CN108880241A - 摩擦纳米发电机的电源管理模块、管理方法及能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摩擦纳米发电机的电源管理模块、管理方法和能源系统，属于电力电子技术领域。其中电源管理模块配置为电性连接于所述摩擦纳米发电机的后端，包括整流电路和直流降压电路，其中，整流电路电性连接于摩擦纳米发电机后端，用于将摩擦纳米发电机产生的信号进行整流，输出第一直流信号；直流降压电路电性连接于整流电路的后端，包含自主式开关电路，用于对所述第一直流信号降压，输出第二直流信号。本发明的电源管理模块，能够最大化、自主式释放摩擦纳米发电机的能量，并进行降压变换，用于为储能器件充电或直接驱动电子器件。

Description

摩擦纳米发电机的电源管理模块、管理方法及能源系统
技术领域
本发明涉及电路管理领域，进一步涉及一种摩擦纳米发电机的电源管理模块，还涉及一种包括该电源管理模块的能源系统，以及一种摩擦纳米发电机的电源管理方法和摩擦电子学能量提取器。
背景技术
摩擦纳米发电机在人体动能和环境机械能收集上已经展示出了很大优势和应用潜力。IDTechEx公司研究报告预测2027年摩擦电能量收集在传感器领域的市场规模就将达到4亿美元，是具有广阔市场前景的新能源技术。目前，摩擦纳米发电机已经可以达到500W/m2输出功率，从指标上看可以满足许多低功耗系统的应用需求。但是，摩擦纳米发电机受高输出阻抗特性的制约，其对储能器件的直接充电效率极低，也无法直接为用电器件供电，在日常电子系统中无法得到应用。摩擦纳米发电机的推广与实用化，必须要先解决好电源管理的瓶颈问题，只有将随机的机械能转换为持续稳定的电能输出，才能满足市面上电子器件的工作要求，真正实现摩擦纳米发电机在生产、生活中的实际应用。
目前，还没有基于摩擦纳米发电机的电源管理模块产品，针对摩擦纳米发电机电源管理方法的研究也比较少。其中，基于机械开关的电源管理方式，由于开关数量和电压变换比有限，系统结构设计非常复杂；基于传统变压器的电源管理，仅适用于高频交流信号变压且变压器体积和质量较大；基于内部供电电子开关的电源管理，其电路体积大，内部漏电流大，需要预存电工作，电路效率有限。
因此，研制通用型、高效式、实用化的摩擦纳米发电机电源管理模块，是摩擦发电机在微能源应用领域亟待突破的核心技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种摩擦纳米发电机的电源管理模块及能源采集管理系统，以解决以上所述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种摩擦纳米发电机的电源管理模块，配置为电性连接于所述摩擦纳米发电机的后端，包括整流电路和直流降压电路，其中，
所述整流电路电性连接于摩擦纳米发电机后端，用于将所述摩擦纳米发电机产生的信号进行整流，输出第一直流信号；
所述直流降压电路电性连接于所述整流电路的后端，用于对所述第一直流信号降压，输出第二直流信号。
进一步的，整流电路包括第一输出端和第二输出端；直流降压电路包括LC电路和开关电路，其中，所述第一输出端通过所述开关电路连接至所述LC电路一端，所述第二输出端连接至所述LC电路另一端；LC电路中的电容C的两端配置为电源管理模块中电压的输出端输出所述第二直流信号。
进一步的，所述直流降压电路还包括续流二极管，所述续流二极管连接至LC电路两端，用于在所述开关电路断开时与LC电路形成回路，为电感L能量的释放提供回路。
进一步的，所述开关电路为自主式开关，包括电压比较器与场效应晶体管，其中，所述电压比较器的输入端分别连接所述第一输出端和第二输出端，其输出端连接至场效应晶体管的栅极；所述场效应管的栅极作为所述控制极，漏极和源极中的一个连接所述第一输出端，作为输入极；漏极和源极中的另一个作为输出极，连接至LC电路一端。
进一步的，所述电压比较器的供能由所述摩擦纳米发电机提供。
进一步的，所述LC电路中，电感L的电感量为1-10mH。
进一步的，所述LC电路中，电容C的电容量为1-20μF。
进一步的，所述整流电路为全波整流桥。
根据本发明的又一方面，提供一种摩擦纳米发电机的电源管理方法，包括：
将所述摩擦纳米发电机产生的交流信号进行整流，输出第一直流信号；
所述第一直流信号与参考电压进行比较，当大于所述参考电压时，所述摩擦纳米发电机产生的能量向LC电路释放，并经过LC电路直流降压向负载输出第二直流信号；当小于参考电压时，LC电路通过续流电路向负载输出第二直流信号。
进一步的，所述参考电压为所述摩擦纳米发电机的最大输出电压。
根据本发明的再一方面，提供一种能源系统，包括摩擦纳米发电机和以上所述的电源管理模块，其中所述电源管理模块电性连接于所述摩擦纳米发电机的后端，所述第二直流信号作为能源系统的输出，用于为储能器件充电或直接驱动电子器件。
根据本发明的又一方面，提供一种摩擦纳米发电机的摩擦电子学能量提取器，包括整流电路和开关电路，其中，
所述整流电路电性连接于摩擦纳米发电机后端，用于将所述摩擦纳米发电机产生的信号进行整流；
开关电路包括电压比较器与场效应晶体管，所述电压比较器的输入端分别连接所述整流电路的输出端，其输出端连接至所述场效应晶体管的栅极；所述场效应管的漏极和源极中的一个连接所述整流电路的第一输出端，漏极和源极中的另一个为开关电路的一个输出端，整流电路的第二输出端为开关电路的另一个输出端。
(三)有益效果
本发明具有以下特点：
基于摩擦纳米发电机能量最大化传递的原理和自主式电子开关，提出了含整流电路和开关电路的摩擦电子学能量提取器；并与直流降压变换电路耦合，提出了摩擦纳米发电机的电源管理模块；
该模块能够最大化、自主式释放摩擦纳米发电机的能量，并通过直流降压变换，在负载上得到持续而稳定的电源；
该模块可针对各种不同的摩擦纳米发电机实现电源管理，用于人体动能和环境机械能的收集，具有通用性、高效性和实用性，可为穿戴式电子设备和工业分布式测控无线组网等应用领域提供微能源解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例摩擦纳米发电机的电源管理模块的电路原理图；
图2A和2B分别为图1电源管理模块中开关电路开启或断开状态下的等效电路图；
图3为本发明实施例摩擦纳米发电机的电源管理模块中摩擦电子学能量提取器的电路原理图；
图4为本发明实施例摩擦纳米发电机能量传递过程中的电压-电荷曲线实测图；
图5为本发明实施例摩擦纳米发电机通过电源管理模块的输出电压测试结果图；
图6为本发明实施例电源管理前后摩擦纳米发电机的输出功率曲线对比图；
图7为本发明实施例电源管理前后摩擦纳米发电机给电容充电的结果对比图；
图8为基于摩擦纳米发电机和电源管理模块的微能源采集、管理和应用系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
根据本发明的基本构思，提供一种摩擦纳米发电机的电源管理模块，通过整流电路和直流降压电路实现直流稳压输出和输出阻抗变换，解决了直接为电子器件供电和为储能器件充电效率低的问题。
图1为本发明实施例摩擦纳米发电机的电源管理模块的电路原理图。如图1所示，根据本发明实施例的一方面，提供一种摩擦纳米发电机的管理模块，包括整流电路和直流降压电路，其中：
整流电路电性连接于摩擦纳米发电机(TENG)后端，用于将所述摩擦纳米发电机产生的信号进行整流，输出第一直流信号；
直流降压电路电性连接于所述整流电路的后端，用于对所述第一直流信号降压，输出第二直流信号。
其中，直流降压电路可包括开关电路S、续流二极管D、LC电路(包括电感L和电容C)。
整流电路用于将所述摩擦纳米发电机产生的交流信号整流为直流信号，包括第一输出端和第二输出端，第一输出端和第二输出端电压为UAB；第一输出端通过开关电路连接至LC电路一端，第二输出端连接至LC电路另一端；续流二极管D连接在LC电路两端，用于在所述开关电路断开时与LC电路形成回路，为电感L能量的释放提供回路；LC电路中的电容C的两端配置为管理模块中电压的输出端，输出第二直流信号。其中，整流电路可以为全波整流桥。
该电路可以看成是摩擦纳米发电机与直流降压的耦合。其中，整流桥将摩擦纳米发电机产生的交流信号转换为第一直流信号。开关电路S既对摩擦纳米发电机起到能量蓄积和释放的控制作用，又在直流降压电路中起到开关变换的作用。续流二极管D在开关电路S导通时处于截止状态，摩擦纳米发电机向后端LC电路传递能量；在开关电路S断开时处于续流状态，为电感能量的释放提供回路。电感L和电容C组成一个低通滤波器，使摩擦纳米发电机输出电压中的直流分量通过，而抑制输出电压中的开关频率及其谐波分量，实现直流降压变换。摩擦纳米发电机的能量通过电源管理模块的传递与变换，最终在负载电阻R上得到稳定的直流电压输出。
图2A和2B分别为图1电源管理模块中开关电路开启或断开状态下的等效电路图。如图2A所示，当摩擦纳米发电机电压达到最大时，开关电路S开启，二极管D处于截止状态，摩擦纳米发电机可等效为一个蓄满能量的电容CT，并向后端传递能量，其中一部分将被电感L阻止吸收变成磁场能存储起来，另一部分被电容C旁路到地，以电场能的形式存储在电容C中。当其等效电容上的电压降至0，则摩擦纳米发电机中的能量全部释放，开关电路S断开。如图2B所示，当开关电路S断开时，二极管D处于导通状态，电感L的电流通过二极管D实现续流，将能量从电感L和电容C中释放出来并向负载R供电，直到开关电路S再次开启。这种方法可以最大化实现能量传递，并抑制摩擦纳米发电机输出信号中交流信号的部分，实现输出阻抗变换，最终达到电路稳态时，在负载电阻R上获得持续稳定的直流电压输出。
对于LC电路中的电容C和电感L参数设计，其基于摩擦纳米发电机的输出的电压信号特性、U0以及稳定时间需求，可以根据基尔霍夫定律计算。典型的电感L的电感量可以设定为1-10mH；电容C的电容量可以设定为1-20μF。
图3为本发明实施例摩擦纳米发电机的电源管理模块中摩擦电子学能量提取器的电路原理图。如图3所示，开关电路S是一种自主式开关，由微功耗电压比较器与场效应晶体管共同组成，以实现工作原理中的自主式开断功能。电压比较器的输入端分别连接整流电路的第一输出端和第二输出端，其输出端连接至场效应晶体管的栅极；场效应管的栅极作为所述控制极，漏极和源极中的一个连接所述第一输出端，作为输入极；漏极和源极中的另一个作为输出极，作为开关电路的输出端连接至LC电路一端。整流电路的第二输出端为开关电路的另一个输出端。
电压比较器的功能可以通过连接直流电源，也可以由所述的摩擦纳米发电机提供，使自主式开关成为自主式无源开关，使整个电源管理模块不需要外接电源。
摩擦纳米发电机的输出电压经过整流桥以后，可得到一系列脉冲式电压信号，通过电压比较器与参考电压进行比较。当小于参考电压时，比较器输出低电平信号，场效应晶体管处于关闭状态；当大于参考电压时，比较器输出使能信号(控制电压UGS)开启场效应晶体管。电压比较器和场效应晶体管的参数设计可保证在摩擦纳米发电机输出电压最高时场效应晶体管开启，实现自主式电子开关功能，将能量最大化从摩擦纳米发电机中提取并输出到电路后端。
对于电压比较器和场效应的选取原则，其也是基于摩擦纳米发电机(TENG)的输出电压信号特性以及工作频率，而且尽可能满足低损耗和高耐压值效果，例选的电压比较器可以为TLV3401；例选的场效应晶体管可以为FDD3N40。
根据本发明实施例的另一方面，还提供一种摩擦纳米发电机的电源管理方法，包括：
将所述摩擦纳米发电机产生的交流信号进行整流，输出第一直流信号；
所述第一直流信号与参考电压进行比较，当大于所述参考电压时，所述摩擦纳米发电机产生的能量向LC电路释放，并经过LC电路直流降压向负载输出第二直流信号；当小于参考电压时，LC电路通过续流电路向负载输出第二直流信号。
摩擦纳米发电机的电源管理方法的实现可以采用电源管理模块的方式实现，在这里不在复述。
参考电压可以根据电路中的器件参数进行设计，可以为所述摩擦纳米发电机的最大输出电压。
上述第二直流信号可作为能源的输出，为储能器件充电或直接驱动电子器件。
图4为本发明实施例摩擦纳米发电机能量传递过程中的电压-电荷(U-Q)曲线实测图。当摩擦纳米发电机做周期运动时，在前半周期，摩擦纳米发电机电压波形上升到最大正电压时，达到比较器的参考电压，比较器输出控制电压开启场效应晶体管，摩擦纳米发电机蓄积的能量向后端电路释放，其电压快速下降至0，转移电荷迅速上升。同样地，在后半周期，摩擦纳米发电机电压波形达到最大负电压时，经过整流后也达到比较器的参考电压，使得比较器输出控制电压并开启场效应晶体管，摩擦纳米发电机再次向后端电路释放能量，其电压快速恢复至0，同时转移电荷也反向恢复至0。在这个过程中，摩擦电子学能量提取器最大化地实现了对摩擦纳米发电机能量的提取和向后端电路的传递。图4中曲线围成的面积即为摩擦纳米发电机释放的能量，测试结果显示一个周期内摩擦纳米发电机释放和传递的能量达到理论值的85％，符合电源管理模块设计与工作原理。
图5为本发明实施例摩擦纳米发电机通过电源管理模块的输出电压(UO)测试结果。如图5所示，当摩擦纳米发电机运动频率为1Hz，负载电阻R为1MΩ，电感L为5mH，电容为10μF时，模块输出电压从初始状态开始不断上升，20s后达到稳态，直流分量保持3.0V输出，电压纹波为0.4V。相比摩擦纳米发电机直接输出至电阻上的脉冲式电压波形，通过电源管理模块可在负载电阻上得到较平稳的电压波形，符合电源管理模块设计要求。
图6为本发明实施例电源管理前后摩擦纳米发电机的输出功率曲线对比。如图6所示，摩擦纳米发电机经过该管理模块后，输出匹配阻抗(RM/RD)由35M下降至1M，最大输出功率分别为11.2μW和9.0μW，在大大降低输出阻抗的同时保留了80％的输出功率。
图7为本发明实施例电源管理前后摩擦纳米发电机给电容充电的结果对比。如图7所示，摩擦纳米发电机在1Hz的频率下，直接为1mF电容充电5分钟，电压仅由4.632V上升至4.636V，充电能量为18.5μJ；通过电源管理模块对容量为同一个的电容持续充电5分钟，电压则由4.632V上升至5.118V，充电能量为2.37mJ，提高了128倍，验证了电源管理模块的设计原理与功能有效性。
图8为本发明实施例基于摩擦纳米发电机和电源管理模块的微能源采集、管理和应用系统框图。如图8所示，利用不同类型的摩擦纳米发电机可以收集人体运动能和环境中的机械能，经过摩擦纳米发电机的电源管理模块的采集和管理，可以代替电源，为储能器件充电或直接驱动各类电子器件，具有通用性、高效性和实用性功能。
综上所述，本发明针对摩擦纳米发电机提出了一种电源管理模块，能够最大化、自主式地释放摩擦纳米发电机的能量，并通过直流降压变换，在外电阻负载上得到持续而稳定的电压输出。该模块可针对各种不同的摩擦纳米发电机实现电源管理，用于人体动能和环境机械能的收集，具有通用性、高效性和实用性，可为穿戴式电子和工业无线网领域提供完整的微能源解决方案。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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)

1.一种摩擦纳米发电机的电源管理模块，配置为电性连接于所述摩擦纳米发电机的后端，包括整流电路和直流降压电路，其特征在于，
所述整流电路电性连接于摩擦纳米发电机后端，用于将所述摩擦纳米发电机产生的信号进行整流，输出第一直流信号；
所述直流降压电路电性连接于所述整流电路的后端，用于对所述第一直流信号降压，输出第二直流信号。
2.根据权利要求1所述的电源管理模块，其特征在于，
所述整流电路包括第一输出端和第二输出端；
所述直流降压电路包括LC电路和开关电路，其中，所述第一输出端通过所述开关电路连接至所述LC电路一端，所述第二输出端连接至所述LC电路另一端；
所述LC电路中的电容C的两端配置为电源管理模块中电压的输出端输出所述第二直流信号。
3.根据权利要求2所述的电源管理模块，其特征在于，所述直流降压电路还包括续流二极管，所述续流二极管连接至LC电路两端，用于在所述开关电路断开时与LC电路形成回路，为电感L能量的释放提供回路。
4.根据权利要求2-3任一所述的电源管理模块，其特征在于，所述开关电路为自主式开关，包括电压比较器与场效应晶体管，其中，
所述电压比较器的输入端分别连接所述第一输出端和第二输出端，其输出端连接至场效应晶体管的栅极；
所述场效应管的栅极作为所述控制极，漏极和源极中的一个连接所述第一输出端，作为输入极；漏极和源极中的另一个作为输出极，连接至LC电路一端。
5.根据权利要求4所述的电源管理模块，其特征在于，所述电压比较器的供能由所述摩擦纳米发电机提供。
6.根据权利要求2-5任一所述的电源管理模块，其特征在于，所述LC电路中，电感L的电感量为1-10mH。
7.根据权利要求2-6任一所述的电源管理模块，其特征在于，所述LC电路中，电容C的电容量为1-20μF。
8.根据权利要求1-7任一所述的电源管理模块，其特征在于，所述整流电路为全波整流桥。
9.一种摩擦纳米发电机的电源管理方法，其特征在于，包括：
将所述摩擦纳米发电机产生的交流信号进行整流，输出第一直流信号；
所述第一直流信号与参考电压进行比较，当大于所述参考电压时，所述摩擦纳米发电机产生的能量向LC电路释放，并经过LC电路直流降压向负载输出第二直流信号；当小于参考电压时，LC电路通过续流电路向负载输出第二直流信号。
10.根据权利要求9所述的电源管理方法，其特征在于，所述参考电压为所述摩擦纳米发电机的最大输出电压。
11.一种能源系统，包括摩擦纳米发电机和权利要求1-8任一所述的电源管理模块，其中所述电源管理模块电性连接于所述摩擦纳米发电机的后端，所述第二直流信号作为能源系统的输出，用于为储能器件充电或直接驱动电子器件。
12.一种摩擦纳米发电机的摩擦电子学能量提取器，其特征在于，包括整流电路和开关电路，其中，
所述整流电路电性连接于摩擦纳米发电机后端，用于将所述摩擦纳米发电机产生的信号进行整流；所述整流电路包括第一输出端和第二输出端；
开关电路包括电压比较器与场效应晶体管，所述电压比较器的输入端分别连接所述整流电路的输出端，其输出端连接至所述场效应晶体管的栅极；所述场效应管的漏极和源极中的一个连接所述整流电路的第一输出端，漏极和源极中的另一个为开关电路的一个输出端，整流电路的第二输出端为开关电路的另一个输出端。
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