CN105450085A - 一种基于压电电磁集成发电的移动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电电磁集成发电的移动电源。传统移动电源需固定电源补充电能。本发明中游丝的一端和两个磁性圆盘均与固定框架固定；游丝的另一端与中心杆固定；游丝表面覆盖压电聚合物薄膜；陀飞轮固定在中心杆上；游丝与固定框架固定的一端以及陀飞轮与中心杆的固定连接处作为压电电磁集成发电装置的电能输出端。充电电路管理模块将压电电磁集成发电装置输出的电能转化成稳定电压输入到储能元件中；充电状态下，储能元件输出稳定电流，通过电路保护模块后，经升压模块升压提供给输出模块；电路保护模块反馈电流给充电电路管理模块。本发明将压电电磁集成发电运用到移动电源，通过走路、运动、摇晃等就能对其充电。
Description
技术领域
本发明属于移动电源技术领域，具体涉及一种基于压电电磁集成发电的移动电源。
背景技术
移动电子设备的应用日益广泛，如智能手机、便携式数码摄像机、数码相机和mp3等，因此各种移动电子设备的电源续航能力目前成为消费者关注的焦点问题之一。传统的移动电源虽然能有效延长移动设备的使用时间，但存储电量有限，需要通过固定电源对其进行充电从而补充电能，因此在许多场合中难以满足人们的使用需求。
电磁效应发电是一种利用强力永磁体和线圈做磁场切割运动产生电能的发电方式，其线圈截面一般设计为圆形，即由圆柱形永磁铁在线圈绕制的圆柱型腔体内直线往返运行而产生电能。电磁发电微电源研究起始于20世纪90年代，1996年英国Sheffield大学的C.B.Williams等人提出基础理论模型，后来经过一些学者的研究，产生了利用电磁感应的原理将人体机械能作为电磁转换原动力的发电装置，仅通过用户的日常运动即可发电。该发电装置体积小巧，具有良好的环境适应性，是一种较实用的发电方式，但由于单一电磁效应发电能量转换率较低，以至于所产生的电能无法满足用户需求。
目前，压电材料在现代科技中应用越来越广，国内外学者对此开展了深入的研究。通过压电效应和电磁转换独立发电的微电源研究理论计算和微电源结构设计取得了显著发展，为实现压电智能发电在实际中的应用提供了基础。
压电电磁集成发电是一项新的研究课题，最早的模型为2000年美国伯克利大学Soundy博士系统研究并利用电路等效原理建立的压电发电微电源理论模型，后来一些企业和学者对此开展了深入的研究，研制出了几种不同类型的压电电磁集成发电装置，如：2008年美国IllinoisInstituteofTechnology的A.Khaligh等人设计的蛇形弹簧结构的压电电磁集成发电装置，同年美国Missouri-Columbia大学的T.Wacharasindhu等人设计的键盘式集成能源采集器等。当然，该课题仍存在着许多困难，如结构设计的探索研究，控制压电电磁微电源输出稳定电能的电路控制系统的完善等，但其巨大的优点却还吸引着学者们的不断研究。经过大量的实验测试，压电电磁集成发电的总输出功率并不是单个系统输出功率的简单叠加，相较于单一电磁效应发电的强大优越性决定了其广阔的发展前景。
因此，有必要设计一种基于压电电磁集成发电的移动电源，使得该移动电源不仅可以实现人们随时随地充电，而且其能源收集与转化发电原理也十分简单，只需通过用户主动摇晃、振荡或间接被动的运动(如用户携带该装置散步，跑步，骑车或其它日常活动)获得电能，具有良好的环境适应性和实用性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于压电电磁集成发电的移动电源，该移动电源可以同时利用压电效应和电磁转换进行能量存储，能够有效地提高移动电子设备的续航能力，是一种清洁、环保、方便的移动供电设备。
本发明采用的技术方案为：
本发明包括壳体及放置在壳体内的电池管理系统、储能元件和压电电磁集成发电装置。所述的压电电磁集成发电装置包括固定框架、磁性圆盘、中心杆、陀飞轮和游丝。所述游丝的一端和两个磁性圆盘均固定在固定框架上；游丝的另一端与中心杆固定；游丝的形状呈阿基米德螺旋线，沿阿基米德螺旋线在表面覆盖压电聚合物薄膜或压电混合复合材料；所述的中心杆与两个磁性圆盘均构成转动副；所述的陀飞轮设置在两个磁性圆盘之间，且固定在中心杆上；陀飞轮的两端均设有重陀；两重陀的重量及其重力的力臂均相等。游丝与固定框架固定的一端以及陀飞轮与中心杆的固定连接处均作为压电电磁集成发电装置的电能输出端。
所述的电池管理系统包括充电电路管理模块、升压模块、电路保护模块和输出模块；所述的充电电路管理模块将压电电磁集成发电装置输出的电能转化成稳定电压输入到储能元件中；充电电路管理模块采用LINEAR公司的LTC3588-1芯片；充电状态下，储能元件输出稳定电流，通过电路保护模块后，经升压模块升压提供给输出模块以供给充电；电路保护模块反馈电流给充电电路管理模块；输出模块的输出端口电流值超过k时，k取2～4A中的一个值，充电电路管理模块检测到过流，关断输出端口负端与地的连接。
所述磁性圆盘提供的磁场强度为0.4～0.7T。
所述的储能元件和电路保护模块均通过状态指示模块指示当前状态。
所述的压电电磁集成发电装置替换为市电与充电电路管理模块连接，充电电路管理模块将市电转化为稳定电压输入到储能元件中。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用全新的压电电磁集成发电装置，首次将压电电磁集成发电概念运用到移动电源中，开拓了移动电源发电方法的新技术。相较于传统移动电源，创新性地采集人体机械能作为电能来源，更加绿色环保，同时克服了传统移动电源存储电量有限，无法持续供电的问题。
2、压电电磁集成发电装置可以同时利用压电效应和电磁转换进行能量存储，克服了原有单一电磁效应发电装置发电效率低的问题，受昼夜变化、光照强度和温度等环境条件影响较小。
3、压电电磁集成发电装置不仅可以实现人们随时随地充电，而且其能源收集与转化发电原理也十分简单，只需将其随身携带，通过平时的走路、运动、摇晃等就能对其充电，具有良好的环境适应性和实用性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中压电电磁集成发电装置的结构立体图；
图3是本发明中压电电磁集成发电装置去除固定框架后的结构立体示意图；
图4是本发明的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2和3所示，一种基于压电电磁集成发电的移动电源，包括壳体1及放置在壳体1内的电池管理系统2、储能元件3和压电电磁集成发电装置4。压电电磁集成发电装置4包括固定框架5、磁性圆盘6、中心杆7、陀飞轮8和游丝9。游丝9的一端和两个磁性圆盘6均固定在固定框架5上；游丝9的另一端与中心杆7固定；游丝9的形状呈阿基米德螺旋线，沿阿基米德螺旋线在表面覆盖压电聚合物薄膜或压电混合复合材料(PVF2-PZT)；磁性圆盘6提供的磁场强度为0.4～0.7T；中心杆7与两个磁性圆盘6均构成转动副；陀飞轮8设置在两个磁性圆盘6之间，且固定在中心杆7上；陀飞轮8的两端均设有重陀；两重陀的重量及其重力的力臂均相等。游丝9与固定框架5固定的一端以及陀飞轮8与中心杆7的固定连接处均作为压电电磁集成发电装置4的电能输出端。
如图4所示，电池管理系统2包括充电电路管理模块2-1、升压模块2-2、电路保护模块2-3和输出模块2-4；压电电磁集成发电装置4的电能输出端与储能元件3通过充电电路管理模块2-1相连；充电电路管理模块2-1将压电电磁集成发电装置4输出的电能转化成稳定电压输入到储能元件3中；充电电路管理模块采用LINEAR公司推出的一款专门面向能量收集的集成芯片LTC3588-1，内部集成了AC/DC、电荷泵以及电源管理模块，可以直接采集微小交流电压信号，持续输出100mA的电流信号，且其静态电流只需950nA。为电子产品充电时，储能元件3会输出稳定电流，通过电路保护模块2-3后，经升压模块2-2将电压升到5.0V，提供给输出模块2-4以供给充电。为了提高移动电源使用的安全性，系统设计了输出模块2-4的过流保护(电路保护模块2-3)，如果输出模块2-4的输出端口电流超过2A，升压模块2-2将不再工作，同时充电电路管理模块检测到过流之后，关断输出端口负端与地的连接，这样移动电源就不会给负载供电了。储能元件3和电路保护模块2-3均与状态指示模块2-5连接；该充电方式可以采集如人体、车辆等低频振动源的振动能。
压电电磁集成发电装置4的工作过程分为两个阶段：
第一阶段，受到外界机械运动的影响时，陀飞轮8会绕中心杆7的旋转轴摆动，在两个磁性圆盘6形成的强磁场中切割磁感线，从而产生感应电流，同时中心杆7进行自转，带动游丝9发生形变，游丝9表面的压电聚合物薄膜受到形变产生微电流。第二阶段，游丝9从形变状态恢复到初始状态的过程中，压电聚合物薄膜产生微电流，中心杆7反向转动，带动陀飞轮8切割磁感线，产生感应电流。压电电磁集成发电装置4重复以上两个工作阶段，陀飞轮8的摆动幅度与游丝9的形变量不断变小，直至稳定，其过程一直产生微电流，微电流可在陀飞轮8与中心杆7的连接处，游丝9末端进行收集。
该基于压电电磁集成发电的移动电源也可直接通过市电进行储能充电，市电通过充电电路管理模块2-1转化为适合储存的电压输入到储能元件3中。
综上，本发明可以同时利用压电效应和电磁效应进行能量存储，克服了现有单一电磁效应发电装置发电效率低下的问题，受昼夜变化、光照强度和温度等环境条件影响小。该基于压电电磁集成发电的移动电源不仅可以实现人们随时随地充电，而且其能源收集与转化发电原理也十分简单，只需通过用户主动摇晃、振荡或间接被动的运动(如用户携带该移动电源散步，跑步，骑车或其它日常活动)获得电能，具有良好的环境适应性和实用性。
Claims (4)
1.一种基于压电电磁集成发电的移动电源，包括壳体及放置在壳体内的电池管理系统和储能元件，其特征在于：还包括放置在壳体内的压电电磁集成发电装置；所述的压电电磁集成发电装置包括固定框架、磁性圆盘、中心杆、陀飞轮和游丝；所述游丝的一端和两个磁性圆盘均固定在固定框架上；游丝的另一端与中心杆固定；游丝的形状呈阿基米德螺旋线，沿阿基米德螺旋线在表面覆盖压电聚合物薄膜或压电混合复合材料；所述的中心杆与两个磁性圆盘均构成转动副；所述的陀飞轮设置在两个磁性圆盘之间，且固定在中心杆上；陀飞轮的两端均设有重陀；两重陀的重量及其重力的力臂均相等；游丝与固定框架固定的一端以及陀飞轮与中心杆的固定连接处均作为压电电磁集成发电装置的电能输出端；
所述的电池管理系统包括充电电路管理模块、升压模块、电路保护模块和输出模块；所述的充电电路管理模块将压电电磁集成发电装置输出的电能转化成稳定电压输入到储能元件中；充电电路管理模块采用LINEAR公司的LTC3588-1芯片；充电状态下，储能元件输出稳定电流，通过电路保护模块后，经升压模块升压提供给输出模块以供给充电；电路保护模块反馈电流给充电电路管理模块；输出模块的输出端口电流值超过k时，k取2～4A中的一个值，充电电路管理模块检测到过流，关断输出端口负端与地的连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电电磁集成发电的移动电源，其特征在于：所述磁性圆盘提供的磁场强度为0.4～0.7T。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电电磁集成发电的移动电源，其特征在于：储能元件和电路保护模块均通过状态指示模块指示当前状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电电磁集成发电的移动电源，其特征在于：所述的压电电磁集成发电装置替换为市电与充电电路管理模块连接，充电电路管理模块将市电转化为稳定电压输入到储能元件中。
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