CN103337898B - 一种基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路。它包括有热发电模块（1）、振动发电模块（2）、并联接口模块（3）、能量瞬时释放模块（4）和稳压模块（5），热发电模块（1）和振动发电模块（2）产生的电能输送至并联接口模块（3），并联接口模块（3）暂时储存电能，经能量瞬时释放模块（4）的阀值控制后，传送至稳压模块（5）升压，供给负载，负载两端还接有电池供电模块（6）。本发明具的优点是：供给负载的能量稳定，且延长了电池的工作寿命。

Description

一种基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路

技术领域

本发明属于微能量收集技术领域，具体涉及一种基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路。

背景技术

目前，无线传感器网络技术广泛应用于环境监测、生物医学、军事活动以及居民生活等领域。体积小、低功耗的无线传感器节点是无线传感器网络的基本组成部分，但是由于自身携带的电池工作能量寿命有限，无法长时间地驱动无线传感器节点，频繁的电池维护使成本大大增加，甚至在某些特殊的应用场景如结构健康检测、医疗植入式器件等不可能替换电池，所以传统的电池供电已经成为无线传感器网络技术发展的瓶颈问题，而收集微弱的环境能量并转化为电能为无线传感器节点供电成为一种有效的方式，近年来微能量收集技术已成为国内外学者研究的热点。

自然环境中充满了大量的环境能量，主要能源有太阳能、热能、风能、电磁能以及振动能等。这些环境能量具有可以直接开发和利用、无需开采和运输等优点，因此收集环境能量为人类服务具有很大的现实意义。由于热能、振动能在任何环境下都普遍存在，尤其在人类活动的场所中，热能和振动能储备较为丰富，因此收集热能和振动能量为无线传感器节点等微功耗设备供能具有重要的意义。

热能是所有自然环境资源中储量较为丰富的可再生资源之一，也是目前研究中较为广泛的能源之一，具有免维护、无需复杂的机械移动等优点，它的开发和利用仍具有广阔的潜力。

振动能是一种广泛存在的能量形式，在许多人类难以工作的环境下也存在丰富的振动能，特别是广泛存在于汽车、飞机、桥梁等大型机械的场合中，因此研究振动能收集技术具有普遍意义，受到了学术界和工业界的关心和重视，现在已经有许多科研单位已经投入到振动能量的收集和利用中。

由于受环境因素以及能量收集器自身体积等制约，能量收集器从环境中收集的总能量不高，而且可利用的热能具有不稳定性，同时振动能量也具有随机性，无法持续为负载供能，因此采用单一形式的能量收集方式在特殊情况下无法有效地完成传感器节点供能，具有不稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于热能和振动能的复合式能量收集微电源电路，它既能延长电池的工作寿命，又能克服单一形式的能量收集方式造成供给负载的能量不稳定。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，包括有热发电模块、振动发电模块、并联接口模块、能量瞬时释放模块和稳压模块，热发电模块和振动发电模块产生的电能输送至并联接口模块，并联接口模块暂时储存电能，经能量瞬时释放模块的阀值控制后，传送至稳压模块升压，供给负载，负载两端还接有电池供电模块；

所述热发电模块包括热电偶和升压变换器，其中，升压变换器包括小型升压变压器T₁和DC/DC转换器LTC3108，热电偶输出端经滤波电容C1后一端连接小型升压变压器T₁原边一个端，小型升压变压器T₁原边另一端连接LTC3108的SW引脚，小型升压变压器T₁副边输出端经外部充电电容器C2、C3后连接LTC3108的C1、C2引脚，小型升压变压器T₁副边另一端接地，LTC3108的VS₂引脚与V_AUX引脚连接后通过电容C₄接地，LTC3108的V_OUT引脚连接并联接口模块第一输入端；

所述振动发电模块包括振动换能器、整流电路和阻抗匹配电路，振动换能器输出端连接整流电路的两输入端，整流电路的正极端连接阻抗匹配电路的输入端，整流电路的负极端接地，阻抗匹配电路的输出端连接并联接口模块第二输入端；

并联接口模块包括两个并联的二极管D₁、D₉和超级电容，两个二极管的正极作为第一输入端和第二输入端分别连接热发电模块、振动发电模块的输入端，两个二极管的负极并接在一起连接超级电容的高电位端，超级电容的低电位端接地，超级电容的高电位端为输出端。

电池供电模块在瞬时释放模块停止供电期间给负载供电。

由于本发明有热发电模块进行热电转化利用，振动发电模块对振动能转化为电能进行储存利用，同时还拥有电池供电模块给供电，这样为负载提供了连续不断的能量，同时由于本发明由多电源向负载供电，延长了电池的工作寿命。所以本发明具有如下的优点：供给负载的能量稳定，且延长了电池的工作寿命。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的热发电模块的电路图；

图3为本发明的振动发电模块的电路图；

图4为本发明的整体电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的构思是：热能收集模块中热电偶与升压变换器之间电路连接，热电偶将环境中的热能转化为电能，通过升压变换器将输出的低电压升高；振动能收集模块中振动换能器与桥式整流电路之间电路连接，桥式整流电路与阻抗匹配电路之间电路连接，阻抗匹配电路中的DC-DC变换器的开关导通与关断由方波发生电路来控制，DC-DC变换器与方波发生电路之间电路连接；并联接口电路中通过两个并联二极管将热能收集模块、振动能收集模块连接起来，然后与超级电容之间电路连接，将转化的电能存储在超级电容中；超级电容与能量瞬时释放模块之间电路连接，控制超级电容释放能量的时机；能量瞬时释放模块与稳压模块之间电路连接，将超级电容的电压进行升压后供给负载；电池供电模块与负载之间电路连接，由能量瞬时释放模块的迟滞电压比较器的输出控制该模块与负载之间的导通、关断。

如图1所示，本发明包括有热发电模块1、振动发电模块2、并联接口模块3、能量瞬时释放模块4和稳压模块5，热发电模块1和振动发电模块2产生的电能输送至并联接口模块3，并联接口模块3暂时储存电能，经能量瞬时释放模块4的阀值控制后，传送至稳压模块5升压，供给负载，负载两端还接有电池供电模块6。

如图2所示，热发电模块包括热电偶11和升压变换器12，其中，升压变换器12包括小型升压变压器T₁和DC/DC转换器LTC3108，热电偶11输出端经滤波电容C1后一端连接小型升压变压器T₁原边一个端，小型升压变压器T₁原边另一端连接LTC3108的SW引脚，小型升压变压器T₁副边输出端经外部充电电容器C2、C3后连接LTC3108的C1、C2引脚，小型升压变压器T₁副边另一端接地，LTC3108的VS₂引脚与V_AUX引脚连接后通过电容C₄接地，LTC3108的V_OUT引脚连接并联接口模块3第一输入端。

所述热电偶11采用TE cooler公司成产的TEC1-12709产品，其特征参数为在温差为30℃时，其输出电压为0.287V，输出电流为97mA，输出功率为27.839mW；LTC3108是一款高度集成的DC/DC转换器，非常适合于收集和管理来自诸如TEG(热电发生器)、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量。LTC3108所采用的升压型拓扑结构可在输入电压低至20mV的情况下正常运作，将电压提升到2.5V为超级电容充电。当环境温差只有几度时，热电偶的的输出电压比较小，小到20mV甚至更低，因此LTC3108采用一个小型升压变换器T₁来提高LTC3108的输入电压源，小型升压变压器T₁采用凌特公司生产的Coilcraft变压器，型号为LPR6235，线圈匝数比为1:50。

如图3所示，振动发电模块2包括振动换能器21、整流电路22和阻抗匹配电路23，振动换能器21输出端连接整流电路22的两输入端，整流电路22的正极端连接阻抗匹配电路23的输入端，整流电路22的负极端接地，阻抗匹配电路23的输出端连接并联接口模块3第二输入端。

振动换能器21采用Mide Technology Corporation公司成产的PEH25W型号的压电换能器，其共振频率可以在60Hz-140Hz之间，最佳阻抗为20KΩ；整流电路22采用传统桥式整流电路，阻抗匹配电路23是为了解决由于振动换能器的输出阻抗比较大，而负载的阻抗比较小，二者阻抗不匹配导致振动换能器输出功率减小的问题。整流电路22正极端连接阻抗匹配电路23的电感L₁，电感L₁与NMOS开关NM₁连接，NMOS开关NM₁的导通与关断由方波振荡器产生的方波信号来实现；在电感与开关NM₁之间连接二极管D₆，在二极管D₆后接串联电阻R₉和R₁₀后接地；在电阻R₉和R₁₀之间与迟滞电压比较器MAX9119的同相输入端相连，在迟滞电压比较器MAX9119输出端与同相输入端之间接入反馈电阻R₈，在迟滞电压比较器MAX9119输出端与反相输入端增加由二极管D₇、D₈、R₆、R₇、C₅组成的积分电路，其中D₇与R₆串联、D₈与R₇串联后连接在输出端与反相输入端之间，电容C₅正端与反相输入端连接，另一端接地。

阻抗匹配电路的原理：

由振荡器产生的方波信号来控制处于DCM模式的DC-DC变换器来实现，阻抗匹配电路的等效输入电阻R_in为：

$R_{\mathrm{in}}=\frac{V_{\mathrm{rect}}}{\frac{1}{T_S}{\∫}_0^{D_S{T}_S}{I}_L\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{rect}}}{\frac{1}{T_S}{\∫}_0^{D_S{T}_S}\frac{V_{\mathrm{rect}}}{L}\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{rect}}}{\frac{1}{T_S}\frac{V_{\mathrm{rect}}}{L}\frac{{\left(D_S{T}_S\right)}^2}{2}}=\frac{2L}{D_S^2{T}_S}---\left(1\right)$

其中L为电感L₁的电感量，T_S为开关管NM₁的工作周期，D_S为开关管NM₁的占空比，V_rect为振动换能器整流后的电压。

由公式(1)可以得到，等效输入电阻R_in与方波信号的关系式为：

$R_{\mathrm{in}}=\frac{2L}{D_S^2{T}_S}---\left(2\right)$

由公式(2)可以推导出，振荡信号的最佳占空比为：

$D_S=\sqrt{\frac{2L}{R_{\mathrm{in}}{T}_S}}---\left(3\right)$

开关NM₁的导通与关断可以由占空比可调的方波发生电路来控制，其原理是在迟滞电压比较器MAX9119的反相端，添加由R、C组成的积分电路，其作用是将输出电压由R、C反馈到迟滞电压比较器MAX9119的反相端。只需要适当改变电容C的正、反向充电时间常数，即选取R₆/R₇的比值不同就可以改变占空比。忽略二极管的正向导通电阻，此时的迟滞电压比较器MAX9119产生的振荡周期和占空比大约分别为：

$T=(R_6+R_7)C_5\ln (1+2\frac{R_6}{R_7})---\left(4\right)$

$D\≈\frac{R_6}{R_7}---\left(5\right)$

令该方波产生电路的占空比D与最佳占空比D_S一致时，迟滞电压比较器MAX9119产生的方波信号实现对NM₁的控制，从而实现了阻抗匹配。

如图4所示，并联接口模块3包括两个并联的二极管D₁、D₉和超级电容，两个二极管的正极作为第一输入端和第二输入端分别连接热发电模块1、振动发电模块2的输入端，两个二极管的负极并接在一起连接超级电容的高电位端，超级电容的低电位端接地，超级电容的高电位端为输出端。

并联接口模块3通过并联二极管将热发电模块1和振动发电模块2连接起来，把收集获得的电能存储在超级电容中，实现了复合式能量收集与存储。

如图4所示，能量瞬时释放模块4包括带有内置基准电压的迟滞电压比较器MAX9064和两个MOS开关元件NM₂、PM₁，电阻R₁₁与电阻R₁₂串联的高电位端连接并联接口模块3的输出端，电阻R₁₁与电阻R₁₂串联的低电位端接地，电阻R₁₁与电阻R₁₂的分压输出端连接迟滞电压比较器的同相输入端，迟滞电压比较器的输出端连接反馈电阻R₁₃，迟滞电压比较器的输出端连接MOS开关NM₂的栅极，MOS开关NM₂的漏极接地、源极连接MOS开关PM₁的栅极，MOS开关PM₁的源极连接并联接口模块3的超级电容的高电位端、漏极作为连接稳压模块5的输出端。

上述MOS开关元件NM₂、PM₁构成符合开关电路，当迟滞电压比较器的输出端电压升高，NM₂导通，PM₁栅极的电位降低，PM₁导通；反之，迟滞电压比较器的输出端电压变低，NM₂关断，PM₁栅极的电位升高，PM₁关断。

如图4所示，稳压模块5包括升压变换器LTC3525-3、电感L2和稳压电容C7，能量瞬时释放模块4的输出端连接升压变换器LTC3525-3的输入引脚VIN和启动引脚SHDN，在引脚VIN与SW之间连接电感L₂，输出引脚V_OUT经稳压电容C7连接负载。

当迟滞电压比较器MAX9064检测到超级电容中电压达到放电高阈值电压2V时，迟滞电压比较器输出高电平控制开关NM₂与PM₁导通，使升压变换器LTC3525-3与超级电容连通，将超级电容的电压升高到3V，此时超级电容放电为负载供能；当迟滞电压比较器检测到超级电容中电压下降到低阈值电压1V时，迟滞比较器输出低电平控制MOS开关关断，此时升压变换器LTC3525-3与超级电容断开连接，超级电容停止为负载供电。

超级电容的电容量C＝33mF，此时超级电容释放的能量为：

$E_{\mathrm{SC}}=\frac{1}{2}{\mathrm{C\ΔU}}^2=\frac{1}{2}\×33\×(2^2-1)=49.5\mathrm{mJ}---\left(6\right)$

如图4所示，电池供电模块6包括锂电池和MOS开关元件PM₂，PM₂的栅极连接能量瞬时释放模块4迟滞电压比较器的输出端，漏极连接负载正极，源极连接锂电池正极。

当超级电容还没达到放电高阈值电压时，即迟滞电压比较器的输出端为低电位时，此时MOS开关元件PM₂导通，锂电池通过MOS开关元件PM₂向负载供电。

Claims (4)

1.一种基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路，包括有热发电模块(1)、振动发电模块(2)、并联接口模块(3)、能量瞬时释放模块(4)和稳压模块(5)，其特征是：热发电模块(1)和振动发电模块(2)产生的电能输送至并联接口模块(3)，并联接口模块(3)暂时储存电能，经能量瞬时释放模块(4)的阀值控制后，传送至稳压模块(5)升压，供给负载，负载两端还接有电池供电模块(6)；

所述热发电模块(1)包括热电偶(11)和升压变换器(12)，其中，升压变换器(12)包括小型升压变压器T₁和DC/DC转换器LTC3108，热电偶(11)输出端经滤波电容C1后一端连接小型升压变压器T₁原边一个端，小型升压变压器T₁原边另一端连接LTC3108的SW引脚，小型升压变压器T₁副边输出端经外部充电电容器C2、C3后连接LTC3108的C1、C2引脚，小型升压变压器T₁副边另一端接地，LTC3108的VS₂引脚与V_AUX引脚连接后通过电容C₄接地，LTC3108的V_OUT引脚连接并联接口模块(3)第一输入端；

所述振动发电模块(2)包括振动换能器(21)、整流电路(22)和阻抗匹配电路(23)，振动换能器(21)输出端连接整流电路(22)的两输入端，整流电路(22)的正极端连接阻抗匹配电路(23)的输入端，整流电路(22)的负极端接地，阻抗匹配电路(23)的输出端连接并联接口模块(3)第二输入端；

所述并联接口模块(3)包括两个并联的二极管D₁、D₉和超级电容，两个二极管的正极作为第一输入端和第二输入端分别连接热发电模块(1)、振动发电模块(2)的输入端，两个二极管的负极并接在一起连接超级电容的高电位端，超级电容的低电位端接地，超级电容的高电位端为输出端。

2.根据权利要求1所述的基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路，其特征是：能量瞬时释放模块(4)包括带有内置基准电压的迟滞电压比较器MAX9064和两个MOS开关元件NM₂、PM₁，电阻R₁₁与电阻R₁₂串联的高电位端连接并联接口模块(3)的输出端，电阻R₁₁与电阻R₁₂串联的低电位端接地，电阻R₁₁与电阻R₁₂的分压输出端连接迟滞电压比较器的同相输入端，迟滞电压比较器的输出端连接反馈电阻R₁₃，迟滞电压比较器的输出端连接MOS开关NM₂的栅极，MOS开关NM₂的漏极接地、源极连接MOS开关PM₁的栅极，MOS开关PM₁的源极连接并联接口模块(3)的超级电容的高电位端、漏极作为连接稳压模块(5)的输出端。

3.根据权利要求2所述的基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路，其特征是：稳压模块(5)包括升压变换器LTC3525-3、电感L2和稳压电容C7，能量瞬时释放模块(4)的输出端连接升压变换器LTC3525-3的输入引脚VIN和启动引脚SHDN，在引脚VIN与SW之间连接电感L₂，输出引脚V_OUT经稳压电容C7连接负载。

4.根据权利要求3所述的基于热能与振动能的复合式能量收集微电源电路，其特征是：电池供电模块(6)包括锂电池和MOS开关元件PM₂，PM₂的栅极连接能量瞬时释放模块(4)迟滞电压比较器的输出端，漏极连接负载正极，源极连接锂电池正极。