CN111316559A - 包括基于压电材料的转换器的能量收集器 - Google Patents

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CN111316559A CN201880067629.4A CN201880067629A CN111316559A CN 111316559 A CN111316559 A CN 111316559A CN 201880067629 A CN201880067629 A CN 201880067629A CN 111316559 A CN111316559 A CN 111316559A
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L·普亚都
T·里卡尔
J·德拉马尔
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Abstract

本发明涉及能量收集器(90)，包括：转换器(10)，其通过将电荷累积在两个电端子(11、12)中的任一个上，能够将待收集的能量的变化转换成两个电端子(11、12)之间的电势差；转换器(10)包括具有由压电材料制成的至少一个第一层(1)的叠层(9)；采集电路(30)，其连接到两个电端子(11、12)并包括开关(31)，采集电路(30)被配置为在所述开关(31)在闭合状态时收集电荷；当采集电路(30)收集电荷时转换器(10)能够在可听频带中发出声振动；能量收集器(90)还包括控制电路(310)，其被配置为在电势差达到定义阈值时控制开关(31)的多个闭‑开序列(SFO)以通过转换器(10)多次部分放电收集电荷并限制每次放电期间第一层(1)经受的应力偏差。

Description

包括基于压电材料的转换器的能量收集器
技术领域
本发明涉及用于能量收集的装置的领域。具体地，本发明涉及包括转换器的能量收集器，该转换器能够将待收集的能量的变化转换成电势差。该转换器包括压电材料层。
背景技术
从现有技术(WO2014/063951和WO2014/063958)中已知包括磁场源和能量收集器的电力产生器。所述能量收集器包括磁电转换器，所述磁电转换器能够通过在两个电端子中的一个或另一个上累积电荷而将磁场的变化转换成所述电端子之间的电势差。转换器由机电换能器构成，该机电换能器包括压电层，该压电层能够将机械形变转换成其连接到两个电端子的电极之间的电势差。所述转换器还由磁致伸缩层构成，所述磁致伸缩层根据参考平面且在没有任何自由度的情况下固定到机电换能器，并且能够将磁场的变化转换成施加在机电换能器上的机械形变。能量收集器还包括电荷采集电路，该电荷采集电路通过开关连接到转换器的电端子，并且所述开关被控制以切换到闭合位置，从而一旦所述电端子之间的电势差大于预定阈值，就允许收集累积在转换器的电端子之一上的所有电荷。
在工作期间，这种类型的产生器发出敲击声。对于一些应用，该声波可具有制动效果或甚至抑制效果。
本发明的目的
本发明的目的是提出一种用于限制或消除由现有技术的产生器产生的声波的解决方案。
发明内容
本发明涉及一种能量收集器，包括：
·转换器，其通过在两个电端子中的一个或另一个上积累电荷而能够将待收集的能量的变化转换成所述端子之间的电势差；所述转换器包括叠层，所述叠层包括由压电材料制成的至少一个第一层；
·采集电路，其连接到所述两个电端子并且包括开关，所述采集电路被设计成当所述开关处于闭合状态时收集电荷；所述转换器能够在所述采集电路收集电荷时在可听频带中发出声振动；
该能量收集器独特之处在于其包括控制电路，该控制电路被设计用于当该电势差达到定义阈值时控制开关的多个闭-开序列，以通过转换器的多次部分放电来收集电荷并且限制第一层在每次放电期间经受的应力偏差。
依照根据本发明的转换器的有利特征，无论是被单独地采用还是组合地采用：
·对于每个序列，开关的闭合状态由控制电路产生的脉冲控制；
·多个脉冲的至少一个宽度和所述脉冲的周期被选择以控制在部分放电期间第一层所经受的应力动态；
·脉冲具有100至1000纳秒的宽度，并且两个连续序列的两个脉冲间隔10至100微秒；
·控制电路包括用于检测电势差的限定阈值的第一级、产生脉冲的第二级和控制该开关的第三级；
·第一级包括差分比较器，该差分比较器连接到转换器的电端子并且能够在第一出口的区域中产生第一触发信号；
·第二级包括逻辑装置，该逻辑装置连接到该第一出口并且能够在第二出口的区域中生成形成脉冲列的第二信号；
·第二信号具有固定的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲数；
·第三级包括适配装置，该适配装置连接到第二出口并且旨在将第二信号转换为控制信号，该控制信号形成脉冲列并且能够控制开关的多个闭/开序列；
·适配装置包括晶体管和脉冲变压器；
·第二级或由第一级和第二级形成的组件包括微控制器，该微控制器被设计用于在第二出口的区域中产生形成脉冲列的第二信号；
·第二信号具有可变的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲数；
·转换器是磁电转换器，其能够将磁能的变化转换成其两个电端子之间的电势差，并且其叠层包括由磁致伸缩材料制成的第二层。
本发明还涉及包括磁场源和上述能量收集器的电力产生器。
附图说明
参照附图，从本发明的以下详细描述中，本发明的其它特征和优点将变得清楚，附图中：
-图1示出了包括根据本发明的能量收集器的电力产生器；
-图2是根据本发明的能量收集器的接线图；
-图3a和图3b示出了转换器的电端子处的电势差的周期性变化的示例；
-图4a和图4b示出了根据本发明的能量收集器的转换器的电端子处的电势差的周期性变化的示例；
-图5a和图5b分别是根据本发明的能量收集器的控制电路的第一级的接线图；
-图6是根据本发明的能量收集器的控制电路的第二级的接线图；
-图7是根据本发明的能量收集器的控制电路的第三级的接线图。
具体实施方式
附图示出了实施方式，并且在任何情况下都不应被认为是限制性的。附图中相同的附图标记可用于相同的对象。
本发明涉及旨在形成电力产生器100的一部分的能量收集器90。
能量收集器90包括转换器10，转换器10通过在两个电端子11、12中的一个或另一个上积累电荷而能够将待收集的能量的变化转换成所述端子11、12之间的电势差。
转换器10包括叠层9，叠层9包括由压电材料制成的至少一个第一层1，所述第一层1包括电连接到两个电端子11、12的两个金属电极。所述第一层1的机械形变(由于待收获的环境能量的变化)导致在电极中的一个电极或另一个电极上产生电荷，该电荷随后将被收集在电力产生器100内。
依赖于所述转换器10的类型和工作模式，转换器10的叠层9可以由不同材料制成的附加层构成。具体地，转换器10可以是磁电型的，其能够将磁能的变化转换成其两个电端子11、12之间的电势差。在这种情况下，如在背景技术中提及的现有技术文献中所描述的，叠层可以包括第二层2，该第二层2由磁致伸缩材料制成并且根据所述第一层的参考平面且在没有自由度的情况下固定到由压电材料制成的第一层1。
磁能的变化导致由磁致伸缩材料制成的第二层2的形变，该形变被施加到与叠层9中的第二层2成一体的由压电材料制成的第一层1。
磁能的变化通常由磁场源50的运动引起，所述磁场源50是电力产生器100的一部分。磁场源50必须能够相对于转换器10的叠层9执行相对运动以引起磁能变化。
在图1所示的产生器的实施方式中，转换器10由层结构9形成，层结构9与连接层13集成，连接层13确保第一层1的电极与电端子11、12之间的电连接。转换器10在垂直于轴线Z的平面中是圆形的，并且由机械支撑件20以静止的方式保持。磁场源50是环形的，并且能够执行绕轴线Z的旋转运动。
作为示例，磁能量源50的这种旋转运动可以与用户对调光器开关的操纵(例如，为了控制灯)相关联，或者与通风管道中的涡轮机的旋转相关联。
因此，待收集的能量的变化由转换器10转换成电荷，这些电荷随后借助于与转换器10的两个电端子11、12电连接的电荷采集电路30被收集在能量收集器90内。所述采集电路30通常包括电感元件32(例如线圈)和开关31(图2)。在闭合位置，所述开关允许电荷流向电感元件32，电感元件32连接到能够存储电能的电负载，例如电容器33。该电能可以用于给电子部件供电。回到上面引用的实施方式，所述部件可以控制灯的开和关，或者甚至控制通风管道的参数的测量、显示或记录。
当电端子11、12之间的电势差达到指定阈值时，开关31被闭合。有利地，从能量的观点来看，所述指定阈值基本上是转换器10能够获得的电势差的最大电平，目的是收集最大量的电荷并因此收集最大能量。
申请人已经发现，在工作期间，设置有如上面所描述的能量收集器90的电力产生器100产生敲击声。虽然这在调光器开关型的应用中并不造成打扰，但是当电力产生器100用在有人居住的地方的通风管道中时，该声音具有较大的破坏性。实际上，这些地方的使用者能听到这种敲击声，这是一种真正的噪音滋扰。
申请人已经进行了各种调查，以识别该敲击声的来源。已经提出了各种理论，尤其包括当打开采集系统30的开关31以收集电荷时在电感元件32中产生电流脉冲的影响，从而导致线圈匝的形变。另一种理论是压电材料的第一层1的非常快的放电的影响，其引起所述第一层中的应力状态突然变化。
最终，这第二个理论被验证有效。申请人确定所述声波主要是由于声振动引起的，该声振动是在收集电荷期间由压电材料制成的第一层1的应力状态的突然变化产生的。转换器的放电现象(电荷从转换器10的电端子之一流到采集电路30的电感元件32)导致其端子11、12之间的电势在一秒的一小部分内从几十伏或者甚至几百伏变为零。因此，由压电材料制成的第一层1的应力状态的变化是突然的，并且产生声振动，该声振动被传递到转换器10并且到产生器100的所有元件。
申请人特别分析了在打开开关31时电荷的流动时间，以评估将电荷收集分成多个序列(连续的部分放电)的可能性，目的是限制第一层1在放电之前的状态和放电之后的状态之间所经受的应力偏差。
已经注意到，转换器完全放电的时间在3微秒的范围内。
因此，根据本发明的能量收集器90包括控制电路310，其被设计用于当电势差达到定义阈值时控制开关31的多个闭-开序列，以通过转换器的多次部分放电来收集电荷。
积累在电端子11、12之一上的电荷的仅部分的依次流动使得可以管理由压电材料制成的第一层1的应力状态的改变。对于每个放电序列，第一层1所经受的应力偏差是有限的，因此不产生任何声振动，或者仅产生少量的声振动。
有利地，对于每个序列，开关31的闭合状态由控制电路310产生的脉冲控制。脉冲通常具有10至1000纳秒的宽度，两个连续序列的两个脉冲通常间隔10至100微秒，并且脉冲列具有小于3ms的总持续时间。
脉冲特征(宽度、周期、脉冲数)的选择可以根据转换器10的端子11、12处的电势差的值并且依赖于第一层1的压电材料而变化。
需要调整脉冲的宽度(开关31的闭合时间)，以收集充分少量的电荷从而使得第一层1在放电之前的状态和放电之后的状态之间经受的应力偏差不产生声学振动或者至少所述振动小并且听不见(例如小于25dBA)。
此外，出于效果的原因，使转换器10完全放电是重要的。应当注意，在产生器100中待收集的能量的变化经常是周期性的，因此转换器10被设计成根据与待收获的能量的变化的周期相关联的周期性来在一个电端子上然后在另一个电端子上交替地产生最大量的电荷。例如，如果电荷没有被采集，则在转换器10的电端子11、12上的最大电荷量Q10可以变化，如图3所示，交替地通过电端子11上的正电荷M11的峰值(最大值)和电端子12上的负电荷M12的峰值。
有利地，在对应于两个电端子11、12之间的电势差Δν最大值的每个电荷峰值M11、M12处收集电荷。这使得可以最大程度地利用由压电材料制成的转换器10的第一层1的形变循环。另选地，可以选择在达到电荷最大值M11或M12之前触发电荷采集，即对于两个电端子11、12之间的指定电势差Δν阈值。
由于两个电端子11、12之间的电势差Δν交替地为正和负，所以二极管桥34(图2)使得可以在采集电路30的输入处对其进行整流。
如图3b所示，在开关31闭合之后，转换器10的放电(根据现有技术，顺序地)非常快(几微秒)，并且对应于用于将其能量传递到电感元件32的时间。电容器33的充电稍长，并且对应于从电感元件32到电容器33的能量传递(大约100微秒)。应注意，给定图3b中的曲线图的比例，不可能识别电容器33的端子处的电压V33的增加的持续时间。
出于效果的原因，根据本发明的能量收集器90中的转换器10的完全放电涉及连接多个脉冲(对应于开关31的多个闭-开序列SFO)以在转换器10的端子11、12之间实现零电势差，如图4a和图4b所示。如上所述，脉冲数因此可以根据转换器10的端子11、12处的电势差Δν的值并且依赖于第一层1的压电材料而变化。
最后，转换器10的放电必须在有限的时间内、在积累在转换器10中的电荷能够被第一层1的反向形变抵消之前进行。因此，脉冲列的周期必须使得能够在所有积累的电荷在第一层1内被平衡掉之前将它们放电。换句话说，分配给脉冲列(即，开关31的多个闭-开序列)的时间必须保持远小于与电力产生器100中的待收集的能量的变化相关联的周期。
然而，以相关的方式，应当确保在各放电序列之间保留充分的时间，从而连续放电在机械方面不具有与在一个单脉冲中的放电相同的效果(声振动的产生)，即第一层1在各应力状态之间具有足够的弛豫时间。因此，还必须选择脉冲的宽度(或多个宽度)和脉冲的周期，以控制在连续的部分放电期间第一层1所经受的应力动态。
有利地，控制电路310包括：
·检测电势差的指定阈值的第一级311，所述第一级311被设计用于检测转换器10的电端子11、12之间的所述阈值并且用于在第一出口S1处产生触发信号(称为第一信号)；
·产生脉冲的第二级312，所述第二级312连接到第一出口S1，其被设计成当其接收到第一触发信号时在第二出口S2处产生形成脉冲列的信号(称为第二信号)；
·和控制开关31的第三级313，所述第三级313连接到第二出口S2，其用于将第二信号转换为形成脉冲列的控制信号；在第三出口S3处的该控制信号能够控制开关31的多个闭/开序列。
根据第一实施方式，检测指定阈值的第一级311包括连接到转换器10的电端子11、12的差分比较器311a(图5a)。
有利地，从能量的角度，当转换器10的端子11、12处的电势差Δν处于最大值(峰值)时，开关31被触发。为此，可以使用由连接到用于测量高电压信号Δν的外部源的放大器形成的差分比较器311a。峰值的检测通过转换器10的端子处的信号导数来实现，并且检测其通过0。该导数是通过电容器模拟地实现的，该电容器的电流是根据施加在其端子处的电压导出的。
当差分比较器311a检测到转换器10的电端子11、12之间的指定电压阈值时，差分比较器311a在放大器的称为第一出口S1的区域中产生第一触发信号。
根据第二实施方式，检测指定阈值的第一级311利用半导体中的雪崩效应(图5b)。在低电压下，可以使用齐纳二极管的雪崩。在高电压下，可以有利地使用晶体管311b，例如通过利用MOS晶体管的栅极和漏极之间的雪崩。在这种情况下，为了防止源极具有浮置电势，所述源极可以连接到栅极(VGS＝0)。只要第一级311的输入端处的电压(转换器10的电端子11、12之间的电势差)小于MOS雪崩电压，晶体管311b被阻断并且出口电压Vs为零。当第一级311的输入端处的电压超过雪崩阈值时，晶体管Vs的出口处的电压增加，并且可以用于在第一输出端S1处形成第一触发信号。
在所引用的第一实施方式或第二实施方式中，控制电路310的第二级312可以包括逻辑装置，该逻辑装置连接到第一出口S1并且因此能够接收第一触发信号。
对于第一信号的每个上升沿，该逻辑装置被设计用于生成形成周期性脉冲列的第二信号，该脉冲列具有指定的脉冲数、周期和占空比(脉冲持续时间与脉冲列的周期之间的比)。
脉冲数可以在20和150之间，并且如上所述，脉冲宽度可以在10和1000纳秒之间，并且周期可以在10和100微秒之间。
在这种情况下，第二信号具有固定的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲数。实际上，逻辑装置是预定的，以产生使第二信号特性固定的脉冲列。
逻辑装置可以由如图6所示的逻辑端口形成。其包括第一组逻辑端口，该第一组逻辑端口允许与第一信号的每个上升沿相关联地生成信号。
所述信号使得可以触发单稳态组件312a，该单稳态组件312a定义时间，在该时间中将产生脉冲列。所述单稳态组件312a触发非稳态组件312b，该非稳态组件312b产生所述脉冲列。非稳态组件312b通常具有几十微秒的周期和接近50％的打开占空比。然后，通过RC电路来定义每个脉冲的宽度。
形成控制电路310的第二级312的逻辑装置因此使得能够在第二输出端S2处生成具有以下特征的脉冲列：
·脉冲数：15到150
·脉冲宽度：10至1000纳秒，例如600纳秒
·和周期：10到100微秒，例如42微秒。
从如上所述的逻辑装置形成控制电路310的第二级312具有自主装置的优点，而不需要输入外部能量来起作用。
另选地，控制电路310的第二级312可以包括微控制器，该微控制器被设计用于在第二出口S2处生成形成脉冲列的第二信号。该另选方案适用于上述第一实施方式或第二实施方式。
在这种情况下，第二信号可以具有可变和可调节的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲数，因为微控制器可以用可变参数编程。这可以使得可以减少脉冲列的总持续时间。实际上，在放电开始时(开关31的第一闭-开序列)，电端子11、12之间的电势差Δν为高。由于电势差Δν的减小，在给定持续时间的第一序列期间的放电将提供比相同持续时间的后续序列期间多得多的能量。因此，通过用短持续时间(短宽度)的脉冲开始放电并用较长脉冲(较大宽度)结束放电会是有利的。这使得可以使用较少的脉冲并且在较短的总时间内收获所有电荷。而且，减少脉冲数使得可以减少用于控制的开关损耗和能量消耗。因此可以提高产出。
作为示例，形成控制电路310的第二级312的微控制器可以使得能够在第二输出端S2处生成具有以下特征的脉冲列：
·脉冲数：<15
·脉冲宽度：2至1000纳秒，可在第一个脉冲和最后一个脉冲之间变化
·和周期：10至100纳秒，可在第一个脉冲和最后一个脉冲之间变化。
根据本发明的第三实施方式，由第一级311和第二级312形成的组件可以由微控制器形成，该微控制器能够检测转换器10的电端子11、12处的电势差的指定阈值，并且当检测到该阈值时，触发在第二输出端S2处产生形成脉冲列的第二信号。
应注意，在控制电路310的第一级311中或在第一级311和第二级312中使用微控制器需要能量以便起作用，且因此可极大地减少由能量收集器90收集的电能的一部分。由微控制器消耗的该能量因此不再可用于供应外部电子部件。然而，通过管理所述微控制器的待机阶段和/或通过使相邻系统中具有其它功能的微控制器的使用合理化，可以优化所述微控制器的操作。
在上述实施方式中的一个或其他中，控制电路310的第三级313包括适配装置，该适配装置连接到第二出口S2并且旨在将第二信号转换为控制信号，该控制信号形成脉冲列并且能够控制开关31的多个闭/开序列。
有利地，适配装置包括晶体管313a和脉冲变压器313b。晶体管313a的栅极电连接至控制电路310的第二级312的第二输出端S2。由于形成脉冲列的第二信号具有低电压，所以有必要将其转换为用于控制开关31的较高电压控制信号。
有利地，所述开关31由晶体管形成，该晶体管能够在其漏极处维持高电压(对应于转换器的电端子11、12之间的电势差Δν)，该漏极具有低寄生电容并且能够接受小于一百纳秒的开关时间。
第二输出端S2的脉冲列控制晶体管313a的栅极。脉冲变压器313b的初级绕组的输入端313b1连接到馈送电压。输入端313b2连接到晶体管313a的漏极。晶体管313a的切换导致脉冲变压器中的变化通量，并且使得可以在第二线圈(输出端313b3和313b4)上产生控制电压。脉冲变压器313b的输出端313b3、313b4分别连接到形成开关31的晶体管的栅极和源极。因此，脉冲变压器313b使得能够将低电压电子器件(在变压器313b的上游)与高电压开关31隔离。
已经基于磁电转换器10的示例描述了根据本发明的能量收集器90。然而，本发明可以适用于包括叠层9的任何类型的转换器10，该叠层9包括由压电材料制成的至少一个第一层1，通过位于转换器10和采集电路30之间的开关31的闭-开序列(部分连续放电)进行电荷的受控收集，限制了应力状态的变化幅度和应力动态的变化幅度。
此外，本发明不限于所描述的实施方式，并且在不超出由权利要求限定的本发明的范围的情况下可以向其添加变型。

Claims (13)

1.一种能量收集器(90)，所述能量收集器(90)包括：
·转换器(10)，所述转换器(10)通过将电荷积累在两个电端子(11、12)中的一个电端子或另一个电端子上，能够将待收集的能量的变化转换成所述端子(11、12)之间的电势差，所述转换器(10)包括叠层(9)，所述叠层(9)包括由压电材料制成的至少一个第一层(1)；
·采集电路(30)，所述采集电路(30)连接到所述两个电端子(11、12)并且包括开关(31)，所述采集电路(30)被设计成当所述开关(31)处于闭合状态时收集电荷，所述转换器(10)能够在所述采集电路(30)收集电荷时在可听频带中发出声振动；
所述能量收集器(90)的特征在于，所述能量收集器(90)包括控制电路(310)，所述控制电路(310)被设计用于当所述电势差达到定义阈值时控制所述开关(31)的多个闭-开序列(SFO)，以通过所述转换器(10)的多次部分放电来收集电荷并限制在每次放电期间所述第一层(1)经受的应力偏差。
2.根据前述权利要求所述的能量收集器(90)，其中，对于每个序列(SFO)，所述开关(31)的闭合状态由所述控制电路(310)产生的脉冲控制。
3.根据前述权利要求所述的能量收集器(90)，其中，所述脉冲具有100至1000纳秒的宽度，并且其中两个连续序列(SFO)的两个脉冲间隔10至100微秒。
4.根据两个前述权利要求中任一项所述的能量收集器(90)，其中，所述控制电路(310)包括用于检测所述电势差的定义阈值的第一级(311)、产生所述脉冲的第二级(312)以及控制所述开关(31)的第三级(313)。
5.根据前述权利要求所述的能量收集器(90)，其中，所述第一级(311)包括差分比较器(311a)，所述差分比较器连接到所述转换器(10)的所述电端子(11、12)并且能够在第一出口(S1)处产生第一触发信号。
6.根据前述权利要求所述的能量收集器(90)，其中，所述第二级(312)包括逻辑装置，所述逻辑装置连接到所述第一出口(S1)并且能够在第二出口(S2)处产生形成脉冲列的第二信号。
7.根据前述权利要求所述的能量收集器(90)，其中，所述第二信号具有固定的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲数。
8.根据两个前述权利要求中任一项所述的能量收集器(90)，其中，所述第三级(313)包括适配装置，所述适配装置连接到所述第二出口(S2)以转换所述第二信号，并且旨在将所述第二信号转换为控制信号，所述控制信号形成脉冲列并且能够控制所述开关(31)的所述多个闭/开序列。
9.根据前述权利要求所述的能量收集器(90)，其中所述适配装置包括晶体管(313a)和脉冲变压器(313b)。
10.根据权利要求4所述的能量收集器(90)，其中，所述第二级(312)或由所述第一级(311)和所述第二级(312)形成的组件包括微控制器，所述微控制器被设计用于在第二出口(S2)处产生形成脉冲列的第二信号。
11.根据前述权利要求所述的能量收集器(90)，其中，所述第二信号具有可变的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲数。
12.根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器(90)，其中，所述转换器(10)是磁电转换器，其能够将磁能的变化转换成其两个电端子(11、12)之间的电势差，并且其叠层(9)包括由磁致伸缩材料制成的第二层(2)。
13.一种电力产生器(100)，所述电力产生器(100)包括磁场源(50)和根据前述权利要求中任一项所述的能量收集器(90)。
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