CN105245118B - 摩擦纳米发电机能量收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦纳米发电机能量收集系统，包括：输入接口，用于连接摩擦纳米发电机的输出端，以接收摩擦纳米发电机输出的电流；整流电路，连接输入接口，用于将经输入接口导入的电流经整流变换为直流电；输入储能电路，连接整流电路的输出端，用于对整流电路输出的直流电进行储能处理；第一控制开关，连接输入储能电路的输出端，用于控制输入储能电路的能量储存及释放时机；DC‑DC转换器，连接第一控制开关的输出端，用于将第一控制开关输出的直流电转换为供负载使用的电压恒定的电源。本发明能量收集系统实现了对摩擦纳米发电机产生的微小能量的合理有效利用，利于摩擦纳米发电机发电的推广，具有广泛的应用前景。

Description

摩擦纳米发电机能量收集系统

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电领域，特别地，涉及一种摩擦纳米发电机能量收集系统。

背景技术

传统的发电，如煤、天然气和核电厂全部采用涡轮发动机驱动和电磁感应发电机，这一直是将机械能转换成电能的唯一途径。然而，自然界和人类生命存续过程中会不断产生各种动能和势能，如何将这些微小的能量转换为人们所需的能源，一直是科技界不断探索的方向。2006年纳米发电机的提出，开辟了将环境中存在的微小能源转化和应用的一个新的领域。

如CN201310714104.4公开了一种收集流动液体能量的发电机和发电方法，可用来收集液体的流动能量，特别是环境中存在的流动液体能量，并将其转化成电力直接使用或储存。发电机主要是利用环境中液体例如水易与其它物质摩擦后带电的特性及静电传导原理，可以广泛的收集如下雨雨滴及环境中废水流动的机械能，并将其转变为电能，具有广阔的应用前景。该文献公开了一种将自然界的微小能量转换为人们所需的能源的例子。

目前，物联网技术和智能穿戴的发展如火如荼，无线传感器作为物联网的重要组成部分，其供电方式也因此受到了极大的关注。传统的供电方式是采用电池供电，但是电池供电时间有限，尤其是随着传感器数量与规模的不断增长，给传感器更换电池太不现实，所以能量收集技术变应时而生。

能量收集的来源无外乎动能、热能、光能、磁能等这几种，摩擦纳米发电机是依靠两种不同物质摩擦后发生电荷转移而产生电能的，它的能量源头也属于动能的范畴。目前针对振动（属于动能）、热能、光能、磁能等能量形式的收集研究很多，也都有相对成熟的技术和方案，但对非常有发展前景的摩擦纳米发电机能量的收集尚未见到成熟有效的技术，相关领域的研究者大都专注于摩擦纳米发电机的发电研究，故亟需设计一种用于摩擦纳米发电机的能量收集系统。

发明内容

本发明提供了一种摩擦纳米发电机能量收集系统，以解决现有的摩擦纳米发电机产生的微小能量难以有效收集以满足负载供电需求的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种摩擦纳米发电机能量收集系统，包括：

输入接口，用于连接摩擦纳米发电机的输出端，以接收摩擦纳米发电机输出的电流；

整流电路，连接输入接口，用于将经输入接口导入的电流经整流变换为直流电；

输入储能电路，连接整流电路的输出端，用于对整流电路输出的直流电进行储能处理；

第一控制开关，连接输入储能电路的输出端，用于控制输入储能电路的能量储存及释放时机；

DC-DC转换器，连接第一控制开关的输出端，用于将第一控制开关输出的直流电转换为供负载使用的电压恒定的电源。

进一步地，第一控制开关包括用于高压检测的第一比较器、用于低压检测的第二比较器，第一比较器、第二比较器的输出端分别连接RS触发器的输入端，RS触发器的输出端经OD门连接DC-DC转换器，输入储能电路在第一控制开关的控制下，当输入储能电路上的电压高于第一阈值时，OD门输出高电平以驱动DC-DC转换器工作以供电给负载，输入储能电路进入放电阶段；当输入储能电路上的电压低于第二阈值时，OD门输出低电平以停止DC-DC转换器工作，输入储能电路进入储能阶段，其中，第一阈值高于第二阈值。

进一步地，输入储能电路与第一控制开关之间设有用于防止输入储能电路的输出电压高于预设阈值的分流保护电路。

进一步地，DC-DC转换器的输出端分为两路，一路连接用于供电给负载的输出接口，另一路连接经第二控制开关连接输出储能电路。

进一步地，第二控制开关作为输出储能电路的充放电管理电路，包括第三比较器，第三比较器的一个输入端经分压电路连接DC-DC转换器的输出端，另一个输入端连接参考电压；第二控制开关还包括连接DC-DC转换器的输出端与输出储能电路的隔离控制电路，第三比较器的输出端连接隔离控制电路的控制端以控制隔离控制电路的开闭状态。

进一步地，隔离控制电路为MOS管。

进一步地，输出储能电路采用储能电容。

进一步地，输出储能电路包括两只或者两只以上串联连接的储能电容。

进一步地，DC-DC转换器为降压型DC-DC转换电路。

本发明具有以下有益效果：

本发明摩擦纳米发电机能量收集系统，通过接收摩擦纳米发电机的能量并转换为直流电供电给输入储能电路，且通过设置第一控制开关对输入储能电路的能量储存及释放时机进行控制，再将经输入储能电路储存的能量经DC-DC转换器转换为电源恒定的电源供电给负载，实现了对摩擦纳米发电机产生的微小能量的合理有效利用，利于摩擦纳米发电机发电的推广，具有广泛的应用前景。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的摩擦纳米发电机能量收集系统的结构示意图；

图2是本发明优选实施例第一控制开关的结构示意图；

图3是本发明优选实施例第一控制开关的输出特性示意图；

图4是本发明优选实施例第二控制开关的结构示意图。

附图标记说明：

10、输入接口；

20、整流电路；

30、输入储能电路；

40、第一控制开关；

50、DC-DC转换器；

60、分流保护电路；

70、输出接口；

80、第二控制开关；

90、输出储能电路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的优选实施例提供一种摩擦纳米发电机能量收集系统，用于将收集的摩擦纳米发电机生成的微小能量转换为负载可用的能量，从而拓宽摩擦纳米发电机的应用场景。现有的摩擦纳米发电机具有恒流源输出特性，其开路电压非常高，高达几百伏甚至上千伏，而短路电流非常小，峰值电流最高仅几百微安。根据这些特性，发明了本实施例能量收集系统，该能量收集系统能把微弱的交流电转换成电压恒定的直流电，可以直接为MCU、无线传感器等负载供电。参照图1，本实施例能量收集系统包括：

输入接口10，用于连接摩擦纳米发电机的输出端，以接收摩擦纳米发电机输出的电流；

整流电路20，连接输入接口10，用于将经输入接口10导入的电流经整流变换为直流电；作为一种优选的实施方式，本实施例整流电路20通过不控桥式整流或倍压整流电路来实现；

输入储能电路30，连接整流电路20的输出端，用于对整流电路20输出的直流电进行储能处理；

第一控制开关40，连接输入储能电路30的输出端，用于控制输入储能电路30的能量储存及释放时机；

DC-DC转换器50，连接第一控制开关40的输出端，用于将第一控制开关40输出的直流电转换为供负载使用的电压恒定的电源。

本实施例中，可选地，输入储能电路30是由极低ESR的陶瓷电容构成，根据输入源的大小可以选择0.1μF~4.7μF。

优选地，考虑能量收集先储存后释放的要求，本发明设计一种能量控制开关，当能量积累到一定程度后，开关闭合释放能量，而当能量泄放到一定程度后，能量控制开关又打开储存能量，如此反复进行一个个能量的积累-能量释放循环。本实施例能量控制开关即第一控制开关40，该第一控制开关40在能量收集系统中起着控制能量释放时机的作用。

参照图2，本实施例第一控制开关40包括用于高压检测的第一比较器、用于低压检测的第二比较器，第一比较器、第二比较器的输出端分别连接RS触发器的输入端，RS触发器的输出端经OD门（漏极开路的门电路）连接DC-DC转换器50，输入储能电路30在第一控制开关40的控制下，当输入储能电路30上的电压高于第一阈值时，OD门输出高电平以驱动DC-DC转换器50工作以供电给负载，输入储能电路30进入放电阶段；当输入储能电路30上的电压低于第二阈值时，OD门输出低电平以停止DC-DC转换器50工作，输入储能电路30进入储能阶段，其中，第一阈值高于第二阈值，如此反复进行一个个能量的积累-能量释放循环。

参照图2，优选地，能量控制开关采用一个双比较器、一个RS触发器和一个OD门，其输入电压经三个兆欧级电阻分压后，进入双比较器，双比较器中的一个比较器用于检测高压输入，另一个用于检测低压输入，双比较器的输出由一个基本RS触发器来锁存，锁存的值再经一个OD门输出。具体地，OD门输出接上拉电阻R4，接上上拉电阻R4后输出特性参见图3。结合图2，可以计算出：

当输入储能电路上的电压高于VINH时，即高于第一阈值时，高压检测比较器输出高电平，RS触发器置位，OD门经上拉后输出高电平。在能量收集系统中，OD门的输出接在DC-DC转换器50的使能(EN)端上，当OD门输出高电平时，DC-DC转换器50开始工作，储能电容的能量开始释放，如果系统输出接有负载，那么储能电容上的电压会逐渐减小，当电压减小到VINL,时，即低于第二阈值时，低压检测比较器输出高电平，RS触发器复位，OD门输出低电平，DC-DC转换器50此时停止工作，储能电容上能量停止释放，系统进入下一个储能过程。如此反复，第一控制开关40源源不断地把收集好的能量转移到负载中去。

当能量收集系统输出接有负载的情况下，输入储能电路上的电压会逐渐减小，但是如果没有负载或负载很小，尽管第一控制开关一直打开着，但是能量转移量很小，造成能量大量积累，其表现形式为输入储能电路上的电压一直升高，当输入储能电路上的电压高到一定值后，为了避免对后级电路造成破坏，优选地，输入储能电路30与第一控制开关40之间设有用于防止输入储能电路30的输出电压高于预设阈值的分流保护电路60。当输入储能电路30上的电压高到一定值后，分流保护电路60动作，泄放掉一部分能量，保护后级的电路免遭损坏。本实施例分流保护电路60可采用低漏电流的稳压管来实现。

优选地，考虑到输入储能电路30中的储能容量会影响到能量收集的多少，本实施例能量收集系统在DC-DC转换器50的输出端分为两路，一路连接用于供电给负载的输出接口70，另一路连接经第二控制开关80连接输出储能电路90。该第二控制开关80作为输出储能电路90的充放电管理电路，让输出储能电路90把系统满足负载功耗后多余的能量储存起来，且当摩擦纳米发电机停止工作或者发电量不足时，又可经输出储能电路90释放能量以供电给负载。

参照图4，本实施例第二控制开关80，包括第三比较器，第三比较器的一个输入端经分压电路连接DC-DC转换器50的输出端，另一个输入端连接参考电压；第二控制开关80还包括连接DC-DC转换器50的输出端与输出储能电路90的隔离控制电路，第三比较器的输出端连接隔离控制电路的控制端以控制隔离控制电路的开闭状态。

参照图4，本实施例隔离控制电路为MOS管。优选地，隔离控制电路为结电容小的P沟道MOS管。工作时，VOUT1连接作为输出储能电路90的超级电容。VIN1经电阻R5、R6分压后进入比较器的反极性输入端，正极性输入端接一参考电压，引入正反馈，使比较器有一个50mV的回差，当反极性输入端的电压大于参考电压加上回差的值时，比较器输出低电平，PMOS导通，VIN1通过PMOS后为超级电容充电。超级电容在未充满的情况下，VIN1输出电压会逐渐下降，当降到小于参考电压减去回差的值时，比较器反转输出高电平，PMOS管截止，超级电容停止充电。当输入源不能提供足够的能量时，输出储能超级电容将自动通过PMOS的体二极管释放能量。

本实施例输出储能电路90的主要元器件为漏电流极小的超级电容。优选地，输出储能电路90包括两只或者两只以上串联连接的储能电容。当用两只或多只超级电容串联运行时，还包括电压平衡电路，本实施例电压平衡电路可以采用自动平衡MOSFET阵列或运放构建的超级电容平衡电路。

本实施例摩擦纳米发电机能量收集系统，通过接收摩擦纳米发电机的能量并转换为直流电供电给输入储能电路，且通过设置第一控制开关对输入储能电路的能量储存及释放时机进行控制，再将经输入储能电路储存的能量经DC-DC转换器转换为电源恒定的电源供电给负载，实现了对摩擦纳米发电机产生的微小能量的合理有效利用，利于摩擦纳米发电机发电的推广，具有广泛的应用前景。且本实施例电路结构简单，成本低廉，便于生成和调试，工作电压范围宽，本实施例DC-DC转换器50优选为降压型DC-DC转换电路，以拓宽供电负载的适用范围。本实施例能量收集系统输出电压范围为DC6-36V，且该系统空载损耗低，电源收集效率可以达到90%以上。

本实施例能量收集系统除了可以应用于摩擦纳米发电机微能量收集外，还可以应用于众多振动、电磁等微能量的收集中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种摩擦纳米发电机能量收集系统，其特征在于，包括：

输入接口（10），用于连接摩擦纳米发电机的输出端，以接收所述摩擦纳米发电机输出的电流；

整流电路（20），连接所述输入接口（10），用于将经所述输入接口（10）导入的电流经整流变换为直流电；

输入储能电路（30），连接所述整流电路（20）的输出端，用于对所述整流电路（20）输出的直流电进行储能处理；

第一控制开关（40），连接所述输入储能电路（30）的输出端，用于控制所述输入储能电路（30）的能量储存及释放时机；

DC-DC转换器（50），连接所述第一控制开关（40）的输出端，用于将所述第一控制开关（40）输出的直流电转换为供负载使用的电压恒定的电源；

所述第一控制开关（40）包括用于高压检测的第一比较器、用于低压检测的第二比较器，所述第一比较器、所述第二比较器的输出端分别连接RS触发器的输入端，所述RS触发器的输出端经OD门连接所述DC-DC转换器（50），所述输入储能电路（30）在所述第一控制开关（40）的控制下，当所述输入储能电路（30）上的电压高于第一阈值时，OD门输出高电平以驱动所述DC-DC转换器（50）工作以供电给负载，所述输入储能电路（30）进入放电阶段；当所述输入储能电路（30）上的电压低于第二阈值时，OD门输出低电平以停止所述DC-DC转换器（50）工作，所述输入储能电路（30）进入储能阶段，其中，所述第一阈值高于所述第二阈值；

所述输入储能电路（30）与所述第一控制开关（40）之间设有用于防止所述输入储能电路（30）的输出电压高于预设阈值的分流保护电路（60）；

所述DC-DC转换器（50）的输出端分为两路，一路连接用于供电给负载的输出接口（70），另一路连接经第二控制开关（80）连接输出储能电路（90）。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机能量收集系统，其特征在于，

所述第二控制开关（80）作为所述输出储能电路（90）的充放电管理电路，包括第三比较器，所述第三比较器的一个输入端经分压电路连接所述DC-DC转换器（50）的输出端，另一个输入端连接参考电压；所述第二控制开关（80）还包括连接所述DC-DC转换器（50）的输出端与所述输出储能电路（90）的隔离控制电路，所述第三比较器的输出端连接所述隔离控制电路的控制端以控制所述隔离控制电路的开闭状态。

3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机能量收集系统，其特征在于，

所述隔离控制电路为MOS管。

4.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机能量收集系统，其特征在于，

所述输出储能电路（90）采用储能电容。

5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机能量收集系统，其特征在于，

所述输出储能电路（90）包括两只以上串联连接的储能电容。

6.根据权利要求1至5任一所述的摩擦纳米发电机能量收集系统，其特征在于，

所述DC-DC转换器（50）为降压型DC-DC转换电路。