CN104242653B

CN104242653B - 容性电荷存储释放模块及其充放电方法

Info

Publication number: CN104242653B
Application number: CN201310226121.3A
Authority: CN
Inventors: 张学峰; 胡胜发
Original assignee: Anyka Guangzhou Microelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Ankai Microelectronics Co.,Ltd.
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: CN104242653A

Abstract

本发明提供了一种容性电荷存储释放模块及其充放电方法，该模块包括，能量转化单元，用于将不同形式的可再生能源转化成电能；容性电荷存储释放单元组，用于存储和释放所述能量转化单元转化得到的电能；检测单元，用于检测所述容性电荷存储释放单元组的电压；第一控制单元，用于控制所述容性电荷存储释放模块存储电能模式和释放电能的模式转换。该容性电荷存储释放模块及其充放电方法能够随时为蓄能装置充电，减少了便携设备因其蓄能装置电能耗尽而不能正常使用的几率，给便携设备持有者带来了很大的便利。

Description

容性电荷存储释放模块及其充放电方法

技术领域

本发明涉及充放电技术领域，尤其涉及一种容性电荷存储释放模块及其充放电方法。

背景技术

随着科学技术尤其电子技术的发展，便携设备越来越多。便携设备由于其方便携带，能够使持有者在很多场合下（如路途上）均可以使用，具有很大的便利性。

通常便携设备工作时需要有一蓄能装置如电池为其提供电能。当便携设备上的蓄能装置的能量不足时，需要连接适配器并接上220V的交流电对该蓄能装置充电。但是，当便携设备上的蓄能装置上的能量耗尽而不能及时给予充电的情况发生时，该便携设备就会因为其蓄能装置的能量耗尽而不能正常使用，给便携设备持有者带来很大不便。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种容性电荷存储释放模块及其充放电方法，以解决上述由于蓄能装置能量耗尽时不能及时充电而造成的便携设备不能正常使用的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种容性电荷存储释放模块，包括，

能量转化单元，用于将不同形式的可再生能源转化成电能；

容性电荷存储释放单元组，用于存储和释放所述能量转化单元转化得到的电能；

检测单元，用于检测所述容性电荷存储释放单元组的电压或电量；

第一控制单元，用于控制所述容性电荷存储释放模块存储电能模式和释放电能的模式的转换。

优选的，所述容性电荷存储释放单元组至少为两个，所述模块还包括，

第二控制单元，用于控制开关在各个所述容性电荷存储释放单元组之间的切换。

优选的，所述容性电荷存储释放单元组由m个容性电荷存储单元并联而成，所述容性电荷存储单元包括n个容性电荷存储体，当所述容性电荷存储释放模块处于存储电能模式时，n个所述容性电荷存储体为并联连接，当所述容性电荷存储释放模块处于释放电能模式时，n个所述容性电荷存储体为串联连接，其中，m、n为不小于2的整数。

优选的，所述不同形式的可再生能源包括机械能、太阳能、热能和化学能。

优选的，所述不同形式的可再生能源为动能和/或势能，所述能量转化单元是由压电材料组成的能量转化单元。

一种容性电荷存储释放模块的充放电方法，包括，

将不同形式的可再生能源转化成电能；

将转化成的电能存储在所述容性电荷存储释放单元组上；

检测所述容性电荷存储释放单元组上的电压；

判断所述电压是否满足预定条件，如果是，所述容性电荷存储释放单元组转换成释放电能模式，向外输出电能。

优选的，所述容性电荷存储释放单元组转换成释放电能模式，向外输出电能之后，还包括，

判断输出电能后的所述容性电荷存储释放单元组上的电压是否满足预定要求，如果否，所述容性电荷存储释放单元组转换成存储电能模式。

优选的，所述判断输出电能后的所述容性电荷存储释放单元组上的电压是否满足预定要求，还包括，如果是，所述容性电荷存储释放单元组保持在释放电能模式。

优选的，所述容性电荷存储释放模块包括至少两个所述容性电荷存储释放单元组，所述将转化成的电能存储在所述容性电荷存储释放单元组上，具体包括，

将转化来的电能存储在一个容性电荷存储释放单元组上；

确定所述容性电荷存储释放单元组上的电压达到饱和后，将转化来的电能存储在另一个容性电荷存储释放单元组上。

优选的，所述容性电荷存储释放模块包括至少两个所述容性电荷存储释放单元组，当存在至少一个所述容性电荷存储释放单元组上的电压达到饱和，并且至少一个所述容性电荷存储释放单元组上的电压未达到饱和时，则，至少一个电压达到饱和的所述容性电荷存储释放单元组处于释放电能模式，电压未达到饱和的一个所述容性电荷存储释放单元组处于存储电能模式。

本发明的容性电荷存储释放模块中的能量转化单元能够随时将不同形式的可再生能源转化成电能，然后转化得来的这些微弱的电能存储在容性电荷存储释放单元组上。当存储在容性电荷存储释放单元组上的电量积累到一定程度，检测单元检测到容性电荷存储释放单元组上的电压或电量，当该检测到的电压或电量达到预定条件后，第一控制单元将该容性电荷存储释放单元组转换成释放电能模式。当该模块安装在便携设备内部时，其释放出的电能能够对该便携设备的蓄能装置充电，使其能够及时补充电能，进而供便携设备所用。该容性电荷存储释放模块及其充放电方法能够及时为蓄能装置充电，减少了便携设备因其蓄能装置电能耗尽而不能正常使用的几率，给便携设备持有者带来了很大的便利。

附图说明

为了清楚地理解本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 是本发明的容性电荷存储释放模块的结构示意图；

图2 是本发明的容性电荷存储单元的电路示意图；

图3 是本发明的容性电荷存储单元组并联的电路示意图；

图4 是本发明的L个容性电荷存储单元组并联的电路示意图；

图5 是本发明的容性电荷存储释放模块的充放电方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

当前，便携设备由于其便利性越发引起广泛的应用，但是由于其蓄能装置充电过程需要连接适配器并接上220V的交流电来完成。当便携设备的蓄能装置的电能耗尽需要充电时，但是此时当该便携设备处于被移动的状态，其周边环境有可能不能提供上述所述的充电条件而不能及时充电，这样就有可能出现由于蓄能装置的电能耗尽而使得便携设备不能正常运行的情况，给便携设备持有者造成很大不便。

在当今世界性能源危机的形式下，寻找绿色能源和可再生能源以取代传统能源，已成为最重要的研究领域。其中，能源转化技术和能源存储技术是解决能源问题的两大核心技术。

发明人经过研究发现，便携设备经常处于一种被移动的状态，其相对位置经常发生变化，在便携设备被移动时，该便携设备能够收集不同形式的可再生能源，该可再生能源包括但不限于机械能、太阳能、热能以及化学能等等。如果将这些不同形式的可再生能源通过相应的机制将其转化成电能，虽然该转化得到的电能很小，可以将这些微弱的电能先存储在一个能量存储装置上，这样逐渐积攒，最终该能量存储装置上存储的电能足够达到给便携设备充电的条件，此时，该能量存储设备放电，输出的电能可以用于便携设备的充电。

基于上述发明构思，本发明提供了一种容性电荷存储释放模块，如图1所示，该容性电荷存储释放模块包括能量转化单元01、容性电荷存储释放单元组02、检测单元03和第一控制单元04。

其中，能量转化单元01用于将不同形式的可再生能源转化成电能。由于便携设备多数情况下处于相对位置经常发生变化的状态，这种由于相对位置的变化会产生机械能（包括动能和/或势能），再利用这些机械能可以驱动压电材料产生微弱的电能。因此，本发明实施例的能量转化单元01可以为由压电材料组成的能量转化单元。具体地说，优选采用非对称质量元件吸收便携设备微小的位移变化过程中的产生的机械能，该机械能包括动能和/或势能，然后利用该机械能驱动压电材料产生微弱电能。当然，该能量转化单元01还可以为利用其他机制（如切割磁场线产生电流）产生电能。本实施例所说的可再生能源的形式还可以为太阳能、热能和化学能。相应的机制为：机械能带动导线切割磁场内的磁力线产生电流，这部分电流可以用于给容性存储单元充电。太阳能主要是利用“光生伏特效应”把太阳能转换为电能给容性存储单元充电。热能主要是利用“温差电效应“把热能转化为电能给容性存储单元充电。化学能比如铅酸溶液可以把化学能转化为电能给容性存储单元充电。

容性电荷存储释放单元组02用于存储和释放能量转化单元01转化得到的电能。由于能量转化单元01转化生成的电能非常微弱，不能直接为便携设备的蓄能装置充电。因而，由能量转化单元01转化得到的能量先存储在容性电荷存储释放单元组02上。当检测单元03检测到该容性电荷存储释放单元组02的电压达到预定条件时，即容性电荷存储释放单元组02两端的电压达到或超过蓄能装置充电要求达到的电压时，第一控制单元04将容性电荷存储释放单元组02由存储电能模式（即充电模式）转换为释放电能模式（即放电模式）。从上述描述中可以看出，检测单元03用于检测容性电荷存储释放单元组02的电压，第一控制单元04用于控制容性电荷存储释放单元组02在存储电能模式（即充电模式）和释放电能模式（即放电模式）之间的转换。

该容性电荷存储释放模块利用其能量转化单元01可以将不同形式的可再生能源转化生成电能，并将该微弱电能存储积累在容性电荷存储释放单元组上02，当该容性电荷存储释放单元组上的电压达到预定条件时，该存储的电能可以向外释放，用于为蓄能装置的充电或其它用途。可见，该容性电荷存储释放模块可以利用外界可再生能源而不依赖于固定的交流电源，可以随时存储电能，并达到预定条件后能够向外输出电能。该容性电荷存储释放模块能够随时为蓄能装置充电，减少了便携设备因其蓄能装置电能耗尽而不能正常使用的几率，给便携设备持有者带来了很大的便利。并且，由于该模块利用的能源为可再生能源，并且不会产生“三废”，因此该模块为绿色环保设备，能够节约不可再生能源。

为了清楚地理解本发明实施例中的容性电荷存储释放单元组的工作原理，即如何将微弱的电能积累到能够为蓄能装置充电的电能，以及如何实现充放电的过程，下面结合图2至图4进行详细描述。

图2清楚地表示出本实施例的容性电荷存储单元的电路示意图。图2示出的容性电荷存储单元包括n个容性电荷存储体。该容性电荷存储单元的工作原理如下：

第一控制单元04（图2中未示出）切换控制开关闭合到K1处，实现n个容性电荷存储体的并联，能量转化单元01的输出端与容性电荷存储单元的输入端VIN+和VIN-连接，由能量转化单元01转化而来的电能通过输入端VIN+和VIN-存储在这n个容性电荷存储体上，直到该n个容性电荷存储体达到其最大容纳的电量（满充状态）。本实施例设定每个容性电荷存储体上的电容为c，每个容性电荷存储体达到最大容纳电量即满充状态时，容性电荷存储体上的电压为V_f，则每个容性电荷存储体上的电量q=c*V_f，整个容性电荷存储单元存储的电量为q=c*V_f*n。

当容性电荷存储单元达到满充状态后，第一控制单元04切换控制开关闭合到Kz处，此时，上述所述的n个容性电荷存储体变为串联连接，这样在容性电荷存储单元的输出端Vout+和Vout-就能得到电压值为n*V_f的输出电压Vout。

从上述所述的容性电荷存储单元的工作原理可以得出，当该容性电荷存储单元在存储电能（充电）时，这n个容性电荷存储体为并联连接，这样由能量转化单元01转化而来的电能可以为每个容性电荷存储体充电，且每个容性电荷存储体上均可以得到与能量转化单元01的输出电压值相同的电压；当该容性电荷存储单元在释放电能（放电）时，这n个容性电荷存储体为串联连接，这样输出的电压值为各个容性电荷存储体上的电压之和。该容性电荷存储单元的各个容性电荷存储体的连接方式随着其存储电荷模式（充电模式）和释放电荷模式（放电模式）的切换而在并联和串联之间切换，这样不仅能够提高容性电荷存储单元的存储电能的能力，而且也能够提高该容性电荷存储单元释放电能的能力，通过上述所述的容性电荷存储单元，能够实现收集存储微弱电能，输出较大电能的发明目的。

为了提高容性电荷存储释放模块的存储和释放电能的能力，本实施例可以将m个上述所述的容性电荷存储单元并联连接构成一个容性电荷存储单元组。图3是本发明实施例的一个容性电荷存单元组的电路示意图。该容性电荷存储单元组由m个容性电荷存储单元并联而成。其工作原理与单个容性电荷存储单元的工作原理基本相同，具体如下，

第一控制单元04（图3中未示出）切换控制开关闭合到K1处，实现m个容性电荷存储释放单元的并联，即实现n*m个容性电荷存储体的并联，能量转化单元01的输出端与容性电荷存储单元组的输入端VIN+和VIN-连接，由能量转化单元01转化而来的电能通过输入端VIN+和VIN-存储在这n*m个容性电荷存储体上，这种存储电能的过程一直持续到该n*m个容性电荷存储体达到其最大容纳的电量（满充状态）。根据上述单个容性电荷存储单元的设定，该整个容性电荷存储单元组存储的电量为q=c*V_f*n*m。

当该单元组放电时，第一控制单元04将切换开关闭合至Kz处，实现了该单元组内的所有单个存储体的串联，此时，该单元组向外输出的电压为所有存储体上的电压之和，即输出电压Vout=Vf*n*m。

可见，这种将多个容性电荷存储单元并联连接不仅能够提高容性电荷存储电量的能力，而且可以能够提高容性电荷存储单元组的输出电压Vout。

进一步地，该容性电荷存储释放模块可以包括一个容性电荷存储释放单元组02也可以包括多个。当容性电荷存储释放单元组02为多个时，该多个容性电荷存储释放单元组02采用并联的方式连接，如图4所示。图4示例出该容性电荷存储释放模块包括L个并联的容性电荷存储释放单元组，L为不小于2的整数。每个容性电荷存储释放单元组两端的电压是相同的。但是多个容性电荷存储释放单元组02并联后再将其连接输出端，这样输出端得到的输出电流极为单元组并联后的电流，这种结构可以使容性电荷存储释放模块输出的电流增大，当某些蓄能装置的充电对电流有要求时，可以通过多个容性电荷存储释放单元组02的并联使模块的输出电流能够达到某些蓄能装置充电对电流的要求。

另一方面，多个容性电荷存储释放单元组02并联，该多个容性电荷存储释放单元组02能够提高模块容纳电量的能力。当这L个容性电荷存储释放单元组均充满电时，该容性电荷存储释放模块存储的电量Q=c*V_f*n*m*L。而且这多个并联的容性电荷存储释放单元组中的任意一个均可以独立工作，即其中一个容性电荷存储释放单元组在存储电能（充电）的同时，另外一个容性电荷存储释放单元组可以对外输出电能（放电）。这种多个容性电荷存储释放单元组并联结构能够实现充分收集和存储能量转化单元转化生成的电能。

需要说明的是，当容性电荷存储释放模块包括至少两个容性电荷存储释放单元组时，该模块还包括第二控制单元，该第二控制单元用于控制开关在各个所述容性电荷存储释放单元组之间的切换。

此外，本实施例所述的n、m、L的选取可以根据需要进行选择，例如根据便携设备的蓄能装置的参数来选取n、m、L的值。

以上为本发明实施例的容性电荷存储释放模块的结构及其工作原理。下面对该容性电荷存储释放模块的充放电方法进行描述。

结合图5，图5是容性电荷存储释放模块的充放电方法流程图。该充放电方法包括以下步骤：

S51、能量转化单元将机械能转化成电能：

便携设备多数情况下处于被移动的状态，如便携设备持有者在乘车、跑步或走路时，均会使便携设备的相对位置发生变化，这种相对位置的变化会产生一定量的机械能（动能和/或势能），由压电材料制成的能量转化单元将这些机械能转化成电能。

需要说明的是，本实施例的能量转化单元除了通过压电材料实现将机械能转化成电能外，还可以通过其它机制将太阳能、热能或化学能等不同形式的可再生能源转化成电能。

S52、将转化生成的电能存储在容性电荷存储释放单元组上：

能量转化单元01的输出端与容性电荷存储释放单元组02的输入端相连接，由能量转化单元01转化生成电能通过容性电荷存储释放单元组的输入端存储在容性电荷存储释放单元组上。

需要说明的是，一般情况下，容性电荷存储释放单元组处于非满充状态，此时，由能量转化单元01转化生成的电能可以直接存储在该容性电荷存储释放单元组上。但是，在特定情况下，容性电荷存储释放单元组处于满充状态，此时，转化生成的电能不能存储在该容性电荷存储释放单元组上。

当容性电荷存储释放模块包括至少两个容性电荷存储释放单元组时，能量转化单元01转化生成的电能是依次存储在每个容性电荷存储释放单元组上的。例如，该容性电荷存储释放模块包括多个容性电荷存储释放单元组，电能先存储在其中一个容性电荷存储释放单元组上，当该容性电荷存储释放单元组上的电量达到最大值即充满时，第二控制单元控制开关闭合至另外一个容性电荷存储释放单元组上为其充电。这样依次轮流，当该模块包括L个容性电荷存储释放单元组时，依次将转化的电能存储在容性电荷存储释放单元组上，直到所有的容性电荷存储释放单元组均充电完成。

S53、检测单元检测容性电荷存储释放单元组上的电压：

检测单元03检测容性电荷存储释放单元组02上的电压，得到该容性电荷存储释放单元组02上的电压值。

S54、判断检测到的电压是否满足预定条件：

判断检测到的该电压是否满足预定条件，如果是，执行步骤S55，如果否，执行步骤S56。此处所述的预定条件是检测到的电压是否达到了能够向外输出电能的要求，例如该电压是否达到或超过了便携设备的蓄能装置的充电电压。例如一蓄能装置充电电压是4.2V，则当检测到的电压达到或超过4.2V时，即可为该蓄能装置充电。

S55、容性电荷存储释放单元组转换为放电模式，向外输出电能：

第一控制单元04切换存储释放单元组02上的控制开关闭合到Kz处，容性电荷存储释放单元组转换为放电模式（即释放电能模式），向外输出电能，为便携设备的蓄能装置充电。

需要说明的是，随着该容性电荷存储释放单元组放电的进行，该单元组上的电量逐渐减少，由于该单元组上的电容c是固定不变的，根据公式，所以该单元组上的电压U随着电量Q的减少而呈下降趋势。当该单元组上的电压U不能满足上述所述的预定条件时，该单元组无法向外界输出电能。此时，第一控制单元04会将控制切换开关闭合至K1处，该单元组转换至充电模式。该充电模式一直持续到该单元组达到满充状态，此时，第一控制单元在控制切换开关闭合至Kz处，该单元组转换至放电模式。这样如此循环，单元组在充电模式和放电模式之间转换，从而使该模块能够及时地输出其存储的电能。

S56、容性电荷存储释放单元组保持在充电模式（存储电能模式）。

需要说明的是，当模块包括多个单元组时，只要一个单元组上的电压满足预定条件，即可执行步骤S55。而且当模块包括多个单元组时，充电和放电步骤可以同时进行。即一个或多个单元组放电，另外一个单元组充电。

从上述所述的容性电荷存储释放模块的充电方法可以运用可再生能源，不用交流电，这种充放电方法运用绿色能源，有利于环境保护。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种容性电荷存储释放模块，其特征在于，包括，

能量转化单元，用于将不同形式的可再生能源转化成电能；

第一控制单元，用于控制所述容性电荷存储释放单元组在存储电能模式和释放电能模式之间的转换；

其中，所述检测单元检测到的电压或电量达到预定条件后，第一控制单元用于将所述容性电荷存储释放单元组转换成释放电能模式；所述预定条件为所述容性电荷存储释放单元组两端的电压达到或超过蓄能装置充电要求达到的电压。

2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述容性电荷存储释放单元组至少为两个，所述模块还包括，

3.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述容性电荷存储释放单元组由m个容性电荷存储单元并联而成，所述容性电荷存储单元包括n个容性电荷存储体，当所述容性电荷存储释放单元组处于存储电能模式时，n个所述容性电荷存储体为并联连接，当所述容性电荷存储释放模块处于释放电能模式时，n个所述容性电荷存储体为串联连接，其中，m、n为不小于2的整数。

4.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述不同形式的可再生能源包括机械能、太阳能、热能和化学能。

5.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，所述不同形式的可再生能源为动能和/或势能，所述能量转化单元是由压电材料组成的能量转化单元。

6.一种如权利要求1所述的容性电荷存储释放模块的充放电方法，其特征在于，包括，

将不同形式的可再生能源转化成电能；

将转化成的电能存储在所述容性电荷存储释放单元组上；

检测所述容性电荷存储释放单元组上的电压；

判断所述电压是否满足预定条件，如果是，所述容性电荷存储释放单元组转换成释放电能模式，向外输出电能；所述预定条件为所述容性电荷存储释放单元组两端的电压达到或超过蓄能装置充电要求达到的电压。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述容性电荷存储释放单元组转换成释放电能模式，向外输出电能之后，还包括，

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断输出电能后的所述容性电荷存储释放单元组上的电压是否满足预定要求，还包括，如果是，所述容性电荷存储释放单元组保持在释放电能模式。

9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述容性电荷存储释放模块包括至少两个所述容性电荷存储释放单元组，所述将转化成的电能存储在所述容性电荷存储释放单元组上，具体包括，

将转化来的电能存储在一个容性电荷存储释放单元组上；

10.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述容性电荷存储释放模块包括至少两个所述容性电荷存储释放单元组，当存在至少一个所述容性电荷存储释放单元组上的电压达到饱和，并且至少一个所述容性电荷存储释放单元组上的电压未达到饱和时，则，至少一个电压达到饱和的所述容性电荷存储释放单元组处于释放电能模式，电压未达到饱和的至少一个所述容性电荷存储释放单元组处于存储电能模式。