CN105162357A - 一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，涉及提高输出功率的压电-电磁复合式俘能器，属于新能源和发电技术领域。本发明包括压电-电磁复合式俘能器和能量采集电路。压电-电磁复合式俘能器包括壳体、线圈、上永磁体、压电陶瓷材料、基底梁、锥形永磁体、下永磁体、上电极、压电片、下电极、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。能量采集电路包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。本发明能够实现将交流电转换为直流电，向负载提高输出功率供电，具有绿色无污染、能量密度大、缩短充电时间、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电-电磁复合式俘能器，特别涉及在环境振动条件下、基于能量采集电路提高输出功率的压电-电磁复合式俘能器，属于新能源和发电技术领域。
背景技术
目前，公知的供电元件一般为化学电池。化学电池储能有限，需要定期更换，人力物力成本较高。
公知的测量控制系统都需要外部电源供电，外部电源与传感器之间要通过导线相连，线路繁杂且方便；而且在无电源环境或者极端恶劣环境(如石油钻井钻头定位传感器供能)下，无法使用外部电源供电。
环境中的振动无处不在，是一种绿色能源。通过从环境中获取振动能量，并加以存储进行直接的利用，是解决常规电池能源供应问题的有效措施。对此，国内外学者进行相关自供能技术的研究，其中包括压电俘能器、电磁俘能器等。
随着微电子制造技术、无线传感网络的快速发展及各种新型的低功耗元件的出现，将振动能转化为电能并供给低功耗器件的振动型俘能器成为了研究热点。目前，振动型俘能器主要有静电式、压电式与电磁式。静电式俘能器需要外接电源，很大程度上限制了它的应用。电磁式俘能的基本原理为电磁感应定律，穿过闭合导线的磁通量发生变化时，在导线中产生感应电流，从而输出电能。压电式俘能的基本原理为压电材料的正压电效应，机械振动使得压电材料内部产生应力，发生正压电效应产生电荷，输出电能。压电式与电磁式俘能器的工作原理不同，不能同时输出大电压和大电流。由于压电式俘能器在每个振动周期压输出的电压相对较高、电流较小，而电磁式俘能器的输出的电压相对较低，电流较大，二者能量都很微弱，不能直接向电子负载供电，需要将电压和电流都转换为可以为超级电容或者充电电池供电的电压和电流。因此，在能量采集装置与电子负载之间必须插入能量采集电路。能量采集电路可以将交流电转换为直流电，直接向负载供电，还可以储存每个振动周期压电元件的输出电荷，增大输出电流，从而提高输出功率。
因此，将压电俘能器与电磁俘能器有机结合，设计的压电-电磁复合式俘能器较为少见，设计基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器更为少见。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可将机械振动能转化为电能储存、并对微电子装置供电的压电-电磁复合式俘能器和一种用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路，并将压电-电磁复合式俘能器和能量采集电路集成实现压电-电磁复合式俘能器直接为负载提高输出功率供电。本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，能够实现将交流电转换为直流电，向负载提高输出功率供电，具有绿色无污染、能量密度大、可靠性高、环境适应性强、操作控制方便、维护成本低等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，包括压电-电磁复合式俘能器和用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路。
所述的压电-电磁复合式俘能器包括壳体、线圈、上永磁体、压电陶瓷材料、基底梁、锥形永磁体、下永磁体、上电极、压电片、下电极、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。壳体内壁两侧对称分布有线圈，线圈垂直于壳体底面，线圈与壳体固定连接，并使线圈中心与锥形永磁体尖部位置垂直相对，线圈与锥形永磁体尖部位置之间留有间隙。锥形永磁体底部分别对称固定于上永磁体、下永磁体侧面，基底梁中间部分夹于上永磁体、下永磁体之间，基底梁长度方向两侧与壳体垂直固定连接。所述的上永磁铁、下永磁铁及锥形永磁体充磁方向一致，且均沿锥形永磁体轴线方向，并使锥形永磁体轴线垂直于线圈表面。在基底梁上黏贴压电陶瓷材料，并使基底梁与压电陶瓷材料形状相同。所述的压电陶瓷材料主要由上电极、压电片、下电极组成。所述的上电极、压电片形状相同，在电陶瓷材料上的上电极、压电片中间部分留有间隙。压电陶瓷材料均有左压电片上电极引线、右压电片上电极引线引出，分别作为输出电能的正负两极。
所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体、基底梁、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体。
所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料、基底梁、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体、左压电片上电极引线、右压电片上电极引线。所述的上永磁体、下永磁体和锥形永磁体在电磁俘能部分作为质量块使用。
所述的电磁俘能部分包括线圈、上永磁体、下永磁体、锥形永磁体。上永磁体、下永磁体和锥形永磁体在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场。
所述的用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。
电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。
压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。
所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC降压模块，能量存储模块；电磁俘能器能量采集电路通过AC-AC升压模块使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压，需要经过DC-DC降压模块降压，DC-DC降压模块的输出电压能够直接为充电电池充电。
所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量存储模块；压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到与充电电池充电电压相匹配的输出电压。
所述的用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路包括二极管D1，二极管D2和充电电池。
所述的电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片；即AC-AC升压模块通过微型变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U1实现；电磁俘能器输出端一端接在微型变压器Q的初级线圈一端，另一端接地，微型变压器Q初级线圈的另一端接在芯片U1的SW1管脚；微型变压器Q的次级线圈一端通过电容C1接入芯片U1的C1管脚，通过电容C2接入芯片U1的C2管脚，另一端接地；芯片U1的VS1、Vaux和VLDO管脚并接在电容C3的一端，电容C3的另一端接地；芯片U1的VS2管脚接地；芯片U1的Vout1管脚与电容C4串接后接地，并输出电压VOUT电磁。
所述的压电俘能器能量采集电路包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电感L1和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片；即整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电感L1和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U2实现压电俘能器能量采集电路，压电俘能器输出端两端接入芯片U2的PZ1和PZ2管脚；芯片U2的Vin管脚和CAP管脚之间并接电容C6，Vin管脚串接电容C5后接地；芯片U2的Vin2、D0和D1管脚并接在电容C7一端，电容C7的另一端接地；芯片U2的SW2管脚和VOUT2管脚之间并接电感L1；芯片U2的VOUT2管脚与电容C8串接后接地，并输出电压VOUT压电。
电磁俘能器能量采集电路输出VOUT电磁通过二极管D1接入充电电池的正极；压电俘能器能量采集电路输出VOUT压电通过二极管D2接入充电电池的正极；充电电池的负极接地；电磁俘能器能量采集电路的输出电压VOUT电磁和压电俘能器能量采集电路VOUT压电与充电电池的充电电压相匹配，实现对充电电池的充电功能，防止电流回流。
已有技术中基底梁形状为矩形，为提高压电俘能部分发电量，所述的压电-电磁复合式俘能器在上永磁体、下永磁体与壳体之间基底梁矩形部分两侧分别采用三角形镂空。即在上永磁体、下永磁体与壳体之间基底梁形状为两端等宽，中间较窄的对称结构。采用上述形状的基底梁在体积参数不变的条件下能够提高对外输出功率。
所述的压电-电磁复合式俘能器水平放置工作效果最优。
本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器包括压电俘能部分、电磁俘能部分和能量采集电路部分。压电-电磁复合式俘能器输出端与能量采集电路部分连接，能够将电能储存及对外供能。
本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器的工作过程为：
振动状态下，对于压电俘能部分，壳体上下振动，带动基底梁及压电陶瓷材料上下振动，对于压电结构，由于压电陶瓷材料在振动环境下，压电陶瓷材料表面上电极和下电极会产生相应的正负电荷，每侧振动产生的电荷通过左压电片上电极引线、右压电片上电极引线引出。将电极引线接入能量采集电路的压电能量采集电路部分，通过芯片U2内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由一个效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压，在VOUT2管脚输出电压VOUT压电；
对于电磁俘能部分，基底梁上下振动，带动上永磁体、下永磁体及锥形永磁体上下振动，垂直于壳体的上线圈切割磁感线，产生感应电流。用导线将感应电流引出，接到能量采集电路的电磁能量采集电路部分，通过微型变压器Q升压后，接入芯片U1，在芯片U1内部，经过整流降压、DC/DC转换，在Vout1管脚输出电压VOUT电磁。
有益效果：
1、与常规电池相比，本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器具有现有俘能器的所有优点，即：①绿色无污染，能量密度大，可靠性高，环境适应性强。②操作控制方便。不需要定期更换，节约人力物力成本。③特别适用于环境极端恶劣、不便更换电池的环境及能量消耗较小的户外传感器等的能量供应。
2、采用本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，有效的将压电俘能和电磁俘能结合到一起，可产生较大输出电流和较高输出电压，有效弥补了压电或电磁单独俘能方式功率偏小的不足，在体积参数不变的条件下提高对外输出功率，缩短充电时间，更加有利于为超级电容或者充电电池供电。
3、本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，可微型化后与相关电路、传感器集成在一起工作，可避免电池供能体积较大、无法与MEMS工艺兼容、线路连接复杂等问题。本发明基于寻求一种结构简单，能量密度高、输出功率高、环境适应性强的压电-电磁复合式俘能器。本发明可克服常规能源工艺兼容性差、能量密度低、线路连接复杂、维护不便等问题。
4、本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，结构简单，维护方便，可解决传统电源需要定期更换等维护不便的问题。
5、本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，可用于配备日常生活振动环境及石油地下勘探、采矿等恶劣环境下的能源供应，亦可作为应急备用能源。
附图说明
图1为本发明的压电-电磁复合式俘能器整体结构示意图；
图2为本发明的压电-电磁复合式俘能器整体结构正视图；
图3为本发明的压电-电磁复合式俘能器整体结构俯视图；
图4为本发明结构和电路连接图；
图5是本发明的用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路；
图6是本发明的电磁能量采集电路的示意框图；
图7是本发明的压电能量采集电路的示意框图。
其中，1—壳体、2—线圈、3—上永磁体、4—压电陶瓷材料、5—基底梁、6—锥形永磁体、7—下永磁体、8—上电极、9—压电片、10—下电极、11—左压电片上电极引线、12—右压电片上电极引线。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效做如下详细说明。
实施例1
如图1、2、3所示，本实施例公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，包括压电-电磁复合式俘能器和用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路。
所述的压电-电磁复合式俘能器包括壳体1、线圈2、上永磁体3、压电陶瓷材料4、基底梁5、锥形永磁体6、下永磁体7、上电极8、压电片9、下电极10、左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12。壳体1内壁两侧对称分布有线圈2，线圈2垂直于壳体1底面，线圈2与壳体1固定连接，并使线圈2中心与锥形永磁体6尖部位置垂直相对，线圈2与锥形永磁体6尖部位置之间留有间隙。锥形永磁体6底部分别对称固定于上永磁体3、下永磁体7侧面，基底梁5中间部分夹于上永磁体3、下永磁体7之间，基底梁5与壳体1垂直固定连接。所述的上永磁铁3、下永磁铁7及锥形永磁体6充磁方向一致，且均沿锥形永磁体轴线方向，并使锥形永磁体轴线垂直于线圈2表面。在基底梁5上黏贴压电陶瓷材料4，并使基底梁5与压电陶瓷材料4形状相同。所述的压电陶瓷材料4主要由上电极8、压电片9、下电极10组成。所述的上电极8、压电片9形状相同，在电陶瓷材料4上的上电极8、压电片9中间部分留有间隙。压电陶瓷材料4均有左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12引出，分别作为输出电能的正负两极。
所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体1、基底梁5、上永磁体3、下永磁体7、锥形永磁体6。
所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料4、基底梁5、上永磁体3、下永磁体7、锥形永磁体6、左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12。所述的上永磁体3、下永磁体7和锥形永磁体6在电磁俘能部分作为质量块使用。
所述的电磁俘能部分包括线圈2、上永磁体3、下永磁体7、锥形永磁体6。上永磁体3、下永磁体7和锥形永磁体6在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场。
已有技术中基底梁5形状为矩形，为提高压电俘能部分发电量，所述的压电-电磁复合式俘能器在上永磁体3、下永磁体7与壳体1之间基底梁5矩形部分两侧分别采用三角形镂空。即在上永磁体3、下永磁体7与壳体1之间基底梁5形状为两端等宽，中间较窄的对称结构。采用上述形状的基底梁5在体积参数不变的条件下能够提高对外输出功率。
所述的压电-电磁复合式俘能器水平放置工作效果最优。
如图4所示，所述的基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器包括压电俘能部分、电磁俘能部分和能量采集电路部分。压电-电磁复合式俘能器输出端与能量采集电路部分连接，能够将电能储存及对外供能。
如图5、6、7所示，所述的用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路。
如图6所示，电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。
如图7所示，压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。
所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC降压模块，能量存储模块；电磁俘能器能量采集电路通过AC-AC升压模块使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压，需要经过DC-DC降压模块降压，DC-DC降压模块的输出电压能够直接为充电电池充电。
所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量存储模块；压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到与充电电池充电电压相匹配的输出电压。
所述的用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路包括二极管D1，二极管D2和充电电池。
所述的电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片；即AC-AC升压模块通过微型变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U1实现；电磁俘能器输出端一端接在微型变压器Q的初级线圈一端，另一端接地，微型变压器Q初级线圈的另一端接在芯片U1的SW1管脚；微型变压器Q的次级线圈一端通过电容C1接入芯片U1的C1管脚，通过电容C2接入芯片U1的C2管脚，另一端接地；芯片U1的VS1、Vaux和VLDO管脚并接在电容C3的一端，电容C3的另一端接地；芯片U1的VS2管脚接地；芯片U1的Vout1管脚与电容C4串接后接地，并输出电压VOUT电磁。
所述的压电俘能器能量采集电路包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电感L1和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片；即整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电感L1和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U2实现压电俘能器能量采集电路，压电俘能器输出端两端接入芯片U2的PZ1和PZ2管脚；芯片U2的Vin管脚和CAP管脚之间并接电容C6，Vin管脚串接电容C5后接地；芯片U2的Vin2、D0和D1管脚并接在电容C7一端，电容C7的另一端接地；芯片U2的SW2管脚和VOUT2管脚之间并接电感L1；芯片U2的VOUT2管脚与电容C8串接后接地，并输出电压VOUT压电。
电磁俘能器能量采集电路输出VOUT电磁通过二极管D1接入充电电池的正极；压电俘能器能量采集电路输出VOUT压电通过二极管D2接入充电电池的正极；充电电池的负极接地；电磁俘能器能量采集电路的输出电压VOUT电磁和压电俘能器能量采集电路VOUT压电与充电电池的充电电压相匹配，实现对充电电池的充电功能，防止电流回流。
所述的电磁俘能器能量采集电路采用LTC3108芯片来提高能量的转换效率，即带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U1选用LTC3108芯片；LTC3108芯片是一款高度集成的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芯片所采用的升压型拓扑结构能够在输入电压低至20mV的情况下正常运作；
所述的压电俘能器能量采集电路采用LTC3588芯片来提高能量的转换效率，即所述的芯片U2采用LTC3588芯片；LTC3588是一款专为能量收集而设计的芯片，能够直接连接压电或者交流电源，用外部电容整流电压和存储能量，通过内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压。
优选的，所述的电容C1＝1nF，C2＝330pF,C3＝1μF，C4＝2.2μF，C5＝22μF，C6＝1μF，C7＝4.7μF，C8＝100μF，L1＝22μH，充电电池BAT为3.3V。
本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器包括压电俘能部分、电磁俘能部分和能量采集电路部分。压电-电磁复合式俘能器输出端与能量采集电路部分连接，能够将电能储存及对外供能。
本发明公开的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器的工作过程为：
振动状态下，对于压电俘能部分，壳体1上下振动，带动基底梁5及压电陶瓷材料4上下振动，对于压电结构，由于压电陶瓷材料4在振动环境下，压电陶瓷材料4表面上电极8和下电极10会产生相应的正负电荷，每侧振动产生的电荷通过左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12引出。将左压电片上电极引线11、右压电片上电极引线12接入能量采集电路的压电能量采集电路部分，通过芯片U2内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由一个效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压，在VOUT2管脚输出电压VOUT压电；
对于电磁俘能部分，基底梁5上下振动，带动上永磁体3、下永磁体7及锥形永磁体6上下振动，垂直于壳体1的上线圈切割磁感线，产生感应电流。用导线将感应电流引出，接到能量采集电路的电磁能量采集电路部分，通过微型变压器Q升压后，接入芯片U1，在芯片U1内部，经过整流降压、DC/DC转换，在Vout1管脚输出电压VOUT电磁。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：包括压电-电磁复合式俘能器和用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路；
所述的压电-电磁复合式俘能器包括壳体(1)、线圈(2)、上永磁体(3)、压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、锥形永磁体(6)、下永磁体(7)、上电极(8)、压电片(9)、下电极(10)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)；壳体(1)内壁两侧对称分布有线圈(2)，线圈(2)垂直于壳体(1)底面，线圈(2)与壳体(1)固定连接，并使线圈(2)中心与锥形永磁体(6)尖部位置垂直相对，线圈(2)与锥形永磁体(6)尖部位置之间留有间隙；锥形永磁体(6)底部分别对称固定于上永磁体(3)、下永磁体(7)侧面，基底梁(5)中间部分夹于上永磁体(3)、下永磁体(7)之间，基底梁(5)长度方向两侧与壳体(1)垂直固定连接；所述的上永磁铁(3)、下永磁铁(7)及锥形永磁体(6)充磁方向一致，且均沿锥形永磁体(6)轴线方向，并使锥形永磁体(6)轴线垂直于线圈(2)表面；在基底梁(5)上黏贴压电陶瓷材料(4)，并使基底梁(5)与压电陶瓷材料(4)形状相同；所述的压电陶瓷材料(4主要由上电极(8)、压电片(9)、下电极(10)组成；所述的上电极(8)、压电片(9)形状相同，在电陶瓷材料(4)上的上电极(8)、压电片(9)中间部分留有间隙；压电陶瓷材料(4)均有左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)引出，分别作为输出电能的正负两极；
所述的压电俘能部分和电磁俘能部分共用壳体(1)、基底梁(5)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)；
所述的压电俘能部分包括压电陶瓷材料(4)、基底梁(5)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)、左压电片上电极引线(11)、右压电片上电极引线(12)；所述的上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘能部分作为质量块使用；
所述的电磁俘能部分包括线圈(2)、上永磁体(3)、下永磁体(7)、锥形永磁体(6)；上永磁体(3)、下永磁体(7)和锥形永磁体(6)在电磁俘能部分用于产生电磁发电所需磁场；
所述的用于控制压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路包括电磁俘能器能量采集电路、压电俘能器能量采集电路、用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路；
电磁俘能器能量采集电路用于提高电磁俘能器的输出电压，降低输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得电磁俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配；
压电俘能器能量采集电路用于降低压电俘能器的输出电压，提高输出电流，从而提高输出功率，此外，还需使得压电俘能器能量采集电路的输出电压与充电电池的充电电压匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：
所述的电磁俘能器能量采集电路包括AC-AC升压模块，整流滤波模块，DC-DC降压模块，能量存储模块；电磁俘能器能量采集电路通过AC-AC升压模块使得电磁俘能器的输出电压升高，电流降低，然后通过对升压模块的输出电压进行整流滤波，得到稳定的直流输出电压，为了得到与充电电池的充电电压相匹配的输出电压，需要经过DC-DC降压模块降压，DC-DC降压模块的输出电压能够直接为充电电池充电；
所述的压电俘能器能量采集电路包括整流滤波模块、DC-DC降压模块、能量存储模块；压电俘能器能量采集电路通过整流滤波模块，使得压电俘能器得到稳定的直流输出电压，然后通过DC-DC降压，提高输出电流，同时，得到与充电电池充电电压相匹配的输出电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：在上永磁体(3)、下永磁体(7)与壳体(1)之间基底梁(5)矩形部分两侧分别采用三角形镂空；即在上永磁体(3)、下永磁体(7)与壳体(1)之间基底梁(5)形状为两端等宽，中间较窄的对称结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：
电磁俘能器能量采集电路包括微型变压器Q，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波，DC-DC降压功能的芯片；即AC-AC升压模块通过微型变压器Q硬件实现；整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U1实现；电磁俘能器输出端一端接在微型变压器Q的初级线圈一端，另一端接地，微型变压器Q初级线圈的另一端接在芯片U1的SW1管脚；微型变压器Q的次级线圈一端通过电容C1接入芯片U1的C1管脚，通过电容C2接入芯片U1的C2管脚，另一端接地；芯片U1的VS1、Vaux和VLDO管脚并接在电容C3的一端，电容C3的另一端接地；芯片U1的VS2管脚接地；芯片U1的Vout1管脚与电容C4串接后接地，并输出电压VOUT电磁；
压电俘能器能量采集电路包括电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电感L1和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片；即整流滤波模块和DC-DC降压模块通过电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电感L1和带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U2实现压电俘能器能量采集电路，压电俘能器输出端两端接入芯片U2的PZ1和PZ2管脚；芯片U2的Vin管脚和CAP管脚之间并接电容C6，Vin管脚串接电容C5后接地；芯片U2的Vin2、D0和D1管脚并接在电容C7一端，电容C7的另一端接地；芯片U2的SW2管脚和VOUT2管脚之间并接电感L1；芯片U2的VOUT2管脚与电容C8串接后接地，并输出电压VOUT压电；
所述的用于实现复合充电并防止电流回流的充电电路包括二极管D1、二极管D2和充电电池；
电磁俘能器能量采集电路输出VOUT电磁通过二极管D1接入充电电池的正极；压电俘能器能量采集电路输出VOUT压电通过二极管D2接入充电电池的正极；充电电池的负极接地；电磁俘能器能量采集电路的输出电压VOUT电磁和压电俘能器能量采集电路VOUT压电与充电电池的充电电压相匹配，实现对充电电池的充电功能，防止电流回流。
5.根据权利要求4所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：所述微型变压器Q的初级线圈与次级线圈的比值1:100。
6.根据权利要求4所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：电磁俘能器能量采集电路采用LTC3108芯片来提高能量的转换效率，即带有整流滤波、DC-DC降压功能的芯片U1选用LTC3108芯片；LTC3108芯片是一款高度集成的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芯片所采用的升压型拓扑结构能够在输入电压低至20mV的情况下正常运作；
压电俘能器能量采集电路采用LTC3588芯片来提高能量的转换效率，即所述的芯片U2采用LTC3588芯片；LTC3588是一款专为能量收集而设计的芯片，能够直接连接压电或者交流电源，用外部电容整流电压和存储能量，通过内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压。
7.根据权利要求4所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：所述的电容C1＝1nF，C2＝330pF,C3＝1μF，C4＝2.2μF，C5＝22μF，C6＝1μF，C7＝4.7μF，C8＝100μF，L1＝22μH，充电电池BAT为3.3V。
8.根据权利要求4所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：所述的压电-电磁复合式俘能器水平放置工作效果最优。
9.根据权利要求1或2所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：具有现有俘能器的所有优点，即：①绿色无污染，能量密度大，可靠性高，环境适应性强；②操作控制方便；不需要定期更换，节约人力物力成本；③特别适用于环境极端恶劣、不便更换电池的环境及能量消耗较小的户外传感器等的能量供应。
10.根据权利要求1或2所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：能够产生较大输出电流和较高输出电压，有效弥补压电或电磁单独俘能方式功率偏小的不足，在体积参数不变的条件下提高对外输出功率，缩短充电时间，更加有利于为超级电容或者充电电池供电。
11.根据权利要求1或2所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：微型化后与相关电路、传感器集成在一起工作，能够避免电池供能体积较大、无法与MEMS工艺兼容、线路连接复杂等问题。
12.根据权利要求1或2所述的一种基于能量采集电路的压电-电磁复合式俘能器，其特征在于：适用于配备日常生活振动环境及石油地下勘探、采矿等恶劣环境下的能源供应，亦可作为应急备用能源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |