CN104854785A - 能量采集器的电压调整 - Google Patents

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Abstract

用于能量采集器(101,201)的电压调整装置(111,211)，所述装置包括：第一输入端子(131,231)和第二输入端子(133,233)，适于接收其间的交流电压，其中所述交流电压具有输入振幅，并且在电感(107,207)处提供；开关模块(135,235)，连接在第一输入端子和第二输入端子(131,231)之间，用于可控地连接第一输入端子和第二输入端子；和控制器(127)，适于接收指示所述电压的输入振幅的输入信号(129,229)，以及控制所述开关模块(135,235)以根据所述输入振幅可选地以第一模式(121)或第二模式(125)来进行操作，以便调整所述电压从而获得预定范围内的输出振幅。

Description

能量采集器的电压调整
技术领域
本发明涉及用于能量采集设备的电压调整装置、能量采集设备和用于能量采集设备的电压调整方法。
背景技术
自供电传感器(具体指未连接到公用电网的传感器)通常可从能够产生低AC电压的小电磁源获得能量。由于传感器需要DC电压，所以可能需要整流小电磁源提供的AC电压以产生DC电压。由此，特别的，由于在所使用的二极管处的压降，整流过程可能会降低能量采集器的效率。为了补偿二极管所造成的压降，已经提出了使用升压转换器，以及同时不使用额外的电感。
能量采集设备(亦称为能量采集器或具体称为电磁能量采集器)可涉及用于采集或获取(具体指接收并随后存储)电磁能量的设备，如(变化的)电磁场中包括的能量，流过导体的电流中包括的能量，其中在导体的两端产生有电压。能量采集设备例如可用于驱动本身没有连接到向多个消费者供电的公用电网的自主设备。自主设备也可以以自给自足的方式来运作，而不需要通过连接到公用电网的电缆来供给能量。自主设备例如可包括无线传感器或可穿戴电子设备。自主设备例如可包括具体需要直流电压的低能量电子设备。
根据G.D.Szarka等于2011年8月1至3日,在2011年度低功耗电子与设计国际会议(International Symposium on Low Power Electronics and Design，ISLPED)发表的“Experimental Investigation of Inductorless,Single-Stage BoostRectification for sub-mW Electromagnetic Energy Harvesters”，第361-366页，电磁振动能量采集系统是已知的，其中附接到悬臂梁的磁体相对于线圈振荡，从而在线圈的电端产生感应电压，该能量采集设备包括升压整流器用于提高输出电压。由此，在两个可分离阶段来实施输出电流的整流和输出电压电平的升高。此外，还使用能量采集器的寄生杂散电感。
连接到能量采集器输出端的负载可具体要求预定范围内的电压。然而，已经观察到，通过传统能量采集设备提供的输出电压可能无法在所有情况或情形下都位于预定范围内，这可能会导致禁止在这些情形下操作负载。由此，负载可具体包括需要特定电压范围内的电压功率的传感器。
因此，需要一种能量采集器的电压调整装置和能量采集器的电压调整方法，用于缓和或至少减少上述存在的问题。
发明内容
上述需求由独立权利要求的主题解决。从属权利要求详细说明本发明的具体实施例。
根据本发明的实施例，提供一种用于能量采集器或能量采集设备的电压调整装置，其可具体包括在能量采集器内。由此，所述装置包括第一(电)输入端子和第二(电)输入端子，适于接收其间的交流电压(该交流电压的频率具体为5Hz至100Hz之间)，其中所述交流电压具有输入振幅(即输入的交流电压的振幅)。因此，所述交流电压在电感处提供或通过电感提供，特别是发生或存在电感作用的两个终端之间(电感是传导系统或导体的特性，通过电感，导体中的电流变化使导体本身产生电压，其中，具体的，随时间变化的流过所述导体的电流产生磁场，从而感应出电压)。所述装置还包括开关模块(具体包括一个或多个可控开关，例如晶体管等)，连接在第一输入端子和第二输入端子之间用于可控地连接第一输入端子和第二输入端子(其中第一输入端子和第二输入端子均可不连接到大地或接地电势，或者第一输入端子和第二输入端子其中一个可连接到接地电势)。进一步的，所述装置包括：控制器(具体包括电路，尤其是可编程半导体电路)，适于接收指示所述电压的输入振幅的输入信号(例如，电/光或无线输入信号)(如此，所述输入信号本身可不对应于或等于所述电压的输入振幅，但是从所述输入信号可推导出所述电压的输入振幅，具体包括计算、转化和/或推导)，以及控制所述开关模块(具体通过向所述开关模块提供离散的或连续的控制信号)以根据所述输入振幅(或/和所述输入信号)可选地(如此以便选择是以第一模式操作所述开关模块还是以第二模式操作所述开关模块)以第一模式(具体为第一操作模式)或第二模式(具体为第二操作模式)来进行操作(例如，当所述输入振幅在第一电压范围内时以第一模式操作所述开关模块，当所述输入振幅在第二电压范围内时以第二模式操作所述开关模块)，以便调整(具体指维持或改变)所述电压从而获得预定范围内的输出振幅(即输出电压的振幅)(特别是适于连接到所述能量采集器输出端的负载的范围内，所述负载具体为自主设备，诸如无线传感器)。
所述预定电压范围可具体为2V至10V之间，进一步具体为3.4V至6.4V之间。由此，当使用所述电压调整装置对输出电压进行调整时，传统的传感器装置或传感器设备可由所述采集器的输出电压来供电。
连接到所述能量采集器输出端的设备例如可包括状态监测设备，用于监控滚柱轴承的状态，特别是风能转换器中使用的滚柱轴承或者火车车身的车轮所包括的滚柱轴承。具体的，所述能量采集器可向无线监测系统提供能量用于用监测车轮轴承的状态。具体的，车轮的转速可在较宽范围内改变，如300rpm和3000rpm之间。具体的，车轮的旋转可以驱动连接到车轮转轴的发电机，发电机包括定子绕组(提供电感)和磁性区域。
具体的，所述电感可与线圈相关联或由线圈形成，线圈特指发电机的定子绕组。特别的，发电机的定子绕组所提供的电感可由所述电压调整装置使用以进行电压调整，而除发电机的定子绕组的电感外，不需要额外的电感。由此，可避免使用额外的电感，从而简化所述装置。
所述开关模块可适于(尤其是由所述控制器控制时)，在可由所述控制器设置的特定时间间隔，在第一输入端子和第二输入端子之间建立连接，具体通过向包含在所述开关模块中的可控开关提供的一个或多个特定控制信号。具体的，所述电感由发电机的定子绕组提供时，当发电机的转轴加速时，输入电压可以相对高，如果转轴以低转速转动，则输入电压可以相对低(具体指，对于负载电路来说过低)。通过控制所述开关模块处于第一模式和第二模式，根据所述输入信号(具体表示发电机的转速)，所述输出振幅可被调整为位于所述预定范围内。进一步的，可关闭所述开关模块，并可在某些情况下不影响所述采集设备的正常操作。特别的，如果所述输入电压超出(被供电的电路的)所述预定范围，可以使用所述开关模块(尤其是由所述控制器控制时)作为旁路，以限制所述输入电压，使其在所述能量采集器输出端处具体位于预定范围内。
在传统系统中，电子部件的数目可能增加，从而增加传统解决方案的复杂性和成本。根据本发明的实施例与传统系统相比，其电子部件的数目减少了，成本也降低了。进一步的，大多数传统解决方案是不透明的，一处故障可能会导致整个系统瘫痪。根据本发明的实施例，提供了一种透明的电压调整装置，并且一处故障不会使整个能量采集系统瘫痪。此外，传统系统的整体效率可能会低。根据本发明的实施例，能量采集效率得到提高。
根据本发明的实施例，所述电压调整装置可利用发电机的定子绕组所提供的电感。在其他实施例中，所述电感可由其他电子元件来提供。具体的，根据本发明的实施例，由于能量源的杂散电感可用于提高电压的振幅(具体在第二模式中)，所述电压调整装置可不需要额外的电感器。具体的，电感的特性可仅在所述开关模块的第二操作模式中使用，但不可在每个开关模块的开关操作模式的第一模式(和第三模式)中使用。
根据本发明的实施例，在发电机(电/机械装置，用于从旋转机械能产生电能)的定子绕组(或线圈，具体指，缠绕若干转的导体)的两端之间提供所述电感，其中所述输入信号表示相对于定子绕组转旋的发电机转轴的转速(或角速度)。所述输入信号可具体表示所述转轴的旋转频率。所述转速可具体为300rpm至3000rpm之间，进一步具体为450rpm至2000rpm之间，这对应于火车车身的车轮的典型转速。从而，当交流电压被从定子绕组两端提供给第一输入端子和第二输入端子时，本实施例可具体应用，其中在定子绕组中发电机转轴的旋转产生感应电压(其中磁性区域被附接或固定于发电机的转轴)。
由于感应电压的振幅可取决于发电机转轴的转速，则转速可提供有关交流电压输入振幅的信息，使得能够从转速导出输入振幅。具体的，不需要直接测量交流电压，从而简化了所述装置。
根据本发明的实施例，在第一模式中的所述开关模块被控制，使所述输出振幅小于所述输入振幅。具体的，如果所述输入振幅位于超出所述预定范围的区域中，对于连接到所述能量采集器输出端的负载来说，所述输入振幅可能过高。因此，可能需要降低所述输入振幅，以避免或减少对负载，具体指传感器，的损害。因此，在所述开关模块的第一模式中，将所述输入振幅减少为比所述输入振幅更小的输出振幅，可避免或至少减少对负载的损害，并且可具体使能连接到所述能量采集器输出端的负载的操作。
根据本发明的实施例，在第一模式中，所述开关模块被控制以永久连接第一输入端子和第二输入端子。所述连接可以是直接连接或经由一个或多个另外的电子元件如电阻的连接。所述连接可具体通过一个或多个晶体管实现，这些晶体管可固有地提供特定电阻，具体的，所述电阻是可控的。通过第一输入端子的连接，可有效地将所述输入电压降低到所述预定范围内。
根据本发明的实施例，在第一模式中，所述开关模块被控制，以调整能量(电能)损耗，从而具体经由可调电阻使第二输入端子和第一输入端子短路(by short circuiting)，来调整所述输出振幅。由此，可以实现电压降低，这可能导致所述输出振幅位于所述预定范围内。从而，即使所述输入振幅位于超出所述预定范围的区域中，仍可使用交流电压源来向连接到所述能量采集设备输出端的负载供电。由此，所述能量采集设备的可操作性范围得到提高和扩大，尤其是连接到具有可变振幅交流电压的交流电压源时。
根据本发明的实施例，在第二模式中，所述开关模块被控制，使所述输出振幅大于所述输入振幅。因此，具体的，所述装置支持所述输入振幅高于或低于所述预定范围的情况。具体的，如果提供交流电压到第一输入端子和第二输入端子的发电机的转速相对较低，具体为低于阈值，交流电压的振幅或输入振幅可能过低(还应具体考虑到整流导致的压降)而不能驱动连接在所述能量采集器输出端的负载，具体为传感器系统，或不能对所述负载进行供电。在这种情况下，所述装置可利用电感的特性来将所述输入振幅提高至所述输出振幅，具体通过切断第一输入端子和第二输入端子之间的连接来产生电感电压。
根据本发明的实施例，在第二模式中，所述开关模块被控制以交替地和周期性地(具体为以振荡方式，该振荡方式具有与振荡周期或振荡时间间隔相关联的振荡频率)在闭合时间间隔(即，其中第一输入端子和第二输入端子彼此连接的时间间隔)建立第一输入端子和第二输入端子之间的连接，并且在打开时间间隔中断第一输入端子和第二输入端子之间的连接(即，其中第一输入端子和第二输入端子彼此断开的时间间隔)，其中交替(alternating)频率(交替控制开关模块的振荡频率)为交流电压频率的100倍至2000倍之间。由此，根据特定实施例，能执行所述开关模块的快速切换(相较于交流电压的频率)。在闭合时间间隔，相对大的电流可经由电感从第一输入端子流到第二输入端子，从而在电感中存储能量。具体的，可在第一输入端子和第二输入端子已经建立连接并且所述闭合时间间隔已经超过后，立即切断连接。因此，具体的,有可能存在第一输入端子和第二输入端子之间连接的突然或急剧变化。由于连接的这种突然变化，流经电感的电流可快速改变，从而产生感应电压，所述感应电压根据楞次定律(Lenz's Law)抵消电流的变化，因而产生可能导致交流电压振幅增加的电感电压，从而将输入振幅提高至输出振幅，使其位于预定范围内。
具体的，所述闭合时间间隔和/或打开时间间隔和/或交替(alternating)频率可根据所述输入振幅和/或所述预定范围来选择，以便调整所述输出振幅使其位于所述预定范围内。
根据本发明的实施例，所述闭合时间间隔可达到交替控制所述开关模块的时间段(具体为振荡时间周期)的50％至80％，其中在闭合时间间隔中，所述电感(具体为发电机的定子绕组)中产生较大电流，从而储存电能(具体的，在电感内)，其中随后的打开时间间隔(即紧随闭合时间间隔的打开时间间隔)中，所述电压的振幅相对于所述输入振幅增加(具体因为关断电感中流动的电流而产生感应)。在其它实施例中，所述闭合时间间隔可以等于其它值，例如，交替控制所述开关模块的时间段的0％至50％的值。可基于或根据所述输入振幅、所述预定范围，和/或所述能量采集器和/或发电机的其他参数来推导或选择所述闭合时间间隔的大小。
根据本发明的实施例，所述控制器进一步适于控制所述开关模块使以第三模式进行操作(或甚至一个或多个第三模式)，其中在第三模式中，开关系统被控制，使所述输入振幅等于所述输出振幅。具体的，在第三模式中，所述输入振幅可至少基本上等于所述输出振幅。具体的，在第三模式中，所述开关模块可被控制以永久中断(即断开)第一输入端子和第二输入端子之间的连接。具体的，当所述输入振幅等于或至少基本上等于所述输出振幅时(即，如果所述输入振幅具体位于所述预定范围内)，可适当地使用不需要改变输入振幅的电能来向连接到所述能量采集器输出端的负载供电。因此，在这种情况下，调整电压包括维持供应到第一输入端子和第二输入端子的交流电压的输入振幅，而不改变输入交流电压的振幅。从而，在第三模式中，所述能量采集器的操作可完全不受到影响。具体的，第三模式可以是所述开关模块和所述控制器的默认模式，使在第三模式中所述控制器可向所述开关模块中的一个或多个可控开关提供默认控制信号，其中所述默认控制信号可使所述开关模块中的可控开关采取打开的导通状态，从而使第一输入端子从第二输入端子断开。
根据本发明的实施例，在第三模式中，所述开关模块被控制以永久中断第一输入端子和第二输入端子之间的连接。因此，在第三模式中，所述能量采集器的操作可完全不受到影响。具体的，不论由于任何原因交流电压调整装置发生故障时，所述装置或者控制器可至少采用默认模式(具体为第三模式)，由此使得所述能量采集器继续操作。
跟据本发明的实施例，所述开关模块包括至少一个晶体管，具体为串联的两个晶体管，尤其是源极连接于接地电势的场效应晶体管(FET)，其中所述控制器适于提供栅极驱动信号，具体为脉冲宽度调制信号，到所述至少一个晶体管。由此，可使用常规电子元件来构成所述开关模块。
根据本发明的实施例，提供了一种能量采集设备(或能量采集器或电磁能量采集器)，包括:按照如上所述的实施例之一的电压调装整置；整流器，具体为桥式整流器，耦合到第一输入端子和第二输入端子，用于整流电压；以及电容器，用于存储能量，并耦合到所述整流器的输出端。从而，可提供电磁能量采集设备，由于交流电压的输出振幅被调整为位于预定的交流电范围内，其输出在预定直流范围内的直流电压。所述整流器的操作能够以恒定量来降低电压，例如1V至2V之间，具体为大约1.4V。因此，可以选择预定的交流范围，使由整流器输出的直流范围可对应于适于由能量采集器供电的负载的直流电压范围。具体的，可以要求由所述整流器输出的直流范围位于2V至5V之间。
根据本发明的实施例，所述能量收集装置还可包括发电机，所述发电机具有在操作期间可旋转的耦合到所述电感的磁性区域(具体的，通过感应耦合或感应地耦合，尤其是耦合至提供所述电感的定子绕组)，由定子绕组执行所述电感，具体通过三个线圈的串联结构来形成所述定子绕组，其中具体采用第一模式或第二模式或第三模式取决于或基于所述定子绕组和所述磁性区域之间的气隙尺寸(d)，所述气隙具体为转子上的磁性区域的磁极节距的12％至50％之间的范围内，具体的，例如0.4mm至1.5mm之间。
根据本发明的实施例，所述能量收集装置进一步使用所述磁性区域的电磁效应(具体为感应效应)来测量发电机转轴的转速，转速的测量信号提供给所述控制器。由此，不需要额外的测量设备，就能获得所述控制器的输入信号，以可选地在第一模式或第二模式或第三模式中操作所述开关模块。由此，可简化所述能量采集设备。具体的，可以以协同方式(synergetic manner)来使用所述磁性区域和/或整个发电机，以便一方面提供交流电压，并且另一方面提供表示交流电压振幅的输入信号。因此，可极大地简化所述系统和/或降低其成本。
应当理解的是，单独地或结合地公开、描述、提及、或应用到用于所述能量收集器或能量收集装置的电压调整装置的特征也可单独地或以任何组合方式施加到根据本发明实施例的一种用于能量采集器的电压调整方法，反之亦然。
根据本发明的实施例，提供用于能量收集器的电压调整方法(具体为电压改变和/或电压保持)，其中所述方法包括在电感(具体通过发电机的定子绕组提供)中产生交流电压。所述方法进一步包括接收第一输入端子和第二输入端子之间的交流电压，所述交流电压具有输入振幅。此外，所述方法包括通过控制器接收指示所述电压的输入振幅的输入信号，并通过转换器控制开关模块，根据所述输入振幅来可选地以第一模式或第二模式来操作，以便调整所述电压，使其具有预定范围内的输出振幅(具体为交流范围)。由此，所述开关模块连接在第一输入端子和第二输入端子之间，用于可控地连接和断开第一输入端子和第二输入端子。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的实施例。
图1示意性地示出了根据本发明实施例的连接到发电机的电磁采集设备的功能图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的电磁采集设备，其包括根据本发明实施例的电压调整装置；
图3示出了描述测量根据本发明实施例的电磁采集设备的电子特性的实验结果的曲线图；以及
图4示出了根据本发明实施例的电压调整方法的流程图。
具体实施方式
现在将参照其中示出部分示例实施例的附图更加全面地描述各种示例性实施例。在附图中，为了清晰性，线、层和/或区域的厚度被放大。
因此，示例实施例能够有各种修改和替换形式，附图中实施例通过示例的方式示出，并将在本文中详细描述。但是，应当理解，示例实施例并不限于所公开的特定形式，而是相反，示例实施例将涵盖在本发明的范围之内的所有修改、等价物和替代。贯穿附图描述，相同的数字指代相同或类似的元件。
应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件或可以存在中之间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，则不存在中之间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应以类似的方式来解释(例如，“之间”与“直接之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
这里使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不意图限制示例实施例。如本文所用，单数形式“一”，“一个”和“所述/该”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。将进一步理解，在此使用的术语“包括”、“包含”、“含有”、和/或“具有”表明存在所陈述的特征、数字、步骤、操作、元件和/或部件，但不提前排除存在或添加一个或多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语在内)，均具备与本发明所属的领域中普通技术人员通常理解的意思相同的含义。一般使用的与字典中定义的术语相同的术语，应理解为其具备与相关技术的上下文具备的意思一致的含义，并且，除非本说明书中有明确定义，否则其不应所述解释为过于拘泥于形式上的意思。
图1示出了包括根据发明实施例的电磁能量采集设备101的能量供应装置100，电磁能量采集设备101连接到发电机103。所述发电机包括示意性示出的定子绕组105，定子绕组105提供电感107。基于包括磁性区域的转轴(未示出)的旋转，所述发电机在输出端109产生交流电压，其中，具体的，在输出端109和接地电势或未连接到接地电势的另外的输出端133之间产生交流电压。
能量采集设备101包括根据本发明实施例的电压调整装置111，整流级113作为装置111连接到输入端子131以及存储电容器117，存储电容器117连接到整流级113的输出端119。
图1对电压调整装置111的图示是功能图，其中电压调整装置111的两个不同模式121，125并排示出。具体的，在装置111的第一模式121中，所述发电机的端子109输出的交流电压的输入振幅高于预定的交流范围，控制装置111使通过操作装置111充当分路调节器121来消耗能量以便降低交流电压的输入振幅，将输入振幅降低为所述整流级的输入端子123处的输出振幅。具体的，将接通装置111包括的场效应晶体管并通过缩短(shortening)电感107所体现的速度传感器拾波线圈来限制输入电压。
在装置111的操作的第二模式125期间，提供给输入端子115的输入振幅低于预定范围，控制装置111以充当回扫转换器125，有效地将交流电压的输入振幅提高至例如位于整流级113的输入端子123处的预定范围之内的输出电压或输出振幅。为了分别在第一模式和第二模式中操作装置111，装置111包括控制器127，其适于控制装置111内的可控开关，以便可选地提供分路调节器功能121或回扫转换器功能125。
发电机103可具体包括磁体环，所述磁体环可用作速度传感器，其可向控制器127提供输入信号129。进一步的，所述磁体环可用作磁场源，并且，具体的，当发电机103的转轴相对于定子绕组105转动时，所述磁体环可与拾波线圈提供的电感一起收集能量。进一步的，控制器127可包括具有以下功能的场效应晶体管驱动逻辑：
1)分路功能，其中可接通场效应晶体管，并通过缩短速度传感器拾波线圈来限制输入电压。这可能会在输入端子131，133的过压状态下进行。此外，可始终接通场效应晶体管以缩短拾波线圈。此时，能量必须由另外的源(存储源)来提供。具体的，至少在一个特定模式例如第二模式125中，包括在装置111中的电子器件可像升压转换器样运作。由此，输入电压可以是交流电压，并且除了由发电机提供的电感外，能量采集器101的设计不再添加电感。相反的，(由拾波线圈提供的)可用电感被用于或重新用于此目的。通过接通和断开场效应晶体管，整流后的输入电压(rectifier input voltage)将得到提高，并且与输入电压相比，压降与二极管的比率可更小。此外，可切换场效应晶体管以使线圈短路从而关掉电源，并可切换场效应晶体管以限制来自EM发电机源103的输出电压。因此，即平行于整流器113的场效应晶体管可具有三个功能，在电磁发电机源103的不同状况下使用。
上述系统可具有以下优点。能够实现更高的系统效率。进一步的，可提供较低的启动电压。进一步的，通过改变占空比和切换频率可使能阻抗匹配。另外，相对于传统系统，系统可具有更少的组件。此外，所述系统可提供过压保护。
图2示意性示出了包括根据本发明实施例的能量采集设备201的另一能量产生系统200，能量采集设备201连接到发电机203。能量采集设备201包括装置211，用于对根据本发明任意实施例的能量采集设备201进行电压调整。装置211(亦称为电压调整装置)包括第一输入端子231和第二输入端子233，在第一输入端子231和第二输入端子233之间可从发电机203接收交流电压。电压调整装置211还包括开关模块235，本实施例中的开关模块235包括：第一场效应晶体管(FET)237和第二场效应晶体管239。由此，场效应晶体管237，239串联连接在第一输入端子231和第二输入端子233之间，其中场效应晶体管237，239的源极输入端子连接到接地电势241。
电压调整装置211包括控制器227，控制器227向场效应晶体管237和239的栅极提供控制信号243，以控制其导电状态。具体的，控制器227适于接收输入信号，尤其是指示输入端子231和233之间的交流电压的输入振幅的转速信号229。转速信号229由元件245提供，元件245测量流过线圈207的电流或电压的频率，具体测量磁性区域249的旋转。线圈207代表发电机203的定子绕组。相对于定子绕组207，在操作中，磁性区域249围绕转轴251旋转，从而提供了发电机203的转子。控制器227接收输入信号229，并且控制开关模块235以根据第一输入端子231和第二输入端子233之间的交流电压的输入振幅，可选地在第一模式或第二模式中操作，以便调整电压使其具有预定范围内的输出振幅。
由于(精确地)发电机203提供的交流电压，两个场效应晶体管237，239可用于实现电压调整装置211的升压功能。由此，各场效应晶体管可以是N型沟道场效应晶体管。此外，场效应晶体管的源极输入端子能够限定接地电平241。
能量收集装置201还包括整流级213，整流级213在端子223，224处接收调整后的交流电压，并且包括肖特基(Schottky)二极管253，255，257，259，这些二极管连接成桥式整流器配置，用来在输出端119，120输出直流电压，所述直流电压由包括电容器218的存储级217接收。负载诸如无线传感器设备可连接到直流输出端219，220，其中电压调整装置211可确保所述直流电压的振幅位于预定的DC电压范围内，所述范围适于连接在端子219，220之间的负荷。
包括肖特基二极管的整流部213可能会导致约1.4伏的压降。存储电容器217可包括储能电容器218，储能电容器218可有效地代表连接在端子219，220之间的负荷的能量源。线圈207输出的线圈输出信号可与转轴251(其可具体为火车车身的车轮转轴)的转速相关，由此可与支承转轴或转轮轴承的旋转速度相联系。由于开关模块235的切换频率较高，特别是远高于端子231，233之间施加的交流电压的频率，可在电压调整装置211的下游设置低通滤波器，其中截止频率可以是大约3000Hz，或者2000Hz至4000Hz之间的范围。定子绕组207和磁性区域249之间大小为d的气隙被示出。
图3示出了在根据本发明实施例的能量采集装置，例如图2所示的能量采集设备201，上进行的测量的曲线图。结合下面的表1来描述图3，表1列出了用于构造图3中的曲线图的测量值。
表1
表1中的列表示如下内容：
rpm(转速)：发电机转轴如图2所示的转轴251的转速。
升压(kHz)：图2所示的控制器227所产生的脉冲宽度调制信号243的切换频率。
升压％：振荡周期的百分比，在此期间，通过接通场效应晶体管237,239第一输入端子231连接到第二输入端子233，即占空比。
AC Vrms：图2所示的第一输入端子231和第二输入端子233之间所施加的交流电压的输入振幅。
AC Vpp：由电压调整装置211对输入振幅进行升压后的输出振幅。
DC V：图2所示的直流输出端219,220处的直流电压振幅。
负载(Ω)：连接到直流输出端219,220的负载的电阻。
功率(mW)：提供到负载的功率。
从表1可以看出，基于占空比，输入振幅(见列AC Vrms)增大至输出振幅(见列AC Vpp)，使之位于预定范围内，并且功率也发生变化，如图3的曲线所示。图3中横坐标301表示占空比(即图2所示的接通场效应晶体管237，239的百分比)，而纵坐标303表示图2所示的连接在直流输出端219，220的负载所消耗的功率。因此，曲线305示出了当转轴251以315rpm的转速旋转时的情况，曲线307示出了当转轴251以250rpm的转速旋转时的情况，而曲线309示出了当转轴251以200rpm的转速旋转时的情况。从图3所示的曲线305，307，309可以看出，约45％至70％的占空比的范围311内，为200rpm至315rpm之间的不同旋转速度实现了最大功率。此外，从上面表1可以看出，也是在此占空比范围内，交流电压的输出振幅位于能够适当地操作负载的预定范围内，具体的，直流输出端219，220处的2V至5V之间的电压范围可对应于在端子223，224之间的3.4V至6.4V之间的预定交流范围内。
图4示出了根据本发明实施例的电压调整方法400的流程图。在步骤401，电感107，207处产生交流电压。在步骤403，在第一输入端子131，231和第二输入端子133，233之间接收具有输入振幅的交流电压。在步骤405，控制器接收指示所述电压的输入振幅的输入信号129，229。在步骤407，控制器控制开关模块135，235，以根据所述输入振幅可选地在第一模式121或第二模式125下操作，从而调整所述电压，以获得预定范围内的输出振幅，其中所述开关模块135，235连接在第一输入端子131，231和第二输入端子231，233之间。
描述内容及图式仅说明本发明的原理。因此应了解，尽管本文中没有明确地描述或展示，但所属领域的技术人员将能够设计出体现本发明的原理且包含在本发明的精神和范围内的各种布置。另外，本文中描述的所有实例主要明确地希望仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理以及发明者对于促进此项技术所贡献的概念，且应被解释为不限于此类具体叙述的实例和条件。此外，本文中叙述本发明的原理、方面及实施例的所有陈述以及其具体实例既定涵盖其等效物。
表示为“装置，用于...”或“模块，用于...”(执行特定功能)的功能块应被分别理解为包括适于执行某种功能的电路的功能块。因此，“装置，用于...”或“模块，用来...”亦可理解为“装置，适于或适合用于...”或“模块，适于或适合用于...”。因此，适于执行某种功能的装置或模块并不意味着一定是执行所述功能(在给定的时刻)。
图式中展示的各种元件(包括标记为“处理器”的任何功能块)的功能可通过使用专用硬件以及能够与适当软件相关联而执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，所述功能可由单个专用处理器、单个共享处理器或由多个个别处理器(其中一些可被共享)来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为仅仅指代能够执行软件的硬件，而是可无限制地暗示地包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)及非易失性存储装置。还可包括其它常规及/或定制硬件。
本领域技术人员应明白，本文的任意方框图表示用于体现本发明的原理的示例性电路的概念图。类似地，应明白任意流程图、状态转换图、伪代码等等表示可以实质上表示在计算机可读介质中并且从而由计算机或处理器执行的各种过程，无论是否明确显示了所述计算机或处理器。
因此，随后的权利要求由此结合到详细说明中，其中每项权利要求可以作为单独的实施例而自立。虽然每项权利要求可以作为单独的实施例而自立，但应注意的是，虽然从属权利要求在权利要求书中可参考与一个或多个其它权利要求的特定组合，但是其它实施例也可包括：从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题的组合，或者一个或多个特征与其它从属或独立权利要求的组合。在这里提出了这样的组合，除非陈述的是，特定的组合不是意图的。此外，同样意图的是，在任何其它独立权利要求中包括权利要求的特征，即使所述权利要求不直接依赖于所述独立权利要求。
还应注意的是本说明书或权利要求中所公开的方法可以由具有用于执行这些方法的各个步骤中的每一个的装置的设备来实现。
另外，应理解，在本说明书或权利要求书中对多个步骤或功能的公开不应理解为必须遵循所限定的特定顺序。因此，对于多个步骤或功能的公开将不会限制这些步骤或功能于特定的顺序，除非这些步骤或功能由于技术原因是不可互换的。此外，在一些实施例中，单个步骤可包括或可被分成多个子步骤。这样的子步骤可包括在所述单个步骤内或为所述单个步骤的一部分，除非明确地排除在外。
附图标记列表
100 能量产生系统
101 电磁能量采集设备
103 发电机
105 定子
107 电感
109 发电机输出端
131，133 输入端子
117 存储电容器
119 整流器输出端
121 分路调节器功能
125 回扫转换器功能
123 整流器输入端子
127 控制器
129 输入信号
135 开关模块
200 能量产生系统
201 电压调整装置
203 发电机
213 整流级
217 存储级
219，220 直流输出端子
223，224 整流器输入端子
227 控制器
229 转速信号
231，233 第一输入端子，第二输入端子
235 开关模块
237，239 场效应晶体管
241 源端子
211 电压调整装置
245 频率感测元件
207 定子绕组
249 磁性区域
251 转轴
253，255，257，259 肖特基二极管
218 功率电容器
301 横坐标
303 纵坐标
305，307，309 曲线

Claims (15)

1.一种用于能量采集器(101,201)的电压调整的装置(111,211)，所述装置包括：
第一输入端子(131,231)和第二输入端子(133,233)，适于接收其间的交流电压，所述交流电压具有输入振幅，所述交流电压在电感(107,207)处提供；
开关模块(135,235)，连接在所述第一输入端子和所述第二输入端子(131,231)之间，用于可控地连接所述第一输入端子和所述第二输入端子；和
控制器(127)，适于
接收指示电压的输入振幅的输入信号(129,229)；以及
控制所述开关模块(135,235)以根据所述输入振幅可选地以所述第一模式(121)或所述第二模式(125)操作，以便调整所述电压从而获得预定范围内的输出振幅。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电感(107,207)提供在发电机(103,203)的定子绕组(107,207)的两端之间，其中所述输入信号(129,229)表示相对于所述定子绕组(207)转旋的发电机转轴(251)的转速，所述转速可具体为300rpm至3000rpm之间，进一步具体为450rpm至2000rpm之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中在所述第一模式(121)中，控制所述开关模块(135,235)，使得所述输出振幅小于所述输入振幅。
4.根据权利要求3所述的装置，其中在所述第一模式(121)中，控制所述开关模块(135,235)以永久地连接所述第一输入端子(131,231)和所述第二输入端子(133,233)。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中在所述第一模式(121)中，控制所述开关模块(135,235)，以调整能量损耗，从而具体通过经由可调电阻使所述第二输入端子(131,231)和所述第一输入端子(133,233)短路，调整所述输出振幅。
6.根据前述任一权利要求所述的装置，其中在所述第二模式(125)中，控制所述开关模块(135,235)，使得所述输出振幅大于所述输入振幅。
7.根据权利要求6所述的装置，其中在所述第二模式(125)中，所控制述开关模块(135,235)以交替地和周期性地：
对于闭合时间间隔，建立所述第一输入端子(131,231)和所述第二输入端子(133,233)之间的连接，并且
对于打开时间间隔，中断所述第一输入端子和所述第二输入端子之间的连接，
其中交替频率具体大于所述交流电压的频率的100倍，进一步具体为所述交流电压的频率的100倍至5000倍之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述闭合时间间隔达到交替控制所述开关模块(135,235)的时间段的50％至80％，
在所述闭合时间间隔期间，在所述电感(107,207)中建立大电流，从而存储能量，其中随后的打开时间间隔期间，所述电压的振幅相对于所述输入振幅增加。
9.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述控制器(127,227)进一步适于控制所述开关模块(135,235)使以第三模式操作，在所述第三模式中，控制所述开关系统被，使得所述输入振幅等于所述输出振幅。
10.根据权利要求9所述的装置，其中在所述第三模式中，控制所述开关模块(135,235)以永久中断所述第一输入端子(131,231)和所述第二输入端子(133,233)之间的连接。
11.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述开关模块(135,235)包括至少一个晶体管(237,239)，具体为串联的两个晶体管，尤其是源极连接于接地电势(241)的场效应晶体管，所述控制器(227)适于提供栅极驱动信号(243,PWM)，具体为脉冲宽度调制信号，到所述至少一个晶体管(237,239)，其中所述预定范围具体为2V至10V之间，进一步具体为3.4V至6.4V之间。
12.一种能量收集设备(101,201)，包括：
根据前述任一权利要求所述的电压调整的装置(111,211)；
整流器(113,213)，具体为桥式整流器，耦合到所述第一输入端子(131,231)和所述第二输入端子(133,233)用于整流电压；以及
电容器(117,217)，用于存储能量并耦合到所述整流器的输出端子。
13.根据权利要求12所述的能量收集设备，还包括：
发电机(103,203)，具有在操作期间可旋转的耦合到所述电感(207)的感应磁性区域(249)，由定子绕组形成电感，具体通过一个或多个线圈的串联安排来形成所述定子绕组，尤其是三个线圈，
其中具体采用第一模式或第二模式或第三模式还取决于所述定子绕组(207)和所述磁性区域(249)之间的气隙尺寸(d)，所述气隙具体为转子上的磁性区域的磁极节距的12％至50％的范围内，具体为在0.4mm至1.5mm的范围内。
14.根据权利要求12或13所述的能量收集设备，进一步适于使用所述磁性区域(249)的电磁效应来测量(245)发电机转轴(251)的转速，转速的测量信号提供给所述控制器(227)。
15.一种用于能量收集器的电压调整方法，所述方法包括：
在电感(107，207)处产生交流电压；
接收第一输入端子(131,231)和第二输入端子(133,233)之间的交流电压，所述交流电压具有输入振幅；
通过控制器(127，227)接收指示所述电压的输入振幅的输入信号(129，229)；以及
通过控制器(127，227)控制开关模块(135,235)，以根据所述输入振幅来可择地以第一模式(121)或第二模式(125)来操作，以便调整所述电压，以具有预定范围内的输出振幅；
其中所述开关模块(135,235)连接在所述第一输入端子(131,231)和所述第二输入端子(133,233)之间。
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