所生成的电信号的频率是压电装置所承受的应力和应变的频率的函数。当例如振动的振荡应力被施加到压电材料时，所生成信号的振幅和频率可以基于材料本身和将机械振动耦合到压电装置内的应力的装置的性能而显著变化。

【0004】虽然研发了多种用于积聚所生成能量的设备和方法，但没有出现如下文呈现的根据本发明的技术那样大致包含全部期望特性的设计。

发明内容

【0005】本发明特定的实施例包括用于存储电容性电源释放的电能的方法。这种方法包括在电源中构成电容性负载并且在所述电源的输出电压超过阈值并且被检测到达到峰值后，闭合在电容性电源和电压转换模块之间的开关。转换模块包括电感器和串联连接的蓄电装置并且进一步可以包括并联连接在电感器和蓄电装置两端的二极管。

【0006】这种方法可以进一步包括在预定时间周期后开启所述开关，并且将电压转换模块内的电能从电感器转移到蓄电装置。

【0007】除在所述电源中生成电容性负载之外，这些方法的特别的实施例包括在所述电源的输出电压被确定超过阈值后，闭合电容性电源和电压转换模块之间的开关，并且当经过电压转换模块的电感器的电流被确定达到目标值时，开启所述开关。

【0008】这种方法可以进一步包括将电压转换模块内的电能从电感器转移到蓄电装置。

【0009】本发明的特别的实施例包括用于存储电容性电源释放的电能的设备。这种设备包括配置为产生输出电压的电容性电源、连接到所述电源的开关、连接到所述开关的电感器、连接到所述电感器的蓄电装置和配置为在所述电源的输出电压超过阈值并且被检测到达到峰值后闭合开关的控制器。

【0010】本发明的前述和其他目的、特征和优点将从以下本发明的特定实施例的更详细说明中变得清楚，如附图中所示，其中相同参考标记表示相同的本发明的部件。

附图说明

【0011】图1示出了提供能量收集的换能器电路的示例性的实施例。

【0012】图2示出了图1的电路的简化示意图。

【0013】图3图表式地示出了用于执行能量转换的一般电路拓扑。

【0014】图4示出了可以在执行特定实施例中使用的示例性的电压阈值检测器。

【0015】图5示出了可以在执行特定实施例中可以组合的示例性的电压峰值检测器和电压阈值检测器。

具体实施方式

【0016】从电能电源获得的能量可以用来为一系列广泛的设备供电。如果这种获得的能量不立即用来为设备供电，则电能可以被存储在蓄电装置中，例如电容器或可充电电池。一个或多个设备之后可以在需要时依靠来自蓄电装置的被存储的能量而被驱动。

【0017】本发明包括一种方法和设备，该方法和设备用于将来自电容性本质的电能电源释放的电能存储到能量存储装置。电能电源可以包括任意电容性本质的电源。这种电容性电源可以包括例如压电换能器或电容器。虽然以下大多数讨论集中在作为电容性电源的压电装置的示例上，但应意识到本发明不限于此。

【0018】虽然不作为限制，但本文公开的方法和设备对提供少量电能的电容性电源特别有效，例如由安装在轮胎内侧的压电换能器提供。由于压电转换而收集的能量总量是基于将压电材料两终端的电压差转移到蓄电介质中的能力。然而，如果电压被允许振动地增大和降低，则能量不能被收集。虽然不作为限制，但本文公开的方法和设备进一步在产生随机或离散电压峰值的电容性电源中特别有效，即一些峰值非常高并且其他峰值相对于彼此非常低并且其他峰值随机地离散分布。

【0019】本发明的特定实施例包括在其峰值电压或峰值电压附近转移电能从而重新获得更大量的电能并将其存储在蓄电装置中的方法和设备。存储来自电容性电源的更大量的电能的配置包括通过开关连接到电压转换模块的电源。电压转换模块包括电感器和蓄电装置。然后所述开关在最优时间开启和闭合从而使电能可以从电容性电源经开关转移到电感器并且之后转移到蓄电装置。

【0020】在利用这种配置的特定的实施例中，存在一种用于存储电容性电源释放的电能的方法，该方法包括在电源中构造电容性负载。当电容性电源建立并达到最大或峰值电压时，所述方法包括在所述电源的输出电压超过阈值并且检测到所述电源的输出电压达到峰值后，闭合电容性电源和电压转换模块之间的开关。在所述输出电压超过阈值并且达到峰值时闭合开关在以下这种情况下特别有效(但不限制于此)，即在以具有数值随机变化的输出电压峰值的电容性负载执行的方法的实施例中。

【0021】在开关闭合后，存储在电容性电源中的电压被整体施加到电压转换模块的电感器两终端。因为功率是能量变化的时间比率，所以能量的瞬时变化要求无限功率。由于存储在系统的任意元件中的能量必须是时间的连续函数，所以这种能量的瞬时变化与物理系统中的标准定义相悖。因为存储在电感中的能量与电流的平方成比例，因此在开关闭合后，电感器两端的电压立即下降并且立即没有电流流动。由于电流不再经过开关流经电感器，所以所述电源中的电压下降并且蓄电装置中的电压增大。

【0022】特定的实施例进一步包括在预定时刻开启开关。在开启开关的一刻，特定的实施例提供了来自电容性电源的约一半的能量被存储在蓄电装置中并且另一半被存储在电感器中。当开关被开启后，当电容性电源再次开始达到峰值时，在此时存储到电感器中的电能被传递到蓄电装置。所述方法的特定的实施例因此包括将来自电感器的电压转换模块内的电能传递到蓄电装置。

【0023】电容性电源和电压转换模块之间的开关通过控制器闭合和开启。能够执行本文所述功能的本领域技术人员公知的任意包括模拟控制器和数字控制器的控制器将适于使用在本发明的实施例中。在特定实施例中，控制器可以例如检测电容性电源的电压峰值和/或确定电容性电源的输出电压超过阈值和/或确定可以期望出现电源电压峰值的时刻并且进一步能够在恰当时刻开启和闭合包括在特定实施例中的一个或多个开关。适当的控制器的示例在以下提供并且更特别地，在附图中给出。

【0024】由于闭合开关的一个决定性因素是所述电源的输出电压超过阈值，因此特定实施例可以进一步包括将所述电源的输出电压与阈值相比较并且确定输出电压超过阈值。

【0025】由于特定实施例中闭合开关的另一个决定性因素是所述电源的输出电压被检测到达到峰值，因此特定实施例可以进一步包括当电源输出电压超过阈值时闭合第二开关并且当所述电源的输出电压被检测达到峰值时，通过闭合的第二开关发送信号。所述实施例可以进一步包括在指令指示闭合时通过第一开关接收信号。这样，在控制器确定所述电源的输出电压超过阈值并且所述电源的输出电压被检测达到峰值后，电容性负载和电压转换模块的电感器之间的开关接收信号从而闭合。在特定实施例中，第二开关在所述电源和电感器之间的开关开启之前的预定时间段被开启。

【0026】除了产生所述电源中的电容性负载以外，用于存储电容性电源释放的电能的特定实施例可以进一步包括在所述电源的输出电压被确定超过阈值后，闭合电容性电源和电压转换模块之间的开关。虽然不限于此，但这些实施例对以具有数值非常接近的输出电压峰值的电容性负载执行的方法的实施例特别有效。

【0027】在开关闭合后，电流将持续增大直至电流达到电感器峰值。所述电流可以被测量以确定何时到达电流峰值从而开关可以开启。可替换地，电流被期望达到峰值的时刻可以被计算从而使开关可以在那时开启。因此，特定实施例可以进一步包括控制器，该控制器能够通过将电感器电流值与第二参考值相比较而开启开关并且确定当电感器电流的值超过第二参考值时，经过电感器的电流达到目标值。特定实施例可以通过计算电感器电流的值被期望达到目标值的时刻而确定开关应该被开启并且确定经过电感器的电流在被计算的时刻达到目标值。

【0028】本发明的方法的特定实施例可以进一步包括整流来自电容性电源的电能。注意电能可以是全波整流或仅部分整流的。

【0029】本发明的方法的特定实施例可以进一步包括用于存储电容性电源释放的电能的设备。这种设备的特定实施例包括配置为连接到电容性电源的电源连接。适合连接到电容性电源的本领域技术人员公知的任意连接均可被接受用于本发明。这种电源连接可以包括例如电线、电缆、插销、插座、终端、端口、印制电路板或其组合。特定实施例可以进一步包括构造为在具有电源连接的连接构造中产生输出电压的电容性电源。

【0030】设备的特定实施例进一步包括连接到电容性电源的开关、连接到开关的电感器、连接到电感器的蓄电装置和构造为当所述电源的输出电压超过阈值并且被检测达到峰值时闭合开关的控制器。特定实施例可以进一步包括并联连接在电感器和蓄电装置两终端的二极管。所述开关将换能模块从电压转换模块分离。

【0031】如下所述，所述设备的特定实施例具有电感器，该电感器的值大于

$\frac{C_1}{{\left(\frac{{2i}_S}{V_1\mathrm{\π}}\right)}^2}$

其中C₁是蓄电装置的电容值，i_S是电感器的饱和电流，并且V₁是电能电源的最大电压输出值。

【0032】图1示出了提供能量收集的换能器电路的示例性实施例。压电换能器1在两个输出终端2、4之间产生输出电压。如本领域普通技术人员所公知的，全波整流器网络3包括布置在整流器网络3中的四个二极管D1、D2、D3和D4。压电换能器1可以由许多不同材料构成，可以具有许多不同形状并且可以以许多不同方式受压，包括但不限于被震动、扭曲、伸展和挤压或其组合以产生电信号，即两个输出终端2、4两端的输出电压。

【0033】整流器网络3包括电连接到压电换能器1的输出终端2、4的两个输入终端。整流器网络3进一步包括两个输出终端8、10。二极管D1的正极和二极管D4的负极连接到压电换能器1的第一终端2，同时二极管D1和D3的负极连接到整流器网络3的第一输出终端8。二极管D2和D4的正极连接到整流器网络3的第二输出终端10并且二极管D2的负极和二极管D3的正极连接到压电换能器1的第二输出终端4。

【0034】因此，由压电换能器1产生的被连接的正极信号使得电流自终端2经由二极管D1流到终端8中并且经由连接在整流器网络3的两个输出终端8、10之间的负载并且之后经由二极管D2进入压电换能器1的第二输出终端4中。由压电换能器1产生的负极信号使得电流自压电换能器1的第二输出终端4经由二极管D3流入整流器网络的第一输出终端8中并且之后通过连接在两个终端之间的电负载自整流器网络的第一输出终端8流入整流器网络3的第二输出终端10中并且之后经由二极管D4进入压电换能器1的第一终端2。因此，在整流器网络3的第一输出终端8处产生的信号将始终相对于整流器网络3的第二输出终端10处的电压为正电压。

【0035】图1的电路进一步包括开关S1，该开关S1通过控制器20控制能量从压电换能器1经过能量存储电路的流动。本领域普通技术人员应该理解开关S1可以采用多种形式，包括但不限于继电器型的转换装置和固态装置。开关S1电连接在整流器网络3的第一输出终端8和电感器L1的一端之间。电感器L1的另一端连接到蓄电电容器C1的一端。蓄电电容器C1的另一端连接到整流器网络3的第二输出终端10。特定实施例进一步包括二极管D5，该二极管D5通过其正极连接到整流器网络3的第二输出终端10并且通过其负极连接到开关S1和电感器L1之间的结合点。

【0036】根据方法和设备的特定实施例，如以下更详细的说明，在压电换能器1两端的输出电压处于相应的大致为(1)超过阈值并且(2)被检测达到峰值的情况下，开关S1闭合，即基于通过控制器20经由电压线22的传感由控制器20的操作被电导通，所述传感由控制器20准许。通过发送自控制器20的信号闭合开关S1允许压电换能器1的电容性负载通过开关S1和电感器L1到蓄电电容器C1的放电。此外，控制器20被构造为在预定时间周期后开启开关S1。可替换地，控制器20可以在压电换能器1的输出电压被确定超过阈值后闭合开关S1并且可以通过传感经过电感器L1的电流而闭合和开启开关S1，所述传感经由连接到电感器L1的输出端的电流传感器(未示出)通过控制器20和电流传感器之间的传感线路完成。

【0037】在开关S1闭合期间，二极管D5将被反向偏置并且基本没有电流被允许流经二极管D5至整流器网络3的第二输出终端10。当开关S1通过控制器20的操作开启时(如以下关于图4和5中所示的示例进行的更详细的说明)，电流自电感器L1连续流入蓄电电容器C1中并且具有经过二极管D5的返回路径以将电感器L1内的电能传递到蓄电装置C1中。

【0038】存储在蓄电装置(即电容器C1)中的能量与电压的平方与电容的乘积成比例。在蓄电元件C1的两端电压加倍的情况下，所存储的能量将增大4倍。类似地，被作为电容器的压电换能器1在峰值电压处具有最大可用能量。因此，能量可以经由构造在压电换能器1的输出电压接近或达到换能器1两端的最大电压时使控制器20闭合开关S1而通过开关S1和电感器L1自压电换能器1传递到电容器C1。

【0039】例如，控制器20可以在所述周期中在压电换能器1两端电压为其两端最大电压的90％时闭合开关S1。随着开关S1的闭合，存储在压电换能器1中的电压被整体施加到电感器L1两端。

【0040】如前所述，因为功率是能量变化的时间比率，所以能量的瞬时变化将要求无限功率。由于存储在系统的任意元件中的能量必须是时间的连续函数，所以这种能量上的瞬时变化当然与物理系统的标准定义相悖。因为存储在电感中的能量与电流的平方成比例，所以在开关S1闭合后，电感器L1两端的电压立即下降并且立即没有电流流动。慢慢地，电流开始流过电感器L1并且一旦这样，压电换能器1中的电压下降并且蓄电装置电容器C1中的电压增大。所述电路中的电流将继续增大直至其达到最大值。

【0041】可见的是当电流达到最大，约一半的原始能量被存储在蓄电元件C1中并且一半的能量在电感器L1中。这样，一般期望开启开关S1并且允许电感器L1产生经由二极管D5流经蓄电装置C1的终端两端的电流。

【0042】应该注意由于电感器L1、电容器C1和二极管D5的结电容在开关S1开启后形成蓄电电路，所以二极管D5被选择为使结电容最小化。给定电路的寄生电阻，自二极管D5和电容器C1传递的振荡能量的一部分将损耗为热量。因此，所述蓄电电路必须被设计为严格地阻尼衰减。

【0043】特定实施例包括在轮胎中用以为包含在轮胎中或在轮胎周围的电子装置供电的设备和方法。这种实施例例如可以包括作为电容性电源的压电换能器，该压电换能器通过轮胎旋转经由压电换能器的偏转而产生电容性负载。自轮胎中的压电换能器生成电能是本领域公知的。本文公开的方法和设备在最大化来自这种压电换能器的能量收集时有用。由放电的电容性负载生成的能量可以例如存储在电池或电容器中，如本文所述。这种存储的能量之后可以例如通过轮胎压力传感器和/或用于关于轮胎条件而发射信息的发射机被使用。

【0044】图2示出了图1中电路的简化的视图。为了以下分析的目的，图1中示出的电路可以是大致简化的。如果与压电换能器1中感应出的变化的周期相比放电时间相对较短，则整流器网络3、振动场和二极管D5在开关S1闭合的时刻和该开关S1开启的时刻之间均不需要被考虑，因为可以假设全部这些元件均处于准静态。在图2中示出的电路中，压电换能器1和整流器网络3被集总为单个理想电容C_p。由于二极管D5将自开关S1闭合时刻起被反向偏置直至开关S1开启，因此二极管D5被去除。

【0045】提供以下分析但这些分析不意味着以任何方式限制本发明。考虑图2中的电路，假设在时刻t＝0的电容器C_p上存在初始电压V_p，当开关闭合时，相对简单地解决了作为时间的函数的电荷和电压。Kirchoff的电压定律表示为：

V_Cp-V_L1-V_C1＝0                                    (1)

其中V_Cp是电容器C_p两端的电压，V_L1是电感器L1两端的电压，并且V_C1是蓄电装置C1两端电压。

【0046】已知的是：

$V_{\mathrm{Cp}}=\frac{Q_0-Q\left(t\right)}{C_p}---\left(2\right)$

$V_{L1}=L_1\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=L_1\frac{d^{2}Q\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(3\right)$

$V_{C1}=\frac{Q\left(t\right)}{C_1}---\left(4\right)$

其中Q(t)被定义为作为时间函数的电荷并且隐含地假设电荷被保存在电路中并且Q₀被定义为C_p上的初始电荷。将方程(2)-(4)替换入方程(1)提供了以下二阶差分方程：

$\frac{Q_0-Q\left(t\right)}{C_p}-L_1\frac{d^{2}Q\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}-\frac{Q\left(t\right)}{C_1}=\frac{Q_0}{C_p}-L_1\frac{d^{2}Q\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}-Q\left(t\right)(\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_p})=---5$

$a-\mathrm{bQ}\left(t\right)-L1\frac{d^{2}Q\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=0$

其中 $a=\frac{Q_0}{C_p}$ 并且 $b=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_p}$

【0047】方程(5)的解非常小：

$Q\left(t\right)=\frac{a}{b}(1-\mathrm{Cos}\left(t\sqrt{\frac{b}{L_1}}\right))---\left(6\right)$

【0048】因此，电流是：

$i\left(t\right)=\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{a}{\sqrt{b{L}_1}}\mathrm{Sin}\left(t\sqrt{\frac{b}{L_1}}\right)---\left(7\right)$

【0049】比率α可以被定义为理想电容C_p与蓄电装置电容器C1的电容的比率。因此，C1＝αC_p，并且方程(6)和(7)可以使用这种比率被改写为以下形式：

$Q\left(t\right)=\frac{Q_{0}a{C}_p}{1+a}(1-\mathrm{Cos}\left(t\sqrt{\frac{1+a}{a{C}_p{L}_1}}\right))---\left(8\right)$

$i\left(t\right)=Q_0\sqrt{\frac{a}{(1+a)C_p{L}_1}}\mathrm{Sin}\left(t\sqrt{\frac{1+a}{a{C}_p{L}_1}}\right)---\left(9\right)$

方程(8)和(9)因此是作为开关闭合后的时间的函数的简化的放电电路中的电荷和电流的完整解答。

【0050】电感器中的能量等于电感的二分之一乘以电流的平方。如上所述，电路的意图在于将能量从换能器传递到电感器。因此，人们将在流经电感器的最大电流的情况下开启开关S1。当方程(9)中的Sin函数的角度等于π/2时，这将变为现实，并且因此开关闭合的持续时间可以确定为：

$t=\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{\frac{{\mathrm{aL}}_1{C}_p}{1+a}}---\left(10\right)$

【0051】给定如方程(10)中所示的放电处理的停止时间，对于C_p，以压电电容器C_p起始的简化的电路的每个组件中的能量估计为：

$E_{\mathrm{Cp}}=\frac{C_p{V_p}^2}{2}=\frac{C_p}{2}{\left(\frac{Q_0-Q\left(t\right)}{C_p}\right)}^2=\frac{C_p}{2}{\left(\frac{Q_0-\frac{a}{b}}{C_p}\right)}^2=\frac{Q_0^2}{{2C}_p}{(1-\frac{a}{1+a})}^2---\left(11\right)$

【0052】方程(11)在方程(10)给定的时刻并且使用方程(6)和(8)求函数Q(t)的值。由于cos函数的角度被减小为0，因此计算被简化。方程(11)的结果给出了在放电周期后存在于装置C_p中的能量的总量的简化表达。以类似的方式，电感器和蓄电元件中的能量可以如下表述：

$E_{L1}=\frac{L_1{i}^2}{2}=\frac{L_1}{2}{\left(\frac{a}{\sqrt{{\mathrm{bL}}_1}}\right)}^2=\frac{a^2}{2b}=\frac{Q_0^2}{{2C}_p}\left(\frac{a}{1+a}\right)---\left(12\right)$

$E_{C1}=\frac{C_1{V_1}^2}{2}=\frac{{\mathrm{aC}}_p}{2}{\left(\frac{Q\left(t\right)}{{\mathrm{aC}}_p}\right)}^2=\frac{1}{2a{C}_p}{\left(\frac{a}{b}\right)}^2=\frac{Q_0^2}{{2C}_p}\frac{a}{{(1+a)}^2}---\left(13\right)$

【0053】为了测试这些计算的结果，人们可以对方程(11)-(13)中的每个能量项的阿尔法系数求和。能量守恒定律声明孤立系统的总能量始终恒定而无论系统内的变化。因此，图2中的简化电路的总能量将始终等于Q₀ ²除以2倍的理想电容C_p，同时全部预定因数的总和将为1。所述和表示如下：

${(1-\frac{a}{1+a})}^2+\left(\frac{a}{1+a}\right)+\frac{a}{{(1+a)}^2}={\left(\frac{1}{1+a}\right)}^2+\left(\frac{a(1+a)}{{(1+a)}^2}\right)+\frac{a}{{(1+a)}^2}=\frac{1+2a+a^2}{{(1+a)}^2}=1$

【0054】因此，清楚的是能量被保存并且方程11-13被校验精度。之前的结果可以用于估计组件尺寸和保存时间。也就是，本发明的方法可以用于计算当电感器电流的值期望达到峰值或目标值时的时刻并且人们可以之后意识到作为电感器电流的峰值被计算的值并且根据这些计算操作开关S1。

【0055】本领域技术人员应该意识到由于未考虑寄生损耗，因此这些结果是近似的。然而，通过恰当设计，寄生损耗可以被控制在可承受的程度内。下一步是寻找阿尔法的值。阿尔法的估计可以在注释对于大于10的阿尔法值，绝大多数能量被从压电电容器去除之后而获得。通过自电感器L1到蓄电元件C1的有效传递，人们可以认为E_cp≈E_c1，或者：

$\frac{C_p{V_p}^2}{2}=\frac{C_1{V_1}^2}{2}=\frac{{\mathrm{aC}}_p{V_1}^2}{2}---\left(14\right)$

【0056】这种关系隐含着能量保存给出了可行的最大电压的范围和目标电压的范围并且由于蓄电装置的固有压电电容和期望电容，设计考虑了基于此的约束。这由能量传输要求和由所述装置供电电子器件的可接受的下降电压而设置。例如，考虑具有80nF固有电容的装置和80mF电容器作为蓄电装置。如果压电装置产生30V输出，则每个周期产生36μJ；在5.5V下工作的80mF的电容器具有1.21J的能量并且因此将在33,000周期中充电。对于10Hz的标称频率，充电时间等于55分钟。

【0057】针对与电容器选择相关联的问题，下一步是考虑电感器选择。对于较大的阿尔法，人们从方程(10)中发现：

$t\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{L_1{C}_1}---\left(15\right)$

【0058】然而，这种关系由电感器饱和电流约束。本领域公知的是随着通过电感器的电流的增大，电感器的电感减小。这是由于芯材的电势物理特性。电感减小的程度是显著的：如果电感充分减小，则使用这种电感器的变换器可能不再正常工作。电感器在电路中不能恰当运行的电流是饱和电流，且该饱和电流是电感器的参数。因此，为了避免饱和约束，还必须满足：

$\frac{C_1{V}_1}{t}<i_s\&RightArrow;\frac{V_1\mathrm{\&pi;}}{2}\sqrt{\frac{C_1}{L_1}}<i_s$ $L_1>\frac{C_1}{{\left(\frac{{2i}_s}{V_1\mathrm{\&pi;}}\right)}^2}---\left(16\right)$

【0059】因此，任务变成一种针对给定压电电容和给定最大压电电压搜索满足方程(16)的约束的组件。例如，考虑80nF压电电容和30V输出。如果饱和电流是1.2A，则电感器必须至少为123μH以满足方程(16)。

【0060】本领域那些普通技术人员将从前述内容意识到具体时间关系可以经由计算建立，由此转换操作和时间可以基于被选择的组件值建立。然而，应该理解由于制造公差和其他考虑，具体电组件的数值存在变化，因此其他方法还可以被提供以确定转换操作何时应该被用于获得期望结果。

【0061】图3图表式地示出了用于执行能量转换的一般电路拓扑。用于执行能量转换的示例性的电路拓扑说明了能量换能模块和能量转换模块之间的开关控制。转换电路被分解为分割系统功能的五个任意模块。前三个能量换能模块、电压转换模块和传感Vmax/Imax控制模块组成电压转换器，虽然在本实施例中，所述电压转换器是单周期装置。使用降压变换器的说明表示了处于更高电势下的较小数量的电子器件被生产并且期望将这些电子器件转换成处于更低电势下的较大数量的电子器件。因此，示例性的装置可以用于具有能量转换的电势降低。图3中同样示出的能量存储和电压传递控制确定能量如何被使用和管理并且不要求转换。

【0062】如上所述，本发明的特定实施例的操作的显著方面是确定来自电容性电源例如来自压电装置的输出电压何时达到触发换能模块和电压转换模块之间的开关的值，从而开启和/或关闭。在这方面有效的电压传感装置的两个示例是阈值检测器和峰值检测器，所述阈值检测器可以构造为当压电装置上的电压超过特定或预定值时闭合开关S1，所述峰值检测器使用例如零交点检测器构造找到每个峰值。本领域那些普通技术人员将意识到存在其他控制器可以完成这种任务，包括但不限于电路、固态装置、模拟控制器、数字控制器及其组合。

【0063】图4示出了可以在执行特定实施例中使用的示例性的电压阈值检测器。在这种阈值检测器中，电阻器R1和R2构成电压分配器以作为运算放大器U2的一个输入端。电阻器R1和R2的值被选择以最小化经由电流到接地的损耗以及提供运算放大器U2的足够的输入范围。使用这种阈值检测器的一个设计处理的示例是选择通过由电阻器R1和R2构成的电压分配器网络的泄露电流处于乘以10安培的范围内并且在不高于29伏特的电压下并且在具有1.25V参考的最大公差限度下开始换能器块的电容性放电到运算放大器U2的反向输入端。

【0064】图4中所示的阈值比较器的操作如下。当进入运算放大器U2的正向(+)输入端的电压达到或超过进入反向(-)输入端的电压(阈值)时，运算放大器U2的输出端将数字控制信号引导到开关S1中，使得开关S1闭合。开关S1可以例如是固态开关装置。

【0065】通过开关S1的闭合，换能模块连接到电压转换模块，从而允许压电换能器1的电容性负载如前所述地放电到电感器L1中。相反地，当进入运算放大器U2的正向(+)输入端的电压降至低于阈值时，运算放大器U2的输出端降回到零。电容器C2、二极管D6和电阻器R6控制自运算放大器U2的输出端到开关S1的数字输入端的输入脉冲的形状，从而使得即使在运算放大器U2的输出降至零后仍存在指定的后滞。将意识到电容器C1是固态开关S1的寄生电容并且电阻器R6被选择使得开关S1和所述电阻器的RC时间常数引起开关S1的激励中的后滞或磁滞现象。这样，开关S1闭合并且仅在由来自运算放大器U2的整形输入脉冲设置的时间周期后才开启。电阻器R3、R4和R5用于控制运算放大器U2的磁滞带宽以避免影响输出状态的耦合噪声。

【0066】图5示出了可以在执行特定实施例中组合的示例性的电压峰值检测器和电压阈值检测器。阈值检测器包括运算放大器U4和用作包括运算放大器U3的峰值检测器的零交点检测器。

【0067】进入运算放大器U3的反向(-)输入端的信号来自由电阻器R9和电容器C4构成的公共模拟微分器的输出端。微分器的输入被选择为由电阻器R7和R8组成的分配器构成的电压。

【0068】分配器的输入端还用于运算放大器U4的正向(+)输入端，该正向输入端包括在阈值检测器中。图5中的阈值检测器的操作类似于图4中所述的阈值检测器，除了图5中的运算放大器U4驱动与门开关S2以外。

【0069】分配器调节电压从而使其不超过运算放大器U4的输入轨迹。运算放大器U4必须使用高值电阻器实现使自整流器网络3的输出端接地的电流最小化。内置参考V的量级将限制由电阻器R7、R8形成的分配器比率。电容器C4和电阻器R9的值被选择以使得RC时间常数在自换能模块输入到整流器网络3的最长周期的二十(20)倍范围内并且提供足够的频率带宽以在所要求的频率范围上任意操作。

【0070】包括运算放大器U3的峰值检测器被设计为寻找整流后的电压从增大变为减小的点，也就是，电压极值。通过对整流器网络3的输出进行微分并且使用该微分以寻找函数输出的极值，零交点检测器可以用于表示峰值。零交点检测器的输出通过逻辑AND运算符(开关S2)和阈值检测器的输出而组合，所述阈值检测器的输出约束整流后的信号上的电压电平。逻辑AND通过使用阈值检测器的输出作为开关S2的控制电压而完成。因此，构成开关S1的控制电压的零交点检测器输出仅在整流后的信号是足够的电压电平并且处于极值时才为逻辑真。当遇到这种情况时，运算放大器U3的输出电压用于控制开关S1的数字输入端，该数字输入端闭合开关S1并且连接换能模块和电压转换模块。

【0071】通过逻辑AND组合阈值检测器输出和零交点检测器的输出的原因是避免系统在不确定的情况下被锁定开启，例如那些可能在换能模块放电期间感应出的情况。此外，阈值情况的选择、运算放大器U4的磁滞带宽的恰当设计以及开关S1处的控制电压(二极管D8、电容器C3和电阻器R14)的形状允许将换能模块的放电特性变为电压转换模块的放电特性的设计控制。

【0072】应该从前述说明理解可以在不背离本发明的真实精神的情况下对本发明的实施例进行各种修改和变化。前述说明被提供的目的是仅用于说明并且不应该解释为限制意思。仅以下权利要求的语言应该限制本发明的范围。

Claims (23)

1.一种用于存储电容性电源释放的电能的方法，该方法包括：

在所述电源中构成电容性负载；

在所述电源的输出电压超过阈值并且被检测到达到峰值时，闭合在所述电容性电源和电压转换模块之间的开关；

在预定的时间周期后开启所述开关；

将所述电压转换模块内的电能从电感器传递到蓄电装置。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：

整流来自所述电源的电能。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述电能是全波整流的。

4.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：

将所述电源的输出电压与阈值相比较；

确定所述输出电压超过所述阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，该方法进一步包括：

当所述电源的所述输出电压超过所述阈值时，闭合第二开关；

检测所述电源的所述输出电压达到峰值；

当所述电源的所述输出电压被检测达到峰值时，通过闭合的所述第二开关发送信号，

通过所述第一开关接收指示闭合的所述信号。

6.根据权利要求5所述的方法，该方法进一步包括：

当所述电源的输出电压减小至低于所述阈值的值时，开启所述第二开关。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二开关在所述第一开关被开启前开启。

8.一种用于存储电容性电源释放的电能的方法，该方法包括：

在所述电源中构成电容性负载；

在所述电源的输出电压被确定为超过阈值后，闭合在所述电容性电源和电压转换模块之间的开关；

当通过所述电压转换模块的电感器的电流被确定为达到目标值时，开启所述开关；以及

将所述电压转换模块内的电能自所述电感器传递到蓄电装置。

9.根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括：

整流来自所述电源的电能。

10.根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括：

将所述电感器电流的值与第二参考值相比较；以及

当所述电感器电流的值大于所述第二参考值时，确定通过所述电感器的电流达到所述目标值。

11.根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括：

计算当所述电感器电流的值期望达到所述目标值时的时间；以及

确定通过所述电感器的电流在计算时间达到所述目标值。

12.一种用于存储电容性电源释放的电能的设备，该设备包括：

配置为产生输出电压的电容性电源；

连接到所述电源的开关；

连接到所述开关的电感器；

连接到所述电感器的蓄电装置；以及

控制器，该控制器配置为在所述电源的输出电压超过阈值并且被检测到达到峰值后闭合所述开关。

13.根据权利要求12所述的设备，该设备进一步包括：

连接在所述能量源和所述开关之间的整流器。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述整流器是全波整流器。

15.根据权利要求12所述的设备，其中所述电容性电源是压电换能器。

16.根据权利要求12所述的设备，其中所述电容性电源是电容器。

17.根据权利要求12所述的设备，其中所述蓄电装置是电容器。

18.根据权利要求12所述的设备，其中所述蓄电装置是可充电电池。

19.根据权利要求12所述的设备，其中所述控制器包括：

电压阈值检测器，其被配置为检测所述电源的所述输出电压的阈值；以及

电压峰值检测器，其被配置为检测所述电源的所述输出电压的峰值。

20.根据权利要求12所述的设备，其中所述电感器具有大于的值，其中C₁是所述蓄电装置的电容值，i_s是所述电感器的饱和电流，并且V₁是所述电能源的最大电压输出值。

21.根据权利要求12所述的设备，该设备进一步包括：

并联连接在所述电感器和所述蓄电装置两端的二极管。

22.一种用于存储电容性电源释放的电能的设备，该设备包括：

配置为与电容性电源连接的电源连接，所述电容性电源被配置为产生输出电压；

连接到所述电源连接的开关；

连接到所述开关的电感器；

连接到所述电感器的蓄电装置；以及

控制器，该控制器被配置为在所述电源的输出电压超过阈值后并且当所述电源的所述输出电压被检测到达到峰值时闭合所述开关。

23.一种用于存储压电换能器释放的电能的设备，该设备包括：

所述压电换能器；

连接到所述压电换能器的开关；

连接到所述开关的电感器；

连接到所述电感器的蓄电装置；以及

控制器，该控制器被配置为在所述压电换能器的输出电压超过阈值后并且当所述压电换能器的所述输出电压被检测到达到峰值时闭合所述开关。

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