CN111106662B - 分形结构开关电容换能器及其摩擦发电机电源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分形结构开关电容换能器及其摩擦发电机电源管理系统，属于能量转换技术领域，所述分形结构开关电容换能器包括分形结构的主体和单刀双掷开关，所述主体包括子分形结构开关电容换能器主体阵列和开关阵列；(L+1)阶所述主体包括mL个L阶所述子分形结构开关电容换能器主体和(3mL‑3)个所述开关，通过本发明克服现有技术中难以有效的转换静电高电压能量的技术问题，能实现最小的总输出压降和宽的变压比，从而达到高的能量转换效率，有效的增加摩擦发电机的能量利用效率和能量输出。

Description

分形结构开关电容换能器及其摩擦发电机电源管理系统
技术领域
本发明涉及能量转换技术领域，具体涉及一种分形结构开关电容换能器及其摩擦发电机电源管理系统。
背景技术
随着能量收集技术的快速发展，由于电磁变压器的电磁噪声、大体积，以及空载能量损耗和高频率，其越来越难以满足各种特定的能量转换需求。现有技术是通过利用开关管来实现电容组的串并联切换，开关电容换能器能容易地实现升压或者降压功能。随着高频技术和集成化的发展趋势，具有无电磁、高转换效率、轻质和易集成等优点的开关电容换能器在无线传感网络、直流微电网和电动车领域展现了巨大的潜力。目前开关电容换能器的研究主要集中在拓扑结构和功能扩展上，基本的拓扑结构可以分为串并联，迪克森，斐波那契和梯子这四种。
目前，不完善的拓扑结构和开关管导致高输出压降，开关损耗是降低电容换能器转换效率和难以实现高变压比的主要因素。因此，基于基本的拓扑结构而提了更多的拓扑结构，比如升降压型、多电平以及逐次逼近等结构被提出来达到更好的功能和宽的变压比，然而高的输出压降和开关损耗仍然是制约静电高电压能量转换效率的主要因素。
摩擦发电机(TENG)自2012年首次被发明出来以来，就受到了极大的关注，并被广泛用来收集低频率(<5Hz)能量，诸如振动、滑动、转动能、风能、水能以及声波等环境机械能量，以满足社会对分布式能源的需求。基于摩擦起电和静电感应效应，摩擦发电机具有大电压和小电流等输出特性，在驱动小型电子器件、便携式设备、自供能系统和收集大尺度的低频海洋能源等方面展现了巨大的潜力。
然而摩擦发电机由于其具有高输出压降(MΩ级)、低输出电流(μA)和低输出面电荷密度(100μC/m2)的性质，导致较低的能量传输效率直接用于驱动电子器件。因此，寻求一种电源管理系统以解决摩擦发电机能量的高效利用是十分迫切的。在以前的研究工作中，传统电磁变压器被直接用于摩擦发电机来转换成低压输出，但是需要一个高的输出频率(>100Hz)。机械开关和电子开关策略都被用于管理摩擦发电机的输出能量，但是复杂的结构和额外的能量供给导致了低的适用性。因此，更高效的电源管理策略需要被提出来，以用于摩擦发电机的大电压静电能量高效的转换。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中难以有效的转换低频静电高电压能量的技术问题，本发明所提供的一种分形结构开关电容换能器，能实现最小的总输出压降和宽的变压比从而达到高的能量转换效率；本发明所提供的一种基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统，能有效的增加摩擦发电机的能量利用效率和能量输出。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种分形结构开关电容换能器，所述分形结构开关电容换能器包括分形结构的主体和单刀双掷开关，所述主体包括子分形结构开关电容换能器主体阵列和开关阵列；(L+1)阶所述主体包括mL个L阶所述子分形结构开关电容换能器主体和(3mL-3)个所述开关。
进一步地，(L+1)阶所述分形结构开关电容换能器中总的储能电容数NL+1＝mL·NL,(L≥1,N≥2),其中NL是L阶分形结构开关电容换能器中总的储能电容数目。
优选地，所述L阶分形结构开关电容换能器NL＝mL·mL-1……m2·m1(L≥1)。
进一步地，所述分形结构开关电容换能器的总输出压降 其中，mi表示每一阶的单元数目，Vd表示一个所述开关上的的输出压降，Vd,t表示总的输出压降。
进一步地，所述单刀双掷开关为机械的单刀双掷开关或可控的晶体管组合，所述可控的晶体管组合为具有单刀双掷开关效果的三极管组合、MOSFET管组合或可控硅管组合。
进一步地，所述开关为具有开关性质的机械开关、不可控二极管、可控的晶体管或者基于前者的串并联开关组合。
进一步地，所述储能电容为外接的商业电容、开关管和连接线路本身的结电容或感应电容。
另一方面，本发明还提供了一种基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统，所述系统包括摩擦发电机、整流单元、分形结构开关电容换能器、开关以及滤波单元，所述摩擦发电机的输出端与所述整流单元输入端相联，所述整流单元输出端的一端经由所述开关与所述滤波单元相联，所述分形结构开关电容换能器并联于所述整流单元输出端的两端。
进一步地，所述整流单元为半波整流电路或者全波整流电路，半波整流电路用于接触分离式摩擦发电机产生直流高压，全波整流电路用于滑动式摩擦发电机产生直流高压。
进一步地，所述系统具有脉冲输出或恒流输出这两种输出方式，所述恒流输出通过在输出端并联一个所述滤波单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的一种分形结构开关电容换能器设计新颖，结构灵活便于实际应用。由于分形结构的设计，使得分形结构开关电容换能器同等单元下，在具有静电大电压适用性的同时，也能有有最小的总输出压降，从而容易实现静电能量的大变压比转化，并且能提高能量转化效率。根据实际需要可以采用不同的开关和电容设计实现不同的应用场景。本发明的分形结构开关电容换能器具有转换效率较高，使其在充电器、无电感设备、微型可集成传感网络和自供能能量收集设备的电源管理等方面具有极大的潜力。除此之外，本发明的基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统具有能量转化效率高和输出平均电流大的的特性；通过采用半波整流应用于接触分离式发电机可以有效的提高输出电压，从而提高输出能量；采用分形结构开关电容换能器能有效的转换高压为低压，实现大电荷输出；采用恒流或脉冲输出可以适用于不同的能量转换场景。
附图说明
图1是本发明L+1阶分形结构开关电容换能器的结构示意图；
图2是本发明1阶分形结构开关电容换能器的结构示意图；
图3是本发明不同阶数的分形结构演化流程示意图；
图4-图6是本发明分形结构开关电容换能器实施例的工作原理示意图；
图7是本发明分形结构开关电容换能器的实施效果图；
图8-图9是本发明中分形结构开关电容换能器成品图和电路图；
图10是本发明基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统的结构示意图；
图11是本发明基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统的实施示意图；
图12是本发明摩擦发电机电源管理系统实施例的效果图；
图13是本发明中摩擦发电机电源管理系统效果图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
图1-图9是根据一示例性实施例示出的一种分形结构开关电容换能器的结构示意图。
请参考图1和图2，分形结构开关电容换能器(FSCC)包括具有分形结构的主体(1)和一个单刀双掷开关(2)，分形结构开关电容换能器主体(1)包括子分形结构开关电容换能器主体(3)阵列和开关(4)阵列。其中，(L+1)阶分形结构开关电容换能器主体(1)包括mL个L阶分形结构开关电容换能器主体(3)和(3mL-3)个单刀双掷开关(2)，并满足如下关系NL+1＝mL·NL,(L≥1,N≥2),其中NL是L阶分形结构开关电容换能器中总的储能电容数目；基本的1阶分形结构开关电容换能器主体(5)包括m1个储能电容(6)和(3m1-3)个开关(4)。
进一步地，分形结构开关电容换能器具有分形结构并满足如下的结构：这里为了方便描述，定义传统的分形结构开关电容换能器为1阶分形结构开关电容换能器，数学描述为N1＝m1(N≥2)，一个单元N＝1的分形结构开关电容换能器包含一个储能电容。L+1阶的分形结构开关电容换能器与L阶分形结构开关电容换能器的数学关系为NL+1＝mL·NL(L≥1)，其中NL是L阶分形结构开关电容换能器中总的储能电容数目，mL为一个L+1阶分形结构开关电容换能器中包含的L阶分形结构开关电容换能器的数目，NL和mL都为整数。
优选地，对于一个L阶的分形结构开关电容换能器其总的参数结构可表达为NL＝mL·mL-1……m2·m1(L≥1)，可见，可以将一个电容总数为N的分形结构开关电容换能器按照需要设计成不同阶数的分形结构开关电容换能器，便于灵活设计。如图3所示，即展示了在mi＝2的情况下不同阶数的分形结构开关电容换能器的演化过程，1阶的时候，则为1阶子分形结构开关电容换能器；2阶的时候，即为2个1阶子分形结构开关电容换能器；3阶的时候，即为2个2阶子分形结构开关电容换能器或者是23个1阶子分形结构开关电容换能器；当分形开关电容换能器为L阶时，即为2L个1阶子分形结构开关电容换能器。对于一个1阶的分形结构开关电容换能器来说，总的输出压降就是放电过程中电容通过的开关数目与单个开关的压降之积。
如图4所示为2阶分形结构开关电容换能器，在分形结构开关电容换能器左端接一个输出电压为V的电压源，当分形结构开关电容换能器上部和底部水平的开关断开并且中部对角连接的开关闭合时，分形结构开关电容换能器中4个电容处于串联状态，此时，当单刀双掷开关(2)连通左边时电压源会对串联的电容组充电，如图5所示，Q的电荷量被充进各个电容之中，每个电容上的理想电压为V/4。
再将分形结构开关电容换能器上部和底部的开关闭合且中部对角连接的开关断开，此时4个电容处于并联状态，当单刀双掷开关(2)与电压源断开且连通右边输出端时，区别于普通的1阶4＝4分形结构开关电容换能器，电容需要经过3个开关放电，所有的电容将在并联状态通过2维的开关网络对外部放电，此时放电过程中每个电容只需要经过2个开关。
如图6所示，此时输出电压为将有电荷量4Q-Q′被释放出来，其中Q′为因开关的电阻或者总电压降2Vd，导致的留在电容内维放出的电荷，经过的开关越多，Q′就越大，即转换效率越低，其中，Vd为表示一个开关上的输出压降。
同理，当充电时电容组处于并联状态，放电时电容组处于串联状态时将实现升压功能。通过分形设计，充放电过程中实现升降压功能的同时，又能有效的降低开关电容换能器的总输出压降。
进一步地，分形结构开关电容换能器的总输出压降，来自于电容放电过程中经过的开关上的压降，开关上的压降可以分为电阻压降和异质结导通压降，由于每个开关上的压降基本一致，因此减少放电或者充电过程中经过的开关数目能有效的降低输出压降。这里分形结构开关电容换能器的总输出压降Vd,t的数学描述为其中，mi表示每一阶的单元数目，例如m1表示1阶开关电容换能器包含m1个储能电容，其通过的开关越多，总的压降就越大；Vd,t表示总的输出压降，Vd表示一个开关的输出压降。相同的基本单元下，利用列举法/>得到N个储能电容下分形结构开关电容换能器具有的最小输出压降参数，从而实现最小的输出压降。同时也可知满足mi＝2时的分形结构开关电容换能器具有最小的输出压降Vd,t,min＝L·Vd。
本实施例示出的一种分形结构开关电容换能器，通过采用型号为1N4007的直插二极管和型号为22nF 200V CBB的电容作为分形结构开关和储能电容，并将二极管和电容集成在面包板，板上制作成了24＝24，24＝4×6和24＝2×3×4三种具有相同单元数和不同阶数的分形结构开关电容换能器，再通过用一个精密电压源定量表征，此处精密电压源可以为Keithley 6517。
如图7所示，测得了在200V得输入电压下分形结构开关电容换能器得输出电荷和输出电压，可见相同单元下分形设计能有效的降低输出压降从而提升输出电荷和电压，且分形阶数越高其输出电荷越大。本实施例充分的证明了分形结构的优越性。
优选地，单刀双掷开关(2)可以是机械的单刀双掷开关，还可以是具有单刀双掷开关效果的三极管组合、MOSFET管组合或可控硅管组合等可控的晶体管组合。
优选地，开关(4)可以是具有开关性质的符合参数的机械开关，还可以为不可控的二极管，还可以为可控的三极管、MOSFE管以及硅管等晶体管，或者为基于前者的串并联开关组合。
优选地，储能电容(6)可以是外接的商业电容，也可以是开关管和连接线路本身具有的结电容和感应电容。
如图8所示为本发明中分形结构开关电容换能器的成品图，展示了集成在PCB板上的基于二极管的6＝2×3，12＝2×2×3和96＝2×2×2×2×2×3分形结构开关电容换能器的实物图；图9所示为本发明中分形结构开关电容换能器的电路图，展示了相应的6阶96个单元的电路图。
通过本发明的分形结构开关电容换能器能有效的实现电容阵列的串并联切换从而达到升降压效果，同时具有同单元数目N下最小的总输出压降和高变压比性质，且通过分形结构可以灵活的设计所需参数的分形结构开关电容换能器，更利于实际应用。
实施例2
图10-图13是根据一示例性实施例示出的一种基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统的结构示意图。
如图10所示，摩擦发电机电源管理系统包括摩擦发电机10、整流单元20、分形结构开关电容换能器30、开关40以及滤波单元50。摩擦发电机10的输出端与整流单元20的输入端相连，整流单元20输出端的一端经由开关40与滤波单元50相连，分形结构开关电容换能器30并联于整流单元20输出端的两端。
摩擦发电机(TENG)10通过整流单元20输出高电压，随后高电压输入分形结构开关电容换能器30中，当开关40导通时，分形结构开关电容换能器30中电容组以并联形式输出低电压，从而有效的转换高压为低压，最后通过滤波单元50输出恒流电压，在没有滤波单元50的情况下则输出脉冲电压。
如图11所示，选用面积为3.3×6.1cm-2的接触分离式摩擦发电机10，输出电荷量为200nC，通过利用半波整流电路获得2.4KV的开路电压。经过半波整流后的输出，再输入具有降压功能的分形结构开关电容换能器30主体中，当开关40连通输出端时，换能器中的电容组以并联形式对外放电，从而实现降压和提升电荷的功能。考虑导摩擦发电机10的静电高电压和纳库级(～nC)的低的电荷量，本实施例中使用二极管和商业贴片电容作为开关40电容换能器的开关40和储能电容。
如图12A所示，在不同阶数和单元数目下的分形结构开关电容换能器30的输出电荷，可见阶数越高单元数越大输出电荷提升越大。本实施例是将元件集成集成在面包板上。图12B为进一步将1N4007W贴片二极管和200V 22nF贴片电容集成在PCB板上，发电机电荷为259nC时，输出电荷可以达到17.55μC，展现了其高降压比的性质。
经过本系统电源管理后的脉冲输出性质和恒流性质如图13所示。图13A-B中在脉冲输出下该电源管理系统的峰值输出功率密度可达754W/m2，可见能有效增加摩擦发电机10的输出功率密度。图13C-E在6＝2×3的参数下，该系统能轻松点亮160个并联的5mm直径LED灯，和2个串联的10mm直径LED灯，同时间断的驱动一个蜂鸣器发出70dB的声音，证明了其电流提升能力。为了能有效驱动电子器件，利用96＝2×2×2×2×2×3的分形结构开关电容换能器30，图13F-H展示了恒流模式下该电源管理系统输出平均电流密度和输出电压从8.65mA/m2和0.172V变化到0.83mA/m2和16.6V随着负载从10KΩ增加到10MΩ。图13I-K展示了实际应用中即使在1～2Hz低频下能驱动一个中等大小的游标卡尺和3个传感器的温湿度计持续工作，展示了该换能器高转换能力。
优选地，摩擦发电机电源管理系统中整流单元20为半波整流电路或者全波整流电路。半波整流电路用于接触分离式摩擦发电机10产生直流高压，全波整流电路用于滑动式摩擦发电机10产生直流高压。
优选地，摩擦发电机电源管理系统具有脉冲输出或恒流输出这两种输出方式。恒流输出通过在输出端并联一个滤波单元50实现，脉冲输出为没有滤波单元50的输出。
本发明的基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统具有能量转化效率高及输出平均电流大的的特性；采用半波整流应用于接触分离式发电机可以有效的提高输出电压，从而提高输出能量；采用分形结构开关电容换能器能有效的转换高压为低压，实现大电荷输出；采用恒流或脉冲输出可以适用于不同的场景。
综上所述，以上仅为本发明较佳的具体实施方式的详细说明，而非对本发明保护范围的限制。在实际应用时，本领域技术人员完全可依据本技术方案做出若干调整。凡在本发明所阐述的原理的前提下所做的任何修改、等同替换、局部应用等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分形结构开关电容换能器，其特征在于，所述分形结构开关电容换能器包括分形结构的主体和单刀双掷开关，所述主体包括子分形结构开关电容换能器主体阵列和开关阵列；(L+1)阶所述主体包括mL+1个L阶所述子分形结构开关电容换能器主体和(3mL+1-3)个单刀单掷开关；
1阶子分形结构开关电容换能器主体的最小单元结构为：
至少两个电容并行设置，相邻两个电容的上端通过上部水平的单刀单掷开关连接，相邻两个电容的下端通过下部水平的单刀单掷开关连接，且相邻两个电容的上端和下端也通过中部对角连接的单刀单掷开关连接；
开关阵列包括上部水平的单刀单掷开关、下部水平的单刀单掷开关和中部对角连接的单刀单掷开关；相邻两个子分形结构开关电容换能器主体的上端通过上部水平的单刀单掷开关连接，相邻两个子分形结构开关电容换能器主体的下端通过下部水平的单刀单掷开关连接；且相邻两个子分形结构开关电容换能器主体的上端和下端还通过中部对角连接的单刀单掷开关连接；
当开关阵列上部和底部水平的单刀单掷开关断开并且中部对角连接的单刀单掷开关闭合时，分形结构开关电容换能器中电容处于串联状态，当单刀双掷开关连通左边时电压源对串联的电容组充电；
当将开关阵列上部和底部水平的单刀单掷开关闭合且中部对角连接的单刀单掷开关断开，此时电容处于并联状态，当单刀双掷开关与电压源断开且连通右边输出端时，所有的电容将在并联状态通过开关对外部放电；
所述分形结构开关电容换能器的总输出压降其中，mi表示i阶主体中i-1阶主体的数量，Vd表示一个所述单刀单掷开关上的输出压降，Vd,t表示总的输出压降。
2.根据权利要求1所述的分形结构开关电容换能器，其特征在于，(L+1)阶所述分形结构开关电容换能器中储能电容的总数NL+1＝mL+1·NL,L≥1,其中NL是L阶分形结构开关电容换能器中总的储能电容数目。
3.根据权利要求2所述的分形结构开关电容换能器，其特征在于，所述L阶的分形结构开关电容换能器中总的储能电容数目：
NL＝mL·mL-1……m2·m1，L≥1。
4.根据权利要求1所述的分形结构开关电容换能器，其特征在于，所述单刀双掷开关为机械的单刀双掷开关或可控的晶体管组合，所述可控的晶体管组合为具有单刀双掷开关效果的三极管组合、MOSFET管组合或可控硅管组合。
5.根据权利要求1所述的分形结构开关电容换能器，其特征在于，所述单刀单掷开关为具有开关性质的机械开关、不可控二极管、可控的晶体管或者基于前者的串并联开关组合。
6.根据权利要求2所述的分形结构开关电容换能器，其特征在于，所述储能电容为外接的商业电容、开关管和连接线路本身的结电容或感应电容。
7.一种基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统，其特征在于，所述系统包括摩擦发电机、整流单元、权利要求1-6任一项所述的分形结构开关电容换能器、开关以及滤波单元，所述摩擦发电机的输出端与所述整流单元输入端相联，所述整流单元输出端的一端经由所述开关与所述滤波单元相联，所述分形结构开关电容换能器并联于所述整流单元输出端的两端。
8.根据权利要求7所述的基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统，所述整流单元为半波整流电路或者全波整流电路，半波整流电路用于接触分离式摩擦发电机产生直流高压，全波整流电路用于滑动式摩擦发电机产生直流高压。
9.根据权利要求7所述的基于分形结构开关电容换能器的摩擦发电机电源管理系统，其特征在于，所述系统具有脉冲输出或恒流输出这两种输出方式，所述恒流输出通过在输出端并联一个所述滤波单元。
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