CN109617204B - 一种微型电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型电源系统，属于电源技术领域，所述微型电源系统的有效面积为25mm2～100mm2，有效厚度为5mm～10mm，其特征是：自上而下依次包括：微型光伏电池，用于将光能转换为电能；薄膜温差电池，用于将热能转换为电能；控制芯片，薄膜锂电池，用于存储电能；其中：上述微型光伏电池的上表面为感光面，所述薄膜温差电池的热端通过导热胶固定于微型光伏电池下表面，所述薄膜温差电池的热源为光照辐射透过光伏电池的热量以及微型电源系统内部产生的热量；所述控制芯片用于控制微型光伏电池和薄膜温差电池给负载供电、控制微型光伏电池和薄膜温差电池给薄膜锂电池充电、控制薄膜锂电池为负载供电。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别是涉及一种微型电源系统。
背景技术
微型电源，顾名思义，就是尺寸极小的微型电源。按照不同的尺寸或体积，微型电源系统产品可分为厘米级、毫米级，甚至是微米级。微型电源是采用微纳加工技术，将发电、储能、能量管理等电源芯片通过异质/异构集成技术形成的微电源系统。最终微型电源系统还要与MEMS传感器等半导体芯片集成在一起，实现微系统的自供电。
随着IC技术、MEMS技术的快速发展，电子元器件系统化、集成化的程度越来越高，微系统技术逐渐发展起来。目前，这种高度集成微系统并没有集成电源，因而必须依靠外接电源供电，这就限制了电子芯片和系统独立工作的能力和应用范围。特别是随着物联网技术的发展和应用，可集成微型电源具有广泛的需求和很强应用潜力，它可实现微系统的自主能源供给，显著提升其工作时间和环境适应能力。
先前提出的专利技术大多没有给出系统自主发电的解决方案，或是能量获取来源单一，限制系统工作环境。另外，受限于现有发电储能电池技术，其体积、重量较大，不具备与电子元件实现集成的能力。专利“一种便携式光伏锂电池储能发电装置”(申请号：CN201721692775)，虽然在一定程度上具备自主供电能力，但提出的装置结构体积较大，不适用于高度集成电子元件，或者与电子元件没有集成的可能性；而且只能在有光的条件下才能发电，限制了系统工作环境；再则，系统不具备尖峰功率输出等功能扩展能力。专利“种微型电源模块结构”(申请号：CN201820023204)主要改进了电路板布线设计，并没有给出完整的自主供电电源系统解决方案。专利“无线充电电容式微型电源及其应用”(申请号：CN201611205633)提出了外线充电技术与储能电池集成构成微型电，其还需依赖外部市电提供能量，没有解决芯片和系统自主供电的问题。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种微型电源系统，该微型电源系统可利用工作环境中的光能、热能进行全天候发电，将电能供给给芯片等载工作，并能将富裕的电能存储在微型薄膜锂电池中。
本专利出一种微型电源系统，所述微型电源系统的顶部表面受光面积为25mm2～100mm2，有效厚度为5mm～10mm，自上而下依次包括：
微型光伏电池(1)，用于将光能转换为电能；
薄膜温差电池(2)，用于将热能转换为电能；
控制芯片(3)；
薄膜锂电池(4)，用于存储电能；其中：
上述微型光伏电池(1)的上表面为感光面，所述薄膜温差电池(2)的热端通过导热胶固定于微型光伏电池(1)下表面，所述薄膜温差电池(2)的热源为光照辐射透过光伏电池的热量以及微型电源系统内部产生的热量；
所述控制芯片(3)用于控制微型光伏电池(1)和薄膜温差电池(2)给负载供电、控制微型光伏电池(1)和薄膜温差电池(2)给薄膜锂电池(4)充电、控制薄膜锂电池(4)为负载供电。
进一步：所述微型光伏电池(1)采用多结III-V族太阳电池，输出电压在2.3V～3V，面积为25mm2～100mm2，在有光照条件下输出功率8～30mW，微型光伏电池(1)通过金丝线连接到集线器的微型光伏电池正负电极接线端口(6)。
进一步：所述微型光伏电池(1)为厚度不超过0.3mm的柔性III-V族太阳电池，或者所述微型光伏电池(1)为厚度不超过1mm的刚性III-V族太阳电池。
进一步：所述薄膜温差电池(2)为二维叠层结构，以聚酰亚胺为衬底，内部集成了100～500对pn结，上述100～500对pn结依次串联，所述薄膜温差电池(2)的面积为25～100mm2，所述薄膜温差电池(2)的厚度不超过0.5mm，所述薄膜温差电池(2)的输出功率为0.5～5mW。
进一步：所述薄膜温差电池(2)的正负电极均位于背面，所述薄膜温差电池(2)通过导电胶与集线器的薄膜温差电池正负电极接线端口(7)相连。
进一步：上述薄膜锂电池(4)生长在厚度为1.5mm的玻璃上，上述薄膜锂电池(4)的有效面积为25mm2～100mm2，上述薄膜锂电池(4)的输出电压为2～4V，上述薄膜锂电池(4)的正负电极通过金丝线与集线器的薄膜锂电池正负电极接线端口(8)相连。
进一步：集线器拓展端口(9)连接有薄膜超级电容器。
本发明整体呈“三明治”的叠层结构，主要包括微型光伏电池、微型温差电池、微型薄膜锂电池、控制芯片和集线器，整体几何尺寸仅为毫米量级，可利用工作环境中的光能、热能进行全天候发电，供给芯片等高度集成的负载工作，并能将富裕的电能存储在微型薄膜锂电池中。系统集成了能量管理控制芯片，对发电最大功率点跟踪、协同电源系统内部充放电的稳定性，通过边缘集线器端口实现集成元件的互联以及功能扩展。
本发明中，微型电源系统顶部表面受光面积为25mm2-100mm2，有效厚度5mm-10mm，为“三明治”叠层结构，由微型光伏电池、薄膜温差电池、控制芯片、薄膜锂电池及集线器等构成的。其中微型光伏电池和微型温差电池构成发电模块，微型薄膜锂电池作为储能模块，控制电路用于系统中的能量管理。白天，微型光伏电池采集太阳辐射的能量通过光生伏特效应转换为电能，为锂电池充电，并给负载供电。在夜晚，温差电池利用系统自身释放的热能以及系统环境之间的温度差异，实现热电之间的能量转换，以保持系统必要的能量供给。如果系统在夜晚处于激活状态，则由微型薄膜锂电池为负载供电。微型电源管理与控制电路在发电、储能与负载模块之间起到枢纽作用，在不同的环境或时段实现储能模块充电和负载供电的合理控制。各个模块单元通过集线器相互连接，集线器端口-9还可拓展系统功能，可集成薄膜超级电容器，提升其功率输出能力。系统输出电压范围为2V-4V，输出功率范围，标准光照条件8mW-30mW，无光照条件下输出0.5-10mW。
微型电源系统中，微型光伏电池采用刚性衬底多结III-V族太阳电池，其输出电压在2.3V-3V，面积25mm2-100mm2，厚度不超过1mm，在AM1.5光谱，辐照度为1000W/m2的光照条件下输出功率8-30mW。也可以为厚度不超过0.3mm的柔性III-V族太阳电池，输出性能指标范围同上。微型光伏电池通过金丝线连接到集线器端口，通过控制芯片给负载供电和给薄膜锂电池充电。
薄膜温差电池为二维叠层结构，热端通过导热胶固定于微型光伏电池背面，其热源为光照辐射透过光伏电池的热量以及微型电源系统内部热量，薄膜温差电池的冷端连接到集线器的端子上，该端子与其他元件进行热绝缘和电绝缘处理。薄膜温差电池的正负电极均位于背面，通过导电胶与集线器端口相连，通过控制芯片给负载供电和给薄膜锂电池充电。薄膜温差电池内部集成了100-500对pn结，串联连接起来，面积约25-100mm2，厚度不超过0.5mm，输出功率0.5-5mW。
控制芯片位于薄膜温差电池和薄膜锂电池之间，其控制端口与集线器相应端口焊接，通过内置程序控制微型光伏电池和薄膜温差电池给负载供电，给薄膜锂电池充电，以及薄膜锂电池为负载供电。
薄膜锂电池位于系统底部，用于储存系统产生的电能，并给负载提供能量。薄膜锂电池直接生长在厚度为1.5mm的玻璃上，电池有效面积25mm2-100mm2，输出电压2-4V。其正负电极通过金丝线与集线器端口相连，通过进行充电或给负载供电。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.微型电源系统通过直接获取环境能量发电，不受是否具备光照条件的限制，并将富裕的电量存储与薄膜锂电池中，可实现负载系统的全天候能量供给。
2.微型电源系统可使其与芯片等元器件集成，实现元器件及系统的自主供电能力，摆脱了原先电子元件能源供给对市电或较大尺寸电源模块的依赖，大大提升系统环境适应性和独立工作时间。
3.微型电源系统具有很灵活的扩展能力。通过集线器扩展端口及相应集成封装工艺的改进，微型电源可实现柔性化，并可集成薄膜超级电容器，提升其功率输出能力。进一步拓展了集成电子元件的应用范围和领域，推动了我国物联网、消费类电子产品以及相关装备的发展。
附图说明
图1是微型电源系统侧视结构示意图；
图2是微型电源系统俯视结构示意图；
图中，1-微型光伏电池；2-薄膜温差电池；3-控制芯片；4-薄膜锂电池；5-集线器；6-微型光伏电池正负电极接线端口；7-薄膜温差电池正负电极接线端口；8-薄膜锂电池正负电极接线端口；9-扩展接线端口；10-薄膜温差电池冷端。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1和图2。
实施例1
一种微型电源系统，其为“三明治”叠层结构，从上到下依次为：微型光伏电池1、薄膜温差电池2、控制芯片3、集线器5、薄膜锂电池4。系统顶部表面受光面积5mm*5mm＝25mm2，厚度5mm。
微型光伏电池采用Ge/GaAs/GaInP三结太阳电池，其输出电压在2.6V，受光照的面积为5mm*5mm＝25mm2，厚度约0.5mm(含封装膜)，在AM1.5光谱，辐照度为1000W/m2的光照条件下输出功率为8mW。微型光伏电池电极通过金丝线连接到集线器5上的微型光伏电池正负电极接线端口6，通过控制芯片给负载供电和给薄膜锂电池充电。
薄膜温差电池热端通过绝缘导热胶固定于微型光伏电池背面，其热源为光照辐射透过光伏电池的热量以及微型电源系统内部热量，薄膜温差电池的冷端连接到集线器的薄膜温差电池冷端10上，该端子与其他元件进行热绝缘和电绝缘处理。薄膜温差电池的正负电极均位于背面，通过导电胶与薄膜温差电池正负电极接线端口7相连，通过控制芯片给负载供电和给薄膜锂电池充电。薄膜温差电池内部集成了200对pn结，串联连接起来，面积约5mm*5mm＝25mm2，厚度0.5mm，输出功率0.5mW。
控制芯片位于薄膜温差电池和薄膜锂电池之间，面积约5mm*5mm＝25mm2，其控制端口与集线器相应端口焊接，通过内置程序控制微型光伏电池和薄膜温差电池给负载供电，给薄膜锂电池充电，以及薄膜锂电池为负载供电。
薄膜锂电池位于系统底部，用于储存系统产生的电能，并给负载提供能量。薄膜锂电池直接生长在厚度为1.5mm的玻璃上，有效面积5mm*5mm＝25mm2，输出电压3V。其正负电极通过金丝线与薄膜锂电池正负电极接线端口8相连，通过进行充电或给负载供电。
各个模块单元不涉及导电连接的部分均通过环氧树脂进行集成，扩展接线端口9为系统拓展端，集成薄膜超级电容器，系统瞬即功率可达到50mW。
Claims (3)
1.一种微型电源系统，所述微型电源系统的顶部表面受光面积为25mm2~100mm2，有效厚度为5mm~10mm，其特征是：自上而下依次包括：
微型光伏电池（1），用于将光能转换为电能；
薄膜温差电池（2），用于将热能转换为电能；
控制芯片（3）；
薄膜锂电池（4），用于存储电能；其中：
上述微型光伏电池（1）的上表面为感光面，所述薄膜温差电池（2）的热端通过导热胶固定于微型光伏电池（1）下表面，所述薄膜温差电池（2）的热源为光照辐射透过光伏电池的热量以及微型电源系统内部产生的热量；
所述控制芯片（3）用于控制微型光伏电池（1）和薄膜温差电池（2）给负载供电、控制微型光伏电池（1）和薄膜温差电池（2）给薄膜锂电池（4）充电、控制薄膜锂电池（4）为负载供电；
所述薄膜温差电池（2）为二维叠层结构，以聚酰亚胺为衬底，内部集成了100~500对pn结，上述100~500对pn结依次串联，所述薄膜温差电池（2）的面积为25~100mm2，所述薄膜温差电池（2）的厚度不超过0.5mm，所述薄膜温差电池（2）的输出功率为0.5~5mW；
所述薄膜温差电池（2）的正负电极均位于背面，所述薄膜温差电池（2）通过导电胶与集线器的薄膜温差电池正负电极接线端口（7）相连；
上述薄膜锂电池（4）生长在厚度为1.5mm的玻璃上，上述薄膜锂电池（4）的有效面积为25mm2~100mm2，上述薄膜锂电池（4）的输出电压为2~4V，上述薄膜锂电池（4）的正负电极通过金丝线与集线器的薄膜锂电池正负电极接线端口（8）相连；
集线器拓展端口（9）连接有薄膜超级电容器。
2.根据权利要求1所述的微型电源系统，其特征是：所述微型光伏电池（1）采用多结III-V族太阳电池，输出电压在2.3V~3V，受光面积为25mm2~100mm2，在有光照条件下输出功率8~30mW，微型光伏电池（1）通过金丝线连接到集线器的微型光伏电池正负电极接线端口（6）。
3.根据权利要求1所述的微型电源系统，其特征是：所述微型光伏电池（1）为厚度不超过0.3mm的柔性III-V族太阳电池，或者所述微型光伏电池（1）为厚度不超过1mm的刚性III-V族太阳电池。
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