CN107181423A - 一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，包括：步骤1，建立摩擦电纳米发电机的等效电路模型；步骤2，改变负载电阻和电容，分析摩擦电纳米发电机搭载电源管理电路时输出功率的变化；步骤3，通过改变负载调节电路功率开关占空比与负载电阻大小，调节电路的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法。
背景技术
长期以来，利用环境中的机械能被认为是关键的研究课题，近年来，基于摩擦生电和静电感应出现的摩擦电纳米发电机在机械能量收集方面是很有前景的技术，特别是在便携式电子设备和自供电元件上。类似于CMOS集成电路和系统的发展，完全集成的能量收集系统包括摩擦电纳米发电机、电源管理电路、信号处理电路、能量储存元件和负载电路，这些对于摩擦电纳米发电机的实际应用都至关重要。理论仿真对于分析理解摩擦电纳米发电机系统的工作机制和输出性能有十分重要的作用，这为未来的设计和优化系统铺平了道路。然而，先前的研究只关注与摩擦电纳米发电机系统本身或者是带有线性电阻负载电路，在实际应用中，具有任意数量的线性或者非线性元件不可能通过之前的方法来实现。
在本发明中，推出了摩擦电纳米发电机系统的等效模型，以便加深对其的认识并且辅助其仿真过程，搭载了负载调节电路，通过改变负载调节电路功率开关的占空比，调节电路的输出功率。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法。
在本发明中，一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，包括：步骤1，建立摩擦电纳米发电机的等效电路模型；步骤2，改变负载电阻和电容，分析摩擦电纳米发电机搭载电源管理电路时输出功率的变化；步骤3，通过改变负载调节电路功率开关占空比与负载电阻大小，调节电路的输出功率。
所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，所述等效电路模型包括：
摩擦电纳米发电机的等效电路模型可以从其控制方程中给出，式中的CTENG
和VOC可以由等效电路模型中的两个电路元件表示，第一个是电容项，它来源于两个电极之间的电容，可以用电容(CTENG)来表示。另一个是开路电压项，其来源于极化摩擦电荷的分离，并且可以由理想电压源(VOC)表示。结合这两个元件，整个等效电路模型可以由理想电压源和电容器的串联连接来表示。
从该等效电路模型中，CTENG和负载电阻间的阻抗匹配是固有的。摩擦电纳米发电机的固有电容会指出交流电压源VOC的阻抗。任何会增加该固有电容的结构参数将降低该阻抗，从而降低匹配电阻。提高运动速度相当于增加交流电压源VOC的频率，因此匹配的电阻也将降低。CTENG的阻抗与摩擦电荷密度是相互独立的，匹配的负载电阻也不受摩擦电荷密度的影响。
所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，所述步骤2包括：
搭载电阻器的平行板接触式摩擦电纳米发电机，该摩擦电纳米发电机的顶板设置为如下所述的简谐谐振模式移动，结合摩擦电纳米发电机和电阻器的整
个系统的控制方程为：
由于固有的电容特性，摩擦电纳米发电机只能提供不稳定的交流电压/电流输出。电源管理系统中包括二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器一端接滤波电容一端，所述二极管桥式整流器另一端接滤波电容另一端，所述负载电阻一端接滤波电容一端，所述负载电阻另一端接滤波电容另一端。
其输出的周期性电压信号是稳态输出信号，含有直流分量VDC和纹波分量，输出的直流分量取决于负载电阻，VDC几乎与滤波电容无关，当RL较小时，直流分量随着RL的增加而迅速增加。当RL足够大时，直流分量VDC达到饱和，存在最佳负载电阻，此时所传递的能量达到最大。输出的纹波系数由负载电阻和滤波电容的乘积决定，增加其中任何一个可以减小纹波因数，但是大电容将导致更长的过渡状态。
所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，其特征在于，所述步骤3包括：
所述集成摩擦电纳米发电机系统搭载负载调节电路，包括电压源、第一整流器、第一电容、第二电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一电感、第一电阻。
所述第一整流器输入一端接第一电容一端，所述第一电容另一端接电压源正极，所述第一整流器输入另一端接电压源负极，所述第一整流器输出正极接第一电容一端，所述第二电容一端接第一功率开关管漏极，所述第一功率开关管源极接第二功率开关管漏极，所述第二功率开关管漏极还接第一电感一端，所述第一电感另一端接第一电阻一端，所述第一电阻另一端接第二功率开关管源极，所述第二功率开关管源极还接第二电容另一端，所述第二电容另一端还接第一整流器输出负极。
所述电路采用的是平行板接触式摩擦电纳米发电机，固定不同的负载电阻，改变功率开关管的占空比，仿真结果得出，在固定的负载电阻下，改变功率开关管的占空比可以改变电路的输出功率，且可以找到输出能量最大的最佳电阻值。
所述摩擦电纳米发电机系统采用的是平行板接触式摩擦电纳米发电机，搭载负载调节电路，固定不同的负载电阻，改变功率开关管的占空比，仿真结果得出，在固定的负载电阻下，改变功率开关管的占空比可以改变电路的输出功率，且可以找到输出能量最大的最佳电阻值。
上述技术方案的有益效果为：
推出了摩擦电纳米发电机系统的等效模型，便于加深对摩擦电纳米发电机系统的认识，并且辅助其仿真过程。
通过改变负载调节电路功率开关的占空比，可以调节电路的输出功率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集电路图；
图2为本发明摩擦电纳米发电机搭载负载调节电路，改变负载电阻和占空比，平均输出功率变化曲线；
图3是本发明摩擦电纳米发电机等效电路模型；
图4是本发明典型的摩擦电纳米发电机电源管理电路；
图5为本发明具有电源管理电路的摩擦电纳米发电机，改变负载电阻和滤波电容，平均输出功率变化曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提出了一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，建立了摩擦电纳米发电机的等效电路模型，改变负载电阻和电容，分析摩擦电纳米发电机搭载电源管理电路时输出功率的变化，通过改变负载调节电路功率开关占空比与负载电阻大小，调节电路的输出功率。
图1为一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集电路图，其关键在于，包括：电压源、第一整流器、第一电容、第二电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一电感、第一电阻。
所述第一整流器输入一端接第一电容一端，所述第一电容另一端接电压源正极，所述第一整流器输入另一端接电压源负极，所述第一整流器输出正极接第一电容一端，所述第二电容一端接第一功率开关管漏极，所述第一功率开关管源极接第二功率开关管漏极，所述第二功率开关管漏极还接第一电感一端，所述第一电感另一端接第一电阻一端，所述第一电阻另一端接第二功率开关管源极，所述第二功率开关管源极还接第二电容另一端，所述第二电容另一端还接第一整流器输出负极。
所述电路采用的是平行板接触式摩擦电纳米发电机，固定不同的负载电阻，改变功率开关管的占空比，仿真结果可以得出，在固定的负载电阻下，通过改变负载调节电路功率开关占空比与负载电阻大小，可以调节电路的功率输出，且找到输出能量最大的最佳电阻值，如图2所示。
图2为摩擦电纳米发电机搭载负载调节电路，改变负载电阻和占空比，平均输出功率变化曲线。
改变负载调节电路的占空比从20％～80％，固定负载电阻分别为100千欧、1兆欧、10兆欧、100兆欧，仿真验证得在负载电阻为10兆欧时为最佳电阻，平均输出功率最大，平均输出功率随着负载调节电路功率开关占空比的增加而增加。
图3为本发明摩擦电纳米发电机等效电路模型，摩擦电纳米发电机的等效电路模型可以从其控制方程中给出，式中的CTENG
和VOC可以由等效电路模型中的两个电路元件表示，第一个是电容项，它来源于两个电极之间的电容，可以用电容(CTENG)来表示。另一个是开路电压项，其来源于极化摩擦电荷的分离，并且可以由理想电压源(VOC)表示。结合这两个元件，整个等效电路模型可以由理想电压源和电容器的串联连接来表示。
从该等效电路模型中，CTENG和负载电阻间的阻抗匹配是固有的。摩擦电纳米发电机的固有电容会指出交流电压源VOC的阻抗。任何会增加该固有电容的结构参数将降低该阻抗，从而降低匹配电阻。提高运动速度相当于增加交流电压源VOC的频率，因此匹配的电阻也将降低。CTENG的阻抗与摩擦电荷密度是相互独立的，匹配的负载电阻也不受摩擦电荷密度的影响。
图4为本发明典型的摩擦电纳米发电机电源管理电路；搭载电阻器的平行板接触式摩擦电纳米发电机，该摩擦电纳米发电机的顶板设置为如下所述的简谐谐振模式移动，结合摩擦电纳米发电机和电阻器的整
个系统的控制方程为：
由于固有的电容特性，摩擦电纳米发电机只能提供不稳定的交流电压/电流输出。电源管理系统中包括二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器一端接滤波电容一端，所述二极管桥式整流器另一端接滤波电容另一端，所述负载电阻一端接滤波电容一端，所述负载电阻另一端接滤波电容另一端。
其输出的周期性电压信号是稳态输出信号，含有直流分量VDC和纹波分量，输出的直流分量取决于负载电阻，VDC几乎与滤波电容无关，当RL较小时，直流分量随着RL的增加而迅速增加。当RL足够大时，直流分量VDC达到饱和，存在最佳负载电阻，此时所传递的能量达到最大。输出的纹波系数由负载电阻和滤波电容的乘积决定，增加其中任何一个可以减小纹波因数，但是大电容将导致更长的过渡状态，其平均输出功率变化曲线如图5所示。
图5为本发明具有电源管理电路的摩擦电纳米发电机，改变负载电阻和滤波电容，平均输出功率变化曲线。
上述技术方案的有益效果为：
推出了摩擦电纳米发电机系统的等效模型，便于加深对摩擦电纳米发电机系统的认识，并且辅助其仿真过程。
通过改变负载调节电路功率开关的占空比，可以调节电路的输出功率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，其特征在于，包括：步骤1，建立摩擦电纳米发电机的等效电路模型；步骤2，改变负载电阻和电容，分析摩擦电纳米发电机搭载电源管理电路时输出功率的变化；步骤3，通过改变负载调节电路功率开关占空比与负载电阻大小，调节电路的输出功率。
2.根据权利要求1所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，其特征在于，所述等效电路模型包括：
摩擦电纳米发电机的等效电路模型可以从其控制方程中给出，式中的CTENG
<mrow>
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<mo>=</mo>
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<mo>+</mo>
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<mrow>
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</mrow>
</msub>
</mrow>
和VOC可以由等效电路模型中的两个电路元件表示，第一个是电容项，它来源于两个电极之间的电容，可以用电容(CTENG)来表示。另一个是开路电压项，其来源于极化摩擦电荷的分离，并且可以由理想电压源(VOC)表示。结合这两个元件，整个等效电路模型可以由理想电压源和电容器的串联连接来表示。
从该等效电路模型中，CTENG和负载电阻间的阻抗匹配是固有的。摩擦电纳米发电机的固有电容会指出交流电压源VOC的阻抗。任何会增加该固有电容的结构参数将降低该阻抗，从而降低匹配电阻。提高运动速度相当于增加交流电压源VOC的频率，因此匹配的电阻也将降低。CTENG的阻抗与摩擦电荷密度是相互独立的，匹配的负载电阻也不受摩擦电荷密度的影响。
3.根据权利要求1所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，其特征在于，所述步骤2包括：
搭载电阻器的平行板接触式摩擦电纳米发电机，该摩擦电纳米发电机的顶板设置为如下所述的简谐谐振模式移动，结合摩擦电纳米发电机和电阻器的整
<mrow>
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<mi>x</mi>
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<mn>0</mn>
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</mfrac>
</mrow>
由于固有的电容特性，摩擦电纳米发电机只能提供不稳定的交流电压/电流输出。电源管理系统中包括二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器一端接滤波电容一端，所述二极管桥式整流器另一端接滤波电容另一端，所述负载电阻一端接滤波电容一端，所述负载电阻另一端接滤波电容另一端。
其输出的周期性电压信号是稳态输出信号，含有直流分量VDC和纹波分量，输出的直流分量取决于负载电阻，VDC几乎与滤波电容无关，当RL较小时，直流分量随着RL的增加而迅速增加。当RL足够大时，直流分量VDC达到饱和，存在最佳负载电阻，此时所传递的能量达到最大。输出的纹波系数由负载电阻和滤波电容的乘积决定，增加其中任何一个可以减小纹波因数，但是大电容将导致更长的过渡状态。
4.根据权利要求1所述的集成的摩擦电纳米发电机能量采集方法，其特征在于，所述步骤3包括：
所述集成摩擦电纳米发电机系统搭载负载调节电路，其关键在于，包括电压源、第一整流器、第一电容、第二电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一电感、第一电阻。
所述第一整流器输入一端接第一电容一端，所述第一电容另一端接电压源正极，所述第一整流器输入另一端接电压源负极，所述第一整流器输出正极接第一电容一端，所述第二电容一端接第一功率开关管漏极，所述第一功率开关管源极接第二功率开关管漏极，所述第二功率开关管漏极还接第一电感一端，所述第一电感另一端接第一电阻一端，所述第一电阻另一端接第二功率开关管源极，所述第二功率开关管源极还接第二电容另一端，所述第二电容另一端还接第一整流器输出负极。
所述电路采用的是平行板接触式摩擦电纳米发电机，固定不同的负载电阻，改变功率开关管的占空比，仿真结果得出，在固定的负载电阻下，改变功率开关管的占空比可以改变电路的输出功率，且可以找到输出能量最大的最佳电阻值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170919 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |