CN108462404A - 基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，包括主工作电池组、MCU与环境能量采集电路；所述环境能量采集电路采用压电陶瓷换能部件，所述压电陶瓷换能部件通过整流电路、DC/DC转换电路连接储能系统，所述储能系统内部并联稳压器并连接降压型稳压器；所述储能系统与主工作电池组通过电源切换开关连接用电器，所述储能系统、主工作电池组与电源切换开关均连接MCU；所述MUC设有储能系统电压检测模块并预设阀值电压；旨在延长主工作电池(一次性电池)的供电系统使用寿命；避免可充电电池的电量人工维护问题；在振动频繁场合免维护使用；主工作电池损坏的情况下，系统可通过能量收集重新激活工作，并告知监控中心需更换电池。
Description
技术领域
本发明涉及智能供电领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统。
背景技术
虽然化学能电池以方便的特性被广泛使用，但是其材料浪费、环境污染、回收困难等问题也日益突出。当今，没有更好的替代产品来代替化学能电池，至今，人们已经开发出了太阳能电池、燃料电池等新型电池来替代化学能电池。但这些新型电池在某些方面还远远不及化学能电池，比如说体积、重量、可移动性等。同时，在某些特殊的应用领域中，人们开始寻求电池的另一种替代品-人力发电装置,其目的是通过收集来自外界的环境能量来替代化学能电池。
现有的智能门禁锁供电一般采用以下几种：
1：可充电锂电池供电，一般采用大容量聚合物锂电作为基础，通常在5000毫安时以上，通过监控系统和人力维护保持电量，一般1年定时充电一次,维护繁琐，电池包价格昂贵。
2：锂亚电池，一次性电池，可低温工作，一般工作1-2年，不可重复使用，价格比锂电池便宜40％。
3：锂铁电池，一次性电池，可低温工作，在超低温下拉电流能力比锂亚电池强，一般工作1-2年，不可重复使用，价格比锂电池便宜40％。
4：普通碱性电池，不可低温使用，一般工作1年，价格便宜。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，旨在延长现有工作电池使用寿命不长、需要维护，在振动频繁的场合需要经常维护，断电时无法继续工作的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，包括主工作电池组、MCU与环境能量采集电路；所述环境能量采集电路采用压电陶瓷换能部件，所述压电陶瓷换能部件通过整流电路、DC/DC转换电路连接储能系统，所述储能系统内部并联稳压器并连接降压型稳压器；
所述储能系统与主工作电池组通过电源切换开关连接用电器，所述储能系统、主工作电池组与电源切换开关均连接MCU；所述MUC设有储能系统电压检测模块并预设阀值电压。
作为优选，所述储能系统由若干个储能电容构成。
作为优选，所述储能系统由储能电容与备用储能电池组构成，所述储能电容通过MCU连接备用储能电池组，所述备用储能电池组通过MCU连接电源切换开关。
作为优选，所述备用储能电池组采用锂电池组。
作为优选，所述压电陶瓷换能部件采用悬臂梁式压电振子，其悬臂梁由金属基板层夹在两压电陶瓷晶片层之间构成，且悬臂梁的自由端固定有质量块。
作为优选，所述主工作电池组采用一次性电池。
作为优选，所述整流电路采用低损耗全波桥式整流器。
作为优选，所述降压型稳压器采用毫微功率。
作为优选，还包括定时电路，用于定时唤醒MCU的储能系统电压检测模块，为了节省电力，门禁系统大多数为休眠状态。
压电陶瓷原理：如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号(机械震动)，这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。
本发明的有益效果：延长主工作电池(一次性电池)的供电系统使用寿命；避免可充电电池的电量人工维护问题；在振动频繁场合免维护使用；主工作电池损坏的情况下，系统可通过能量收集重新激活工作，并告知监控中心需更换电池。
光交箱(街边柜)智能锁以主电源为人工充电电池组的方式实际上操作不可行，一个地区的街边柜一般都几千个以上，维护工作量极大；以标称4.8V(3节劲量L51锂铁电池串联)为例，数传模组采用2G模块，待机电流为9uA，每天一次数据传输需耗时60秒，其中20秒工作电流20毫安，20秒为70毫安，20秒为300毫安，实际功耗每次大概在1.5ma.h，以常规2900ma.h计算，理论可数传1900次左右，但相当一部分电量耗在待机功耗当中，实际使用中工作寿命只有2年，采用此设计可每天收集能量在1-3ma.h，实际延长电池寿命2-5年，在震动较频繁场合可长期使用；
可每天上传各电池组电量情况，使用者可根据实际情况更换缺电的一次性电池组，减少维护工作量和材料成本；
供电系统设计具备前瞻性，随着物联技术的发展，尤其是NBIOT技术的慢慢成熟，每次数据传输的功耗也越来越低，完全有可能通过环境能量的收集实现大部分光交箱的供电系统免维护。
附图说明
图1为本发明实施例1的供电系统的原理图。
图2为本发明实施例1的环境能力收集的流程图。
图3为本发明实施例1的系统电源工作切换的流程图。
图4为本发明的悬臂梁式压电振子的结构原理图。
图5为本发明的压电陶瓷换能部件产生的电流特性图。
图6为本发明实施例2的供电系统的原理图。
图7为本发明实施例2的环境能力收集的流程图。
图8为本发明实施例2的系统电源工作切换的流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1、2、3、4、5所示，基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能门禁供电系统，包括主工作电池组1、MCU2与环境能量采集电路；所述环境能量采集电路采用压电陶瓷换能部件3，所述压电陶瓷换能部件3通过整流电路4、DC/DC转换电路5连接储能系统，所述储能系统由若干个储能电容6构成，储能电容6内部并联稳压器并连接降压型稳压器；所述储能系统与主工作电池组1通过电源切换开关7连接用电器，如光交箱业务电路8，所述储能系统、主工作电池组1与电源切换开关7均连接MCU2；所述MUC2设有储能系统电压检测模块并预设阀值电压；还包括定时电路，用于定时唤醒MCU2的储能系统电压检测模块。
所述压电陶瓷换能部件3采用悬臂梁式压电振子，其悬臂梁由金属基板层夹在两压电陶瓷晶片层之间构成，且悬臂梁的自由端固定有质量块。
悬臂梁式压电振子的自由端附有集中质量块，构成弹簧质量系统。当此振动系统受到外界激励时，压电振子自由端上下自由振动，压电振子发生弯曲变形产生电量。惯性自由振动方式发电能力较弱，但具有较长的振动持续时间。
系统供电有两路，一路为主工作电池组1，采用常规一次性电池，如锂亚电池，锂铁电池，碱性电池等；第二路为环境能量采集电路。当压电陶瓷换能部件3感应到振动，会产生正压电效应，自由振动模式下输出正弦波电流，通过内置低损耗全波桥式整流器环能采集专用DC/DC转换电路5对电压波形进行校正并将收集的能量存储在若干储能电容6上，内部并联稳压器泄放任何多余的功率并借助一个毫微功率高效降压型稳压器来保持一个已调输出电压，振动转换出来的电能存储在储能电容6里面。
门禁系统大多数工作时间处于休眠状态，系统定时唤醒检测环境能量情况；系统正常工作状态下首先由主工作电池组1供电，随着环境能量的收集，储能电容6的电量不断累积，MCU2唤醒时候首先检测储能电容6是否电量满足系统本次唤醒工作负载，当不符合时候则保持主工作电池组1供电不变，一旦满足，则切换到储能电容6工作，关闭主工作电池组1供电通道，节省主工作电池组1损耗。
以光交箱智能锁为例，系统休眠状态工作电流为10uA以下，首先由主工作电池组1供电，随着环境能量的收集，储能电容6的电量不断累积，当大于一定阀值状态下，主动抢占供电通道，主工作电池组1不对外供电。
实施例2
如图4、5、6、7、8所示，基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能门禁供电系统，包括主工作电池组1、MCU2与环境能量采集电路；所述环境能量采集电路采用压电陶瓷换能部件3，所述压电陶瓷换能部件3通过整流电路4、DC/DC转换电路5连接储能系统，所述储能系统内部并联稳压器并连接降压型稳压器；所述储能系统与主工作电池组1通过电源切换开关7连接用电器，所述储能系统、主工作电池组1与电源切换开关7均连接MCU；所述MUC2设有储能系统电压检测模块并预设阀值电压；还包括定时电路，用于定时唤醒MCU2的储能系统电压检测模块；
所述储能系统由储能电容6与备用储能电池组9构成，所述储能电容6通过MCU2连接备用储能电池组9，所述备用储能电池组9通过MCU2连接电源切换开关7；
所述压电陶瓷换能部件3采用悬臂梁式压电振子，其悬臂梁由金属基板层夹在两压电陶瓷晶片层之间构成，且悬臂梁的自由端固定有质量块。
与实施例1相同部分不再重述。
系统定时唤醒检测环境能量情况，当储能电容的储能电量到达阀值的时候，MCU2检测到阀值，判定储能电容6电荷量足够为备用储能电池组9充电，则打开控制将储能电容6的电量迁移到备用储能电池组9(聚合锂电)中，实现环境振动能量收集到储能开关电池的完整过程；
系统正常工作状态下由主工作电池组1供电，随着环境能量的收集，备用储能电池组9的电量不断累积，MCU2唤醒时候首先检测备用储能电池组9是否电量满足系统本次唤醒工作负载，当不符合时候则保持主工作电池组1供电不变，一旦满足，则切换到备用储能电池组9工作，关闭主工作电池组1供电通道，节省工作电池组损耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，包括主工作电池组、MCU与环境能量采集电路；所述环境能量采集电路采用压电陶瓷换能部件，所述压电陶瓷换能部件通过整流电路、DC/DC转换电路连接储能系统，所述储能系统内部并联稳压器并连接降压型稳压器；
所述储能系统与主工作电池组通过电源切换开关连接用电器，所述储能系统、主工作电池组与电源切换开关均连接MCU；所述MUC设有储能系统电压检测模块并预设阀值电压。
2.根据权利要求1所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，所述储能系统由若干个储能电容构成。
3.根据权利要求1所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，所述储能系统由储能电容与备用储能电池组构成，所述储能电容通过MCU连接备用储能电池组，所述备用储能电池组通过MCU连接电源切换开关。
4.根据权利要求3所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，所述备用储能电池组采用锂电池组。
5.根据权利要求1所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，所述压电陶瓷换能部件采用悬臂梁式压电振子，其悬臂梁由金属基板层夹在两压电陶瓷晶片层之间构成，且悬臂梁的自由端固定有质量块。
6.根据权利要求1所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，所述主工作电池组采用一次性电池。
7.根据权利要求1所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，所述整流电路采用低损耗全波桥式整流器。
8.根据权利要求1所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，所述降压型稳压器采用毫微功率。
9.根据权利要求1所述基于压电陶瓷震动环境能量收集的智能供电系统，其特征在于，还包括定时电路，用于定时唤醒MCU的储能系统电压检测模块。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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