CN104901385B - 发电机能量管理装置及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能产生和转换领域，公开了一种发电机能量管理装置及发电系统，发电机能量管理装置包括：整流电路，用于对来自发电机的输入进行整流；稳压电路，用于将整流电路的输出转化为降压稳流输出；第一电池(BT2)，用于存储电能以及向用电器供电；电压比较及充电电路，用于比较第一电池(BT2)的电压与参考电压，当第一电池(BT2)的电压低于参考电压时利用稳压电路的输出对第一电池(BT2)进行充电；以及备用供电电路，该备用供电电路包括第二电池(BT3)，用于当与该备用供电电路耦接的第一电池(BT2)的电压小于或等于预定值时，中断第一电池(BT2)与用电器的连接，以及将第二电池(BT3)的电能提供给用电器。

Description

发电机能量管理装置及发电系统

技术领域

本发明涉及电能产生和转换领域，具体地，涉及一种发电机能量管理装置及发电系统。

背景技术

在我们的生活周围，有许许多多的能量被轻易的浪费掉了，比如人走路对地面的摩擦，鞋底与地面间的压力，以及脱衣服时产生的静电能等。如果将这些身边经常接触到的能量收集起来，转化为电能，并将此电能储存起来，然后用来来驱动一些小型的电子器件，那么这将在一定程度上缓解当今世界能源的紧缺现状。并且，这种发电模式清洁环保，也会缓解传统发电模式所产生的环境污染难题。2006年美国佐治亚理工学院王中林教授研究组利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能，成功实现了压电式纳米发电机，并首次提出了纳米发电机的概念。随后基于摩擦特性的纳米发电机被陆续研制成功。这种纳米发电机成功的实现了将周围生活中浪费的能量收集起来，并可以让多盏LED灯闪烁，而不能持续供电，并且这能量没有办法储存起来。

随着近几年对摩擦纳米发电机的研究，介于自身结构和材料的特性。提高摩擦纳米发电机的输入功率，必须使用绝缘效果非常好的材料，以至于其自身的等效内阻非常大。同时根据其结构特性，欲使提高输出功率的同时，其输出电压不断的升高，而其输出电流相比之下只有纳安级。在这样的情况下，在本领域中急切希望能将这部分的输出的能量储存在电池中，并对电池进行有效的管理。

针对上述技术问题，现有技术中尚无良好解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备，该设备能够有效实现对发电机(例如，摩擦纳米发电机)电能的存储和管理。

为了实现上述目的，本发明提供一种发电机能量管理装置，用于对发电机产生的电能进行管理，所述发电机能量管理装置包括：整流电路，被配置成对来自所述发电机的输入进行整流；稳压电路，被配置成将整流电路的输出转化为降压稳流输出；第一电池，被配置成存储电能以及向用电器供电；电压比较及充电电路，被配置成比较所述第一电池的电压与参考电压，当所述第一电池的电压低于所述参考电压时利用所述稳压电路的输出对所述第一电池进行充电；以及备用供电电路，该备用供电电路包括第二电池，被配置成当与该备用供电电路耦接的所述第一电池的电压小于或等于预定值时，中断所述第一电池与所述用电器的连接，以及将所述第二电池的电能提供给所述用电器。

进一步地，所述整流电路包括整流桥和串联在该整流桥直流负极输出端和所述整流电路负极输出端之间的并联的第一电阻和电感。

进一步地，所述稳压电路包括耦接的第一晶体管和齐纳二极管，其中所述第一晶体管的集电极连接所述整流电路的输出、基极连接所述齐纳二极管的负极以及发射极经由第三电阻连接所述齐纳二极管的正极。

进一步地，所述稳压电路还包括第二电阻和第二晶体管，该第二电阻串联在所述第二晶体管的基极和发射极之间，所述第二晶体管的集电极连接所述第一晶体管的发射极、基极连接所述齐纳二极管的负极以及发射极连接所述第一晶体管的基极。

进一步地，所述第一电池通过所述备用供电电路向所述用电器供电，以及所述备用供电电路包括：第三晶体管，设置于所述第一电池和所述用电器之间，被配置成导通时将所述第一电池的电能传递到所述用电器；第四晶体管设置于所述第二电池和所述用电器之间，被配置成导通时将所述第二电池的电能传递到所述用电器；以及控制晶体管，被配置成根据所述第一电池的电压控制所述第三晶体管和所述第四晶体管的导通/截止状态。

进一步地，所述控制晶体管的集电极连接所述第三晶体管和所述第四晶体管的基极，以及所述第三晶体管和所述第四晶体管极性相反。

进一步地，所述第一电池的正极和地之间串联第四电阻和第五电阻，所述控制晶体管的基极连接在所述第四电阻和所述第五电阻之间，所述控制晶体管的发射极接地，其中，当所述第一电池的电压小于或等于所述预定值时，所述控制晶体管截止。

进一步地，当所述控制晶体管截止时，所述第三晶体管截止，以及所述第四晶体管的导通；以及当所述控制晶体管导通时，所述第三晶体管导通，以及所述第四晶体管截止。

进一步地，所述发电机能量管理装置还包括耦接在所述发电机的输出和所述整流电路之间的降压式变压器。

进一步地，发电机为摩擦纳米发电机。

本发明的另一个方面，还提供了一种发电系统，该发电系统包括发电机以及上述发电机能量管理装置。

进一步地，发电机为摩擦纳米发电机。

通过上述技术方案，能够将发电机输入的高压交流电转化为低压直流电，供第一电池充电，以及能够当第一电池放电到预定值时停止该第一电池的放电，转而使用第二电池供电，即保证了电能的连续供应，又能够防止因过度放电而造成电池损坏。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施方式提供的发电机能量管理装置组成结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的示例的整流电路示意图；

图3是本发明实施方式提供的示例的稳压电路示意图；

图4是本发明实施方式提供的示例的电压比较及充电电路示意图；以及

图5是本发明实施方式提供的示例的备用供电电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。例如，本发明的具体实施方式以摩擦纳米发电机为例进行说明，但本发明所用的发电机并不局限于此。

图1是本发明实施方式提供的发电机能量管理装置组成结构示意图。如图1所示，本发明实施方式提供的发电机能量管理装置，可以用于对例如摩擦纳米发电机产生的电能进行管理。该发电机能量管理装置可以包括：整流电路101，被配置成对来自所述摩擦纳米发电机的输入进行整流；稳压电路102，被配置成将整流电路101的输出转化为降压稳流输出；电池BT2，被配置成存储电能以及向用电器(未示出)供电；电压比较及充电电路103，被配置成比较所述电池BT2的电压与参考电压，当所述电池BT2的电压低于所述参考电压时利用所述稳压电路的输出对所述电池BT2进行充电；以及备用供电电路104，该备用供电电路104包括电池BT3，被配置成当与该备用供电电路104耦接的所述电池BT2的电压小于或等于预定值时，中断所述电池BT2与所述用电器的连接，以及将所述电池BT3的电能提供给用电器。通过上述技术方案，能够将摩擦纳米发电机输入的高压交流电转化为低压直流电，供电池BT2充电，以及能够当电池BT2放电到预定值时停止该电池BT2的放电，转而使用电池BT3供电，即保证了电能的连续供应，又能够防止因过度放电而造成电池损坏。

由于摩擦纳米发电机所产生的能量的电压一般很大，在实施方式中，在将能量输入整流电路101之前可以对电压进行降压。在这样的实施方式中，摩擦纳米发电机能量管理装置还可以包括耦接在摩擦纳米发电机的输出和所述整流电路101之间的降压式变压器105。例如，降压式变压器105可以为正激励式变压器、反激励式变压器，降压范围可以设定在2:1到20:1。

以下结合图2-图5对本发明实施方式提供的摩擦纳米发电机能量管理装置的各个组成部分进行详细说明。

图2是本发明实施方式提供的示例的整流电路示意图。如图2所示，在实施方式中，整流电路101可以包括整流桥(例如，二极管整流桥)和串联在该整流桥直流负极输出端和所述整流电路负极输出端之间的并联的电阻R2和电感L1。在实施方式中，用于整流的二极管可以选用低功耗的耐压式二极管，范围从20V-600V，以适应于不同的输入电压；电容C1、C2和C3并联在整流桥的两个直流输出端之间，对整流电路的输出具有滤波作用，为了达到较好的滤波效果，电容C1、C2和C3可以选用电容范围在1pF-100uF的较大电容，以实现宽范围滤波；电阻R1、R2和R3的作用是实现瞬时放电，可以选则1欧姆到10^6欧姆；电感L1选用在1毫亨到100亨。

摩擦发电机的最大输出电压范围可以被设定在100V-600V。利用降压式变压器和整流二极管可以实现对摩擦纳米发电机输出的高电压的交流信号的降压和整流，将交流电压信号转换为直流的电压信号，方便后续电路的处理，来自摩擦纳米发电机的输入通过整流电路101可以输出得到较稳定的低压信号。

图3是本发明实施方式提供的示例的稳压电路示意图。如图3所示，在实施方式中，稳压电路102可以包括耦接的晶体管Q1和齐纳二极管(或稳压二极管)D5，其中晶体管Q1的集电极连接整流电路101的输出、基极连接齐纳二极管D5的负极以及发射极经由电阻R6连接齐纳二极管D5的正极。图3所示的电路中，电阻R4串联在晶体管Q1的集电极和基极之间，可以为基极提供工作电压。齐纳二极管D6连接在地和稳压电路102的输出之间，用来使稳压电路102提供稳压输出。由于通过整流电路101之后的电压仍然较大，一般为5V-30V。因此，需要通过稳压电路102进一步将电压电流转化为低压恒流的输出以便于电池充电使用。在实施方式中，利用单晶体管Q1的基极的引出端与齐纳二极管D5可以形成稳定电压，单晶体管Q1的发射极通过电阻R6可以形成稳定电流。

在优选的实施方式中，为了实现更大范围的电压调节，稳压电路102还可以包括电阻R5和晶体管Q2，该电阻R5串联在晶体管Q2的基极和发射极之间，晶体管Q2的集电极连接晶体管Q1的发射极、基极连接齐纳二极管D5的负极以及发射极连接晶体管Q1的基极。通过晶体管Q2可以满足更宽广的输入范围并实现稳定的输出，减少功率耗散。增加晶体管Q2(PNP)和电阻R5形成偏置电流，将晶体管Q2的基极和发射极的电压加在R5上，为齐纳二极管D5提供恒流的电流补偿，从而实现低压的稳定的电流输出。在实施方式中，其中晶体管Q1可以为耐压为20V-600V的NPN型晶体管，晶体管Q2可以为耐压为20V-600V的PNP型晶体管；电阻R4、R5和R6的阻值可以为20欧姆-2M欧姆；齐纳二极管D5和D6的稳定电压可以为3V-30V。

在实施方式中，考虑到充电过程的可用性和可靠性，在电池BT2充电过程中，可以利用图4所示的电路结构，利用设计参考电压来比较显示电量充满与否，并通过图5所示的电路来实现电池BT2过充的保护和当电池BT2过度消耗时切换为备用电池BT3。

图4是本发明实施方式提供的示例的电压比较及充电电路的示意图。如图4所示，在电压比较及充电电路103中可以设置比较器来比较电池BT2的电压和参考电压。其中可以利用稳压的输出5V电压，使用电阻R16和R17分压形成比较器参考电压。利用电阻R14和R15分压电池电压。例如，对于锂电池，当电池充满电的时候电池电压是4.2V，可以进行分压得到参考电压。当电池的电压不足4.2V时候，分得的电压低于参考电压。电路中可以设置指示灯来直观反映这样的状态，例如，当电池电压不足4.2V时使得指示灯D9点亮。反之，如果当电池BT2的电压达到参考电压时候，则电池输出高于参考电压的电压，可以使得D9变暗，使得晶体管Q5和Q6导通(Q6起过充保护作用)，从而使得指示灯D10点亮的同时，使电流通过晶体管Q6流向地。在实施方式中，设置的晶体管Q3和Q4是为了使指示灯(例如，LED灯)能够得到更多的电流余量，向对应的LED提供驱动电流。电容C4、C5和C6则是作为旁路电容，能够很好地防止发电机的输出电压过大而导致的地电位抬高和噪声，使得电路性能更加稳定。

图5是本发明实施方式提供的示例的备用供电电路示意图。在实施方式中，电池BT2可以通过备用供电电路104向用电器供电。

如图5所示，备用供电电路104可以包括：晶体管Q9，设置于电池BT2和用电器之间，可以被配置成导通时将电池BT2的电能传递到所述用电器；晶体管Q8设置于电池BT3和用电器之间，被配置成导通时将电池BT3的电能传递到用电器；以及控制晶体管Q7，被配置成根据电池BT2的电压控制晶体管Q9和晶体管Q8的导通/截止状态。例如，当控制晶体管Q7截止时，晶体管Q9截止，以及晶体管Q8导通；以及当控制晶体管Q7导通时，晶体管Q9导通，以及晶体管Q8截止。

在实施方式中，控制晶体管Q7的集电极可以同时连接晶体管Q9和晶体管Q8的基极，晶体管Q9和晶体管Q8极性相反。进一步地，电池BT2的正极和地之间可以串联电阻R20和电阻R21，控制晶体管Q7的基极可以连接在电阻R20和电阻R21之间以根据电阻分压来改变导通状态。控制晶体管Q7的发射极接地，其中，当电池BT2的电压小于或等于所述预定值时，控制晶体管Q7截止。例如，预定值为2.5V，则电池BT2电压降低到2.5V时，可以使得晶体管Q7截止，使得电阻R21分得的电压低于0.7V，从而使得晶体管Q7的集电极的电压增高为2.5V，从而使得晶体管Q9截止，即使电池BT2停止对后端用电器继续供电，实现对电池BT2的保护，防止电池过度消耗。(晶体管Q7、Q8和Q9起消耗过度切换作用)。同时晶体管Q8导通，使备用电池BT3继续对后端用电器供电，从而增加了供电可靠性。

在实施方式中，电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21和R22可以选用在1欧姆到10兆欧姆的阻值。在实施方式中，所有电阻均可以采用晶体管替代。电容C4、C5和C6的电容可以在1pF-100uF。晶体管Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8和Q9可以选用PMOS、NMOS和三极管。二极管D7和D8可以为普通二极管。D9和D10可以为发光二极管。

本发明的另一个方面，还提供了一种发电系统，该发电系统包括发电机以及上述发电机能量管理装置。在优选的实施方式中，上述发电机为摩擦纳米发电机。通过本发明提供的发电系统，能够有效利用例如摩擦纳米发电机收集各种机械能，将摩擦纳米发电机输出的高电压低电流的信号高效地转化为常规器件可用的电压电流，储存在可用的电池中。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，本发明实施方式中描述的电路结构不限于PCB板级的实现，也可以是芯片形式。再如，在实施方式中，上述电路中电阻的阻值，除了选择合适的电阻之外，也可以利用工艺中的掺杂来实现。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种发电机能量管理装置，用于对发电机产生的电能进行管理，其特征在于，所述发电机能量管理装置包括：

整流电路，被配置成对来自所述发电机的输入进行整流；

稳压电路，被配置成将整流电路的输出转化为降压稳流输出；

第一电池(BT2)，被配置成存储电能以及向用电器供电；

电压比较及充电电路，被配置成比较所述第一电池(BT2)的电压与参考电压，当所述第一电池(BT2)的电压低于所述参考电压时利用所述稳压电路的输出对所述第一电池(BT2)进行充电；以及

备用供电电路，该备用供电电路包括第二电池(BT3)，被配置成当与该备用供电电路耦接的所述第一电池(BT2)的电压小于或等于预定值时，中断所述第一电池(BT2)与所述用电器的连接，以及将所述第二电池(BT3)的电能提供给所述用电器；

所述稳压电路包括耦接的第一晶体管(Q1)和齐纳二极管(D5)，其中所述第一晶体管(Q1)的集电极连接所述整流电路的输出、基极连接所述齐纳二极管(D5)的负极以及发射极经由第三电阻(R6)连接所述齐纳二极管(D5)的正极；

所述稳压电路还包括第二电阻(R5)和第二晶体管(Q2)，该第二电阻(R5)串联在所述第二晶体管(Q2)的基极和发射极之间，所述第二晶体管(Q2)的集电极连接所述第一晶体管(Q1)的发射极、基极连接所述齐纳二极管(D5)的负极以及发射极连接所述第一晶体管(Q1)的基极。

2.根据权利要求1所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述整流电路包括整流桥和串联在该整流桥直流负极输出端和所述整流电路负极输出端之间的并联的第一电阻(R2)和电感(L1)。

3.根据权利要求1所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述第一电池(BT2)通过所述备用供电电路向所述用电器供电，以及所述备用供电电路包括：第三晶体管(Q9)，设置于所述第一电池(BT2)和所述用电器之间，被配置成导通时将所述第一电池(BT2)的电能传递到所述用电器；第四晶体管(Q8)设置于所述第二电池(BT3)和所述用电器之间，被配置成导通时将所述第二电池(BT3)的电能传递到所述用电器；以及控制晶体管(Q7)，被配置成根据所述第一电池(BT2)的电压控制所述第三晶体管(Q9)和所述第四晶体管(Q8)的导通/截止状态。

4.根据权利要求3所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述控制晶体管(Q7)的集电极连接所述第三晶体管(Q9)和所述第四晶体管(Q8)的基极，以及所述第三晶体管(Q9)和所述第四晶体管(Q8)极性相反。

5.根据权利要求4所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述第一电池(BT2)的正极和地之间串联第四电阻(R20)和第五电阻(R21)，所述控制晶体管(Q7)的基极连接在所述第四电阻(R20)和所述第五电阻(R21)之间，所述控制晶体管(Q7)的发射极接地，其中，当所述第一电池(BT2)的电压小于或等于所述预定值时，所述控制晶体管(Q7)截止。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的发电机能量管理装置，其特征在于，当所述控制晶体管(Q7)截止时，所述第三晶体管(Q9)截止，以及所述第四晶体管(Q8)导通；以及当所述控制晶体管(Q7)导通时，所述第三晶体管(Q9)导通，以及所述第四晶体管(Q8)截止。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述发电机能量管理装置还包括耦接在所述发电机和所述整流电路之间的降压式变压器。

8.根据权利要求7所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述发电机为摩擦纳米发电机。

9.根据权利要求1所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述整流电路包括整流桥和并联在该整流桥两个直流输出端之间的至少一个电容。

10.根据权利要求9所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述至少一个电容的电容范围为1pF-100uF。

11.根据权利要求1-5、9、10中任一项所述的发电机能量管理装置，其特征在于，所述第一晶体管(Q1)和所述第二晶体管(Q2)的耐压为20V-600V。

12.一种发电系统，其特征在于，该发电系统包括发电机以及根据权利要求1-7、9-11之一所述的发电机能量管理装置。

13.根据权利要求12所述的发电系统，其特征在于，所述发电机为摩擦纳米发电机。